草甘膦生物抗性和生物降解及其转基因研究

草甘膦(N—phosphonomethyl—glycine，glyphosate)毒性作用机理是竞争性抑制莽草酸途径中的5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶(5-enolpyruvyl—shikimate—3—phosphate synthase，简称EPSP合成酶)的活性。EPSP合成酶是植物和微生物体内芳香族氨基酸(包括色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸等)生物合成过程中的一个关键酶。该酶由aroA基因编码。抗草甘膦微生物或植物中EPSP合成酶基因的核苷酸序列在相同或相近位点发生了突变。将编码EPSP合成酶的突变基因导入大豆和烟草等作物中，均能获得转基因的抗草甘膦作物。草甘膦的生物降解途径主要有两条，C-N断裂生成氨甲基磷酸(AMPA)或C-P键断裂生成肌氨酸(sarcosine)，然后两种中间代谢物进一步代谢为磷酸、甘氨酸和二氧化碳等。     

土壤宏基因组中抗草甘膦新基因的克隆与转化水稻的研究

EPSPS (5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合酶EC 2.5.1.19)是植物芳香族氨基酸和植物次生代谢产物生物合成中莽草酸途径的关键酶; 同时也是广谱性除草剂草甘膦的作用目标。本实验通过对草甘膦污染土壤宏基因组文库的建立及筛选, 成功克隆了一个新的草甘膦抗性的EPSPS基因(命名为soilEPSPS)。序列分析表明soilEPSPS基因全长1404 bp, 其编码的467个氨基酸中未涉及已公布专利中保护的氨基酸序列。原核功能验证表明该基因对草甘膦的耐受能力优于EPSPS CP4基因。将该基因与水稻Rubisco SSU引导肽相融合构建由actin启动子驱动的植物表达载体, 用农杆菌介导法实现了水稻的遗传转化。抗性再生植株的PCR和Southern杂交结果表明所获得的26株再生植株均为转基因阳性植株, 其中共有3个单拷贝转化事件。草甘膦抗性鉴定证明纯合体T₂代植株能够耐受高达500 mmol L^-1的草甘膦。本研究为转基因抗除草剂水稻新品种的培育奠定了基础。     

转基因抗草甘膦棉花及其对草甘膦抗性的时空表达

草甘膦是一种非选择性除草剂,它通过竞争性抑制莽草酸途径中的5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合酶（EPSP合酶）干扰芳香族氨基酸的生物合成而发挥毒性作用。虽然获得抗草甘膦棉花的途径有多种,但当前用于生产的抗草甘膦棉花主要是以CP4- EPSPS基因转化棉花获得的。草甘膦对转CP4- EPSPS棉花的营养生长没有不利影响,但4叶期后喷施草甘膦会显著降低花粉粒的活性,抑制散粉、授粉和结实,导致转CP4- EPSPS棉花对草甘膦抗性呈现出一定程度的时空变化。草甘膦对抗草甘膦棉花（雄性）生殖器官的抑制效应一方面源于草甘膦在生殖器官内的大量积累,另一方面在于CP4- EPSPS基因在（雄性）生殖器官的低效表达。促进CP4- EPSPS基因在全株高效表达是提高棉花对草甘膦抗性的重要途径。     

乙酰乳酸合成酶及ALS基因研究概述

乙酰乳酸合成酶抑制剂类除草剂以其独有的优点,20世纪90年代以来一直占领世界除草剂市场。抗草甘膦转基因作物的问世,草甘膦的销售量大幅增加,乙酰乳酸合成酶抑制剂类除草剂销量不断减少。然而,大量抗草甘膦杂草的产生,使得人们期望培育出抗不同类型除草剂转基因作物,抗ALS抑制剂类除草剂成为人们的首选。笔者概述了乙酰乳酸合成酶的结构、功能、除草剂作用机理、抗ALS基因的研究现状。期望对抗ALS抑制剂基因的筛选,利用提供参考。     

牛筋草EPSPS基因启动子对草甘膦的响应

杂草对草甘膦抗药性机理及抗草甘膦转基因作物研究主要围绕草甘膦靶标酶EPSPS展开,EPSPS基因表达量增加是杂草抵抗草甘膦胁迫的主要分子机制之一,但EPSPS基因表达调控机理及其对草甘膦的响应却鲜有研究。本研究根据Gen Bank中牛筋草EPSPS基因启动子序列设计引物,从牛筋草基因组DNA中扩增EPSPS基因启动子序列及其5'端缺失序列;将各启动子片段构建到含绿色荧光蛋白基因GFP的p35S-GFP载体上,在农杆菌的介导下,利用洋葱表皮细胞瞬时转染体系分析EPSPS基因启动子活性及对草甘膦的响应,结果表明,各启动子片段均能启动下游基因的表达,具有较强的启动子活性,可作为较好的实验材料用于抗草甘膦转基因作物的研究。此外,EPSPS基因启动子能够响应草甘膦信号,调节下游GFP基因的表达,响应元件可能存在于3'端的345 bp内。研究结果有助于进一步丰实杂草对草甘膦抗药性机理及抗草甘膦转基因作物研究的理论基础。     

肠杆菌20 aroA基因的克隆及功能分析

挖掘草甘膦抗性基因将有助于抗草甘膦遗传改良作物的培育。本研究分离了一株新型草甘膦抗性菌株肠杆菌20(Enterobacter.E20),该菌株在营养缺陷型培养基中能够耐受高达400 mmol/L草甘膦的胁迫,为充分发掘该菌株在草甘膦抗性方面的利用价值,对该菌株进行了全基因组测序(Gen Bank:CP012999.1)。分离克隆了肠杆菌20其EPSPS(5-烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶)编码基因aroA20(WP_039261572.1),该基因序列长度为1 284 bp,编码427个氨基酸,序列比对分析显示AroA20具有Ⅰ型EPSPS典型的保守结构特征,系统进化分析显示AroA20与大肠杆菌K12的EPSPS具有最近的亲缘关系。利用原核表达系统鉴定了重组aroA20菌株在草甘膦胁迫下的耐受性,在转基因烟草中过表达了aroA20基因并鉴定了转基因植株的草甘膦抗性。研究肠杆菌20与其草甘膦的靶标EPSPS编码基因aroA20在草甘膦抗性上存在差异的分子机制将为深入理解生物体草甘膦抗性奠定研究基础。     

月季EPSPS基因的克隆及生物信息学分析

月季是园林绿化中常用的花卉,因此十分有必要对其抗性基因进行研究。5-烯醇丙酮酸莽草酸3-磷酸合酶(EPSP; 3-磷酸莽草酸1-羧基乙烯基转移酶; EC 2.5.1.19)为莽草酸途径中的关键酶,也是除草剂草甘膦的靶向酶。为了探究月季EPSPS基因的结构和功能,本研究利用月季基因组信息设计特异引物克隆得到月季的EPSPS基因,命名为RcEPSPS。经RT-PCR克隆后得到RcEPSPS基因的ORF全长为1 566 bp,共编码521个氨基酸,分子质量为55.19 kD,等电点为7.5,亲水系数为0.009。初步研究得知RcEPSPS属于EPSPS I型蛋白,与同属蔷薇科的野草莓的序列同源性极高。研究结果可为后续抗性基因的利用提供理论基础。     

抗除草剂转基因水稻的研究进展及其安全性问题

近年来，抗除草剂转基因作物的研究取得了一些进展。本文简述了抗除草剂转基因作物的发展历史以及除草剂的作用机理，分别介绍了抗EPSPS抑制剂基因、抗ALS抑制剂基因、乙酰CoA转移酶基因、阿特拉津氯水解酶基因、细胞色素P450基因和原卟啉原氧化酶基因这6类抗除草剂基因的来源，抗性机理以及目前它们在转基因水稻上的应用。最后，对转基因水稻的食用安全性，转基因释放、飘移对生态的影响进行了探讨，并对转基因水稻的未来发展进行了展望。     

陆地棉EPSPS基因的克隆及其组织特异性表达分析

 5-烯醇式丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶（EPSPS）是莽草酸途径中的一个重要酶,它是非选择性除草剂草甘膦的靶标酶,在高等植物中定位于叶绿体质膜上。根据EST拼接的序列设计引物,从陆地棉品种珂字棉312中获得了全长为1834 bp的cDNA序列,其最大可读框为1565 bp,编码521个氨基酸。陆地棉EPSPS基因与其它植物中同类酶在氨基酸水平上有广泛的同源性。通过与已知的其它高等植物叶绿体转运肽剪切位点比对,推断棉花EPSPS基因含有74个氨基酸叶绿体运输肽和447个氨基酸组成的熟蛋白。该酶具有保守的PEP结合位点及催化位点的特征序列。半定量分析表明,该基因产物广泛存在于棉花根、茎和叶等各组织中,在叶片中表达量较高。进一步扩增棉花核基因组获得了3344 bp的DNA序列,它包含8个内含子和7个外显子。棉花EPSPS基因的克隆为抗草甘膦棉花种质资源的创制提供了理论基础。     

抗双链RNA依赖性蛋白激酶PKR基因表达载体构建及在玉米中的遗传转化

玉米病毒性病害和杂草严重影响其产量和品质。以pCAMBIA5300为基础载体,应用In-Fusion克隆技术构建了双价植物表达载体pCAMBIA5300-Ubi-PKR-CaMV35S-EPSPS,其中含有抗双链RNA依赖性蛋白激酶PKR基因和磷酸烯醇式丙酮酸莽草酸-3-磷酸合酶EPSPS基因,分别由玉米泛素Ubi启动子和花椰菜花叶病毒35 S启动子启动。以玉米种子黄化苗的茎尖分生组织为受体,用农杆菌介导法进行遗传转化,将抗双链RNA依赖性蛋白激酶基因PKR和抗除草剂草甘膦基因EPSPS导入玉米自交系掖478中,获得转基因植株及其子代。