剑麻遗传转化体系的建立与优化
2024-05-01
来源:小侦探旅游网
2011年6月 热带农业科学 第31卷第6期 June.201l CHINESE J0URNAL OF TROPICAL AGRICULTURE Vo1.31,No.6 剑麻遗传转化体系的建立与优化① 丁 静 , 徐 立 ,∞ 杜中军 李志英 ,。)② (1海南大学农学院 海南儋州 571737: 2中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所 海南儋州 571737: 3农业部热带作物种质资源利用重点开放实验室 海南儋州 571737) 摘要 以剑麻无菌苗叶片为试材,研究了潮霉素(Hyg)、菌液浓度、侵染时间、乙酰丁香酮(As)及羧苄青霉素 (Car)等因素对剑麻遗传转化的影响。结果表明,剑麻最适遗传转化体系为:Hyg选择浓度为25 mg/L,OOeoo 0.6左右的农杆菌菌液,侵染时间为l0~15 min,As浓度为200 ̄mol/L,Car浓度为400 mg/L。 关键词 剑麻;遗传转化;优化;瞬时表达率 分类号¥563.8 Establishment and Improvement of Agave Genetic Transformation System DI NG Jing ・ XU Li DU Zhongjun LI Zhiying (1 College of Agronomy,Hainan University,Danzhou,Hainan 57 1 737; 2 Tropical Crops Genetic Resources Institute,CATAS,Danzhou,Hainan 57 1 737 3 Ministry of Agriculture Key Laboratory for Tropical Crop Germplasm Resources, Danzhou,Hainan 57 1 737) Abstract Studied the various factors of Agave genetic transformation on the hygromycin(Hyg),bacteria solution concentration,infection time,acetosyringone(As)and carbenicillin(Car).The results showed that the optimal genetic transformation system was as follows:25 mg/L,infecting in the(OD600=0.6)for 10~. 15 min.As density was 200 i ̄mol/L.Car densiyt was 400 mg/L. Keywords Agave americana Linn.;genetic transformation;improvement;transient expression 剑麻 gaye O,1Fteric肌口Linn.)是龙舌兰科 李愿平等人以H.1 1648的珠芽为材料进行快速繁殖. (Agavaceae)/石蒜科(Amaryllidaceae)龙舌兰属 发现了芽分化、芽增殖与生根培养基。吕玲玲等[8]人 gave Linn.)的多年生单子叶植物.有时也泛指龙 以剑麻的茎尖为材料通过摸索试验建立了H.11648 舌兰麻类系单子叶植物 ].是经济栽培的种植园作 的高效再生体系.优化了芽分化与芽增殖的最适培 物 2_。龙舌兰科植物共有21个属约670个种_3]。剑 养基.生根率也由82%增至93.3% 但到目前为止 麻叶片内含有丰富的纤维,剑麻纤维因具有质地韧、 还没有剑麻的转基因报道。本试验以剑麻无菌苗为 耐摩擦、耐酸碱等多种优良性能而被广泛应用[4-53 材料,应用GUS基因瞬时表达技术.建立并优化了 另外剑麻对重金属镉、铜具有一定的耐性,在重金 农杆菌介导的剑麻的遗传转化体系.为今后开展剑 属污染土壤的修复中具有很好的应用前景 ] 麻转基因研究提供有效的方法 然而剑麻是多年生植物.定植后生命周期长. F 代可育的不多.而且育种基础薄弱及育种效率不 1材料与方法 高,所以新品种的培育难度很大。再加上斑马纹病 1.1 材料 和茎腐病的影响.使剑麻的生产受到严重的威胁。 1.1.1 试剂 ①基金项目: “948”项目(No.2010一s6):农业部热带作物种质资源保护项目(No.IORZZY)。 收稿日期:2011-04—25:责任编辑/张海东;编辑部E-mail:rdnk@163.tom。 ②通讯作者:李志英。E-mai1:xl1izhiying@vip.163.com。 37 2011年6月 热带农业科学 第3l卷第6期 组织培养所用试剂盒其他化学试剂均为国产分 析纯产品。羧苄青霉素(Carbenicillin,Car),母液浓 度为100 mg/mL;潮霉素(Hygromycin,Hyg),母液 和Rif 100 mg/L的20 mLLB液体培养基中,28℃、 200 r/min震荡培养直至ODmo分别为0.2、0.4、 0.6、0.8、1.0,然后将菌液离心,4kr/min×3min, 浓度为10 mg/mL;卡那霉素(Kanamycin,Km),母 液浓度为100 mg/mL;利福平(Rifampicin,Rif),母 液浓度为10 mg/mL:GUS染色液【9]:50 mmol/L磷酸 收集菌体.并用20 mL液体的预培养培养基重新悬 浮。用悬浮液侵染叶片10min,每个处理3O个,3 次重复,共培养2d后转移至抗性培养基上,21 d后 钠缓冲液(pH 7.0)中含0.1 mol/L的K4[Fe(CN)6], 0.1mol/L的Ks[Fe(CN)6],0.001%(v/v)Tritonx一100, 10 mmol/L的Na2EDTA,2O%甲醇,0.5 mg/mL X-Gluc (先溶于少量的DMSO)。 1.1.2受体材料与培养基 剑麻H.11648 L4gaye hrb ̄d No.11648= . aman/ens/s Trelease et W.Nowell×A.angustfiolia Haworth)×A.aman/ens/s]无菌苗由中国热带农业 科学院热带作物品种资源研究所快繁中心提供。 剑麻无菌苗所用培养基为: 预培养:MS+6一BA 2.0 mg/L+NAA 0.1 mg/L+ 30 g/L蔗糖+7 g/L卡拉胶,pH 5.8。 共培养:MS+6一BA 2.0 mg/L+NAA 0.1 mg/L+ As 200 ̄mol/L+30 g/L蔗糖+7 g/L卡拉胶。pH 5.8。 选择培养:MS+6一BA 2.0 mg/L+NAA 0.1 mg/L+ Car 400 mg/L+Hyg 25 mg/L+30 g/L蔗糖+7 g/L卡 拉胶,pH 5.8。 1.1.3质粒和菌株 质粒pBI121及根癌农杆菌LBA4404均由中国 热带农业科学院热带作物品种资源研究所快繁中心 保存。 1.2 方法 1.2.1 预培养 将无菌苗的幼嫩叶片切成0.5 cm。左右的小块. 放到预培养培养基上.25 ̄C暗培养2 d。 1.2.2潮霉素(Hyg)基础抗性测定 将剑麻叶片基部的叶段接种于Hyg浓度分别 为:0、10、15、20、25 mg/L的培养基上,21 d后 统计叶片的褪绿程度。 1.2.3茵液浓度对转化的影响 将保存在-80℃的已转化的农杆菌菌液在含有Km 50 mg/L和Rif 100 mg/L的LB固体培养基上涂板. 28"C倒置培养约48 h。挑取单菌落接种到含Km50 mg/L 一38一 计算GUS瞬时表达率。以确定最佳农杆菌侵染浓度。 1.2.4侵染时间对转化的影响 将预培养的外植体浸泡在盛有农杆菌菌液的小 三角瓶中,分别侵染5、10、15、20、25min,然后 共培养2 d后转移至抗性培养基上.21 d后计算 GUS瞬时表达率,以确定最佳侵染时间。 1.2.5 乙酰丁香酮(As)的浓度对转化的影响 在共培养培养基中加入不同浓度的As(0、100、 200、300、400 m0l/L),每个处理30个农杆菌浸泡过 的外植体,3次重复,以确定最佳As的浓度。 1.2.6羧苄青霉素(Car)浓度对诱导愈伤的影响 外植体共培养后.农杆菌会快速生长而抑制了 外植体的生长分化.甚至导致外植体死亡。为了抑 制农杆菌的生长.在培养基中需要添加适宜的抑菌 剂,保证外植体的正常生长。本试验设置5个Car 的浓度:0、100、200、300、400、500 mg/L,观察 受体材料接种于不同浓度Car中的变化。 1.2.7 GUS组织化学染色 将农杆菌侵染后1~4 d的外植体进行GUS组 织化学染色,鉴定GUS基因的瞬时表达率。取转化 后经选择培养获得的剑麻外植体。置于培养板。加 入适量的GUS染色液.盖上盖封好容器于37℃条 件下反应14~18 h。同时取未转化的同步材料做阴 性对照吸掉反应液后加入70%的乙醇脱色.常温放 置至阴性对照材料呈白色.肉眼观察显色情况并拍 照记录 2结果与分析 2.1 潮霉素(Hvg)基础抗性测定 在进行遗传转化之前.首先对材料进行抗生素 筛选,确定外植体对抗生素的敏感性.选出合适的 抗生素浓度。本试验设置了5个Hyg浓度梯度.培 养21 d后进行观察。试验结果见表1。 随着Hyg浓度的升高。外植体持绿率急剧下 丁 静等 剑麻遗传转化体系的建立与优化 表1 剑麻叶片的Hyg敏感性试验结果 Hyg浓度/(mg・L ) 持绿率/% 0 94.8 10 7O.3 15 41.2 2O 28.7 25 0 降,变 为深褐色或者黑色。当Hyg浓度为25mg/L 时.剑麻叶片的持绿率已经降到0(图1A);当Hyg 浓度为15 mg/L时.剑麻叶片的持绿率为41.2%(图 1B),约为对照(p= =omg/L)的一半,即剑麻叶片出 现了半致死现象 在后续实验中采用Hyg浓度为 25 mg/L作为外植体选择压力。 \斟 鲁嚣∽ 0 ∞ ∞ ∞ ∞ 图1A全致死 图1B半致死 2.2菌液浓度对转化的影响 在农杆菌介导的遗传转化中.合适的菌液浓度 是成功转化的一个关键性的影响因子。试验结果见 图2。 3 2。_3 0 菌液浓度(DD ) 图2 菌液浓度对GUS瞬时表达率的影响 OD6oo值在0.2~0.6时.随着菌液浓度的升 高,GUS瞬时表达率也随即升高 当DD 值达到 O.6左右时.GUS瞬时表达率达到最高:但是当 ()D㈣值大于0.6时.GUS瞬时表达率呈下降趋 势。当()D 值大于0.6时,南于菌液浓度太大, 农杆菌过度繁殖导致外植体污染严重.使外植体褐 化甚至死亡.降低GUS瞬时表达率 2.3侵染时间对转化的影响 侵染的过程就是农杆菌向外植体表面附着的过 程.掌握好侵染时间.有助于减少后续试验中可能 造成的污染。侵染的时间太短,农杆菌尚未接触到 伤口表面:侵染时间太长,农杆菌会在伤口处大量 繁殖,使外植体软腐,变褐死亡。见图3。 浸染时间/min 图3侵染时间对GUS瞬时表达率的影响 侵染时间在15min时,GUS瞬时表达率最高. 但是侵染超过15 min时.GUS瞬时表达率开始降 低。因此在后续试验中,为了减少剑麻叶片受到的 伤害.侵染时间应该控制在l0~15 min。 2.4 乙酰丁香酮的浓度对转化的影响 剑麻属于单子叶植物.对农杆菌不敏感。研究 发现.双子叶植物受到创伤后会产生酚类物质乙酰 丁香酮(As)。As可以诱导农杆菌Vir基因的活化. 而Vir区基因的活化与T—DNA区的转移有着直接的 关系。As的加入,大大促进了农杆菌向植物细胞 的附着和转移,从而促进外源基因的整合。从图4 可以看出.在共培养培养基中加入一定量的As. 可以明显的提高GUS瞬时表达率 当As浓度增加 至200 ̄mol/L时,GUS瞬时表达率达到最高;但是 当As浓度继续增加时,GUS瞬时表达率反而降低。 所以.在后续试验中往共培养培养基中加入200  ̄mol/L的As。 30 15 。害5 圈. r] 。.0 100 200 300 400 As浓度 图4 As浓度对GUS瞬时表达率的影响 一39一 0 2011年6月 2.5羧苄青霉素浓度对诱导愈伤的影响 热带农业科学 第31卷第6期 在后期的抑菌过程中.虽然羧苄青霉素的浓度 越高.抑菌效果越好.但是会严重影响到剑麻愈伤 组织的诱导。所以采用400 mg/L的羧苄青霉素。在 经侵染共培养后的外植体上附着大量的农杆 菌.如果不及时抑制菌的生长与繁殖.外植体将会 由于菌的污染而导致褐化甚至死亡。试验表明,0、 100、200、300、400mg/L的羧苄青霉素几乎不影响 培养的后期如果发现农杆菌污染.及时用羧苄青霉 素水清洗外植体.这样既保证了外植体愈伤组织的 正常诱导.又避免了农杆菌污染对外植体的影响。 剑麻叶片愈伤组织的诱导 使用500 mg/L的羧苄 青霉素时,剑麻的叶片很难长出愈伤组织。为了能 抑制住菌的污染并且保证转化体细胞的正常分化. 在后续试验中往选择培养培养基中加入400 mg/L 的羧苄青霉素 2.6 GUS组织化学染色 表达载体pBI121中含有35S:GUS报告基因. 可以对转化后的外植体进行GUS组织化学染色检 测。随机抽取几个转化后的剑麻叶片(图5A),进 行GUS染色鉴定:同时取几个未转化的叶片作对照 (图5B) GUS基因的组织化学染色结果发现,剑麻 叶片出现不同程度的蓝斑.说明GUS基因已转入剑 麻叶片中 图5A GUS染色 图5B对照CK 3讨论 遗传转化细胞的再生要求受体材料有高效稳定 的再生能力[10】。在本实验中.剑麻叶片愈伤组织的 诱导过程中经常碰到玻璃化现象.愈伤组织变得水 渍化.软腐失去分化能力,在培养过程中应采取一 些措施尽量降低培养皿内的湿度Ⅲ .比如稍微增 加卡拉胶的浓度.液体培养基凝固后封口以及采用 透气性好的材料等fl3]。 在对外植体侵染的过程中。本实验只使用了一 种菌种LBA4404.不同的菌种对植物材料的侵染能 力不同.在以后的研究中可以采用其他菌种进行实 验比较.选出最佳的农杆菌菌种。 一40 一 参考文献 [1]裴超群.龙舌兰科植物资源调查报告[J].广西热作科 技,1997(1):l5—21. [2]Tempany S H,Grist D H.An Introduction to Tropical Agriculture[M].London:Longmans,Green and Compa- ny,1958.50. [3]林伯达.加速选育龙舌兰麻新良种[J].福建热作科技。 1990(1):lO一17. , [4]西海.石棉纤维的替代产品——剑麻纤维[J].建材 工业信息.2003(11):44. [5]周文钊.罗练芳.提高剑麻科技创新能力的战略思路 [J].中国麻业科学,2007.29(增1):104一ll1. [6]郭彬,全霞,张黎明,等.剑麻对镉耐受、积累及 修复效应的初步研究[M].全国土壤污染控制修复与盐 土改良技术交流论文集.2006:186—189. [7]李福燕,张黎明,李许明,等.剑麻对铜的耐性与累积 效应研究初探咖.中国农学通报,2006,12(22):417—420. [8]吕玲玲,易克贤,徐雪荣.H.11648麻高效再生体系的 建立[J].中国麻业,2006,28(2):79—83. [9]王关林.方宏筠.植物基因工程原理与技术[M].北京: 科学出版社.1998.477—480. [1O]曾黎辉.吕柳新.木本果树遗传转化研究进展[J].果 树学报.2002.19(3):191—198. [11]Bottcher I,Zoglauer K,Goring H.Introduction and reversion of vitification of plants cultured in vitro[J].Physiology Plant.1988(72):560—564 [12]Ziv M,Meir G,Harlevy A.Factors influenciug the production of hardened glaucous Carnation plantlets in vitro[J].Plant Cell,Tissue and or— gan culture.1982,2(1):55—65 [13]Earle E D,Lungbaus R W.Carnation propagation from shoot 1ips cultured in 1iquid medium[J]. Hort.Sci..1975.10:608—610