紫花苜蓿盐诱导类受体蛋白激酶基因MsSIK1的克隆及功能分析

【目的】对紫花苜蓿（Medicago sativa L. cv. Zhongmu-1）stress-induced protein kinase gene 1（MsSIK1）进行克隆与表达研究,了解该基因的分子机制及其应用。【方法】以紫花苜蓿叶片总RNA为模板,根据同源克隆设计简并引物,利用RT-PCR结合RACE技术,获得MsSIK1的编码序列。利用同源性比对进行序列分析。通过SMART网站（http://smart.embl-heidelberg.de/）模拟该基因的蛋白结构。构建MsSIK1的亚细胞定位瞬时表达载体,使用基因枪转化法将MsSIK1与GFP在洋葱表皮细胞中融合瞬时表达并观察其亚细胞定位荧光信号。通过Real time-PCR分析MsSIK1在NaCl、ABA和干旱处理条件下的表达特征。利用农杆菌侵染方法获得转基因拟南芥植株,通过RT-PCR对转基因植株进行表达鉴定,获得转基因植株后,利用转基因株系进行盐处理进而对成苗期转基因拟南芥性状鉴定。在盐胁迫处理下,测定野生型与转基因株系的叶绿素含量、MDA含量进而验证该基因的抗盐功能。【结果】获得MsSIK1编码序列2 478 bp,编码825个氨基酸。该蛋白C端与多种植物激酶具有相当高的同源性,模拟蛋白结构发现该基因具有类受体蛋白激酶高度保守的丝氨酸/苏氨酸结构域、跨膜结构域和富含亮氨酸重复序列的膜外结构域。Real time-PCR分析表明该基因在NaCl、ABA和干旱处理条件下上调表达,其中在盐处理条件下,MsSIK1表达先升高后降低,在处理4 h时达到最大值（约为对照值的7倍）。在干旱胁迫处理时,MsSIK1受诱导表达增强明显,当处理2 h时表达量达到最大值（约为对照值的6倍）;ABA处理时,MsSIK1被诱导表达明显,当处理3 h时表达量达到最大值,约为对照值的6.8倍。MsSIK1与GFP融合瞬时表达的洋葱表皮细胞中的荧光信号主要集中于质膜附近,转化空载体的洋葱表皮细胞中的荧光信号分布于细胞各个部位。转基因植株的RT-PCR鉴定表明,T₁代6个株系中所得到的MsSIK1条带明显、亮度高,且T₁-10中表达量最高;但在野生型中检测不到该条带,说明外源基因已经整合到拟南芥染色体中并能遗传到子代。成苗期转基因拟南芥盐处理后发现T₃-2、T₃-6、T₃-10转基因株系较野生型植株长势好,说明MsSIK1的转入提高了拟南芥的抗盐性。与对照相比,转MsSIK1拟南芥在NaCl处理下,叶绿素含量下降较少,其中,野生型叶绿素含量降低了77%,T₃-3降低了53%,T₃-6降低了44%,T₃-10降低了35%;同样盐胁迫下,3个转基因株系的MDA含量积累较少,其中,野生型MDA的含量是T₃-10株系的1.3倍。【结论】MsSIK1作为一个类受体蛋白激酶受多种逆境胁迫诱导,该基因的过量表达提高了拟南芥的抗盐性。     

苹果MdcyMDH过量表达对光合、激素和生长的影响

【目的】获得过量表达苹果细胞质苹果酸脱氢酶基因（MdcyMDH）的苹果植株,评价其过量表达对转基因株系生长的影响,并通过光合特性和和激素水平来探讨其调控生长的机理,为进一步揭示该基因调控生长发育的机制奠定基础。【方法】从苹果叶片中克隆MdcyMDH编码区,连接植物表达载体pBI121,转化农杆菌LBA4404;利用农杆菌侵染‘嘎啦’苹果叶片,通过叶片再生的方法获得MdcyMDH过表达的转基因苹果株系。以分化的苹果组培苗叶片为材料,提取基因组DNA,利用来自35S启动子和转化基因序列的引物,通过PCR初步筛选转基因株系;然后,提取初筛的转基因苹果组培苗叶片RNA,分别采用半定量和荧光定量PCR的方法检测MdcyMDH表达量,来确定MdcyMDH过表达株系。以继代培养40和60 d的野生型和转基因苹果组培苗为材料,进行生根处理,30 d后测定MdcyMDH过表达对组培苗表型以及株高、叶片数量、根重等生长参数的影响。以驯化的、在大田生长一年的野生型和转基因苹果苗为材料,测定叶片光合参数和叶绿素含量的变化;以组培苗为材料,利用液质联用仪测定叶片内源激素含量的变化。【结果】以苹果叶片基因组DNA为材料,PCR初步筛选获得了3个转基因株系,即Line 2、Line 3和Line 4;半定量和荧光定量PCR检测发现Line 2和Line 4中MdcyMDH表达量分别比野生型提高了12倍和5倍,因此确定以上两个株系为MdcyMDH过表达株系。此外,MdcyMDH过量表达也提高了叶绿体苹果酸脱氢酶基因（MdchMDH）表达量。组培苗生根培养30 d后,MdcyMDH过表达对转基因株系的株高、叶数目、茎粗度、地上部重量未造成显著性影响,但小幅提高了转基因株系的株高和地上部总重量;与野生型相比,MdcyMDH过量表达显著提高了根系的重量和总鲜重。MdcyMDH过表达显著提高了转基因株系的光合速率,Line 2和4光合速率分别提高了13.2%和15.1%;转基因株系的蒸腾速率和气孔导度总体上都有显著性提高,但其胞间CO₂浓度显著降低;MdcyMDH过量表达显著提高了叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量,与对照相比,Line 2和4株系叶绿素总含量分别提高了20.4%和15.9%。叶片激素含量测定表明,MdcyMDH过量表达显著抑制了ABA水平,其含量约为对照的1/2。【结论】MdcyMDH过量表达通过提高光合能力和降低ABA水平促进了转基因苹果组培苗的生长,尤其是促进了生根。     

水稻短穗小粒突变体sps1的鉴定与基因精细定位

【目的】通过对一个水稻短穗小粒突变体的鉴定与基因精细定位,为水稻等禾本科作物的籽粒发育及分子改良奠定基础。【方法】在水稻EMS诱变体库中鉴定到一个短穗小粒突变体,暂命名为sps1（shorten panicle and seed 1）。成熟期观察野生型和sps1的形态变化,考察株高、节间长、穗实粒数、结实率和千粒重等农艺性状;对野生型和sps1籽粒外稃内外表皮中部进行扫描电镜观察,并利用石蜡切片进一步分析野生型和sps1籽粒的形态变化;配制缙恢10号/sps1杂交组合进行遗传分析,并利用其F₂群体进行基因精细定位;对野生型和sps1两叶一心期的叶鞘进行油菜素内酯（brassinolide,BR）敏感性试验;抽穗期分析SPS1在水稻根、茎、叶、鞘和穗中的表达,并对籽粒发育相关基因和BR相关基因进行qPCR分析。【结果】sps1穗和倒1、2、3的节间长度均极显著短于野生型,导致株高半矮化;此外,sps1穗枝梗数、结实率和千粒重也显著降低;扫描电镜观察发现sps1外稃中部内外表皮细胞长度极显著小于野生型,宽度则极显著变大,石蜡切片观察进一步证实了sps1籽粒宽短是由细胞变短、变宽造成的;籽粒发育相关基因qPCR分析发现,部分通过调控细胞分裂和扩展进而影响水稻籽粒发育的基因表达量发生了显著变化,在sps1中,AFD1、SLG、HGW和GS3的表达量显著上调,GW7和GID1显著下调;选取符合3﹕1分离比例的F₂代分离群体中的突变单株进行基因定位,最终将调控基因精细定位在第7染色体上标记sps1-3和sps1-2之间134 kb的物理范围内,包含19个注释基因;经测序,与野生型相比,发现sps1中的Os07g0616000在编码区有一个A-T的碱基替换,致使编码的赖氨酸变成了终止密码子,导致蛋白翻译提前终止,初步确定为候选基因。qPCR分析发现SPS1在水稻的根、茎、叶、鞘和穗中均有表达,且在茎秆中的表达量最高;生物信息学分析发现,SPS1是DEP2的一个新等位基因。sps1对外源BR的敏感性降低,BR钝感基因D1的表达极显著下调;推测SPS1/DEP2可能通过BR信号传导途径调控水稻籽粒和株型的发育。【结论】sps1是一个水稻短穗小粒突变体,SPS1编码一个表达蛋白,是DEP2的新等位基因,通过BR信号传导途径调控水稻籽粒和株型的发育。     

低醇溶蛋白转基因大麦氮素转移特征

为探究氮肥施用量对低醇溶蛋白转基因大麦花后各营养器官氮素积累、分布及转运的影响，明确大麦花后至籽粒形成过程中氮素的变化规律，采用土培盆栽试验，利用前期筛选出已稳定遗传的低醇溶蛋白转基因大麦为试验材料，以其受体为对照，分析二者分别在不施氮、低氮(160 mg N·kg^-1土)、正常氮(230 mg N·kg^-1土)和高氮(300 mg N·kg^-1土)4个氮素处理下的籽粒产量、生物量及花后营养器官氮素积累及转运特性。结果表明，相同施氮量下，转基因大麦的籽粒产量和地上部生物量高于对照，而株高和千粒重较对照显著降低，有效穗数和每穗粒数较对照显著增加；即与受体相比，转基因大麦通过增加分蘖数和有效穗数补偿产量配给，实现增产。转基因大麦籽粒的蛋白含量显著低于对照，较对照降低0.58%～2.40%；且随着施氮量增加，籽粒蛋白含量逐渐增加。转基因大麦各营养器官的氮素含量表现为穗>叶>茎秆，且在穗中氮素含量在扬花期最高。不同时期植株地上部的氮素积累量表现为扬花期>灌浆期>成熟期，说明扬花期是影响大麦氮素再利用的关键...     

过量表达蔗糖转运蛋白基因增强转基因小麦的耐旱性

【目的】创制过量表达TaSUT1A的转基因小麦,分析TaSUT1A在转基因小麦中的遗传及其对干旱胁迫的应答反应,选育抗旱的转基因小麦新种质。【方法】采用基因重组技术构建了TaSUT1A表达载体,利用基因枪介导法将该载体转入小麦品种科农199,通过Bialaphos筛选、转化植株基因组DNA PCR验证获得转基因T₀植株;利用RT-PCR检测TaSUT1A在转基因T₃植株中的表达情况,在此基础上,对3个转基因系的T₄转基因植株进行抗旱性鉴定和抗旱相关生理指标分析,验证其抗旱能力。【结果】经PCR检测和RT-PCR验证,获得了转TaSUT1A小麦阳性植株,与非转基因对照相比,20%PEG胁迫处理显著诱导了转基因株系根叶组织中目标基因TaSUT1A的上调表达。抗旱鉴定和抗性生理分析显示,在20%PEG胁迫处理下,转基因株系的萌发率比非转基因对照平均提高了32.8%,显著高于非转基因对照,并促进初生根的萌发和生长,初生根长和胚芽鞘长比非转基因对照平均增加了81.72%和170.77%;在20%PEG胁迫处理下,转基因植株叶组织中的蔗糖和可溶性糖平均提高了42.95%和36.56%,根中蔗糖和可溶性糖平均提高了58.01%和43.01%,均显著高于非转基因对照植株;与未胁迫处理相比,20%PEG胁迫处理后非转基因植株叶中的SOD活性由105.4 U·g^-1FW升高到139.1 U·g^-1FW,而转基因植株的活性由107.7-115.3 U·g^-1FW提高到168.2-211.6 U·g^-1FW,显著高于非转基因对照,同时,转基因小麦株系的MDA的产生较非转基因对照平均降低了37.47%,显著减少了MDA的产生。【结论】TaSUT1A在参与植物的逆境应答反应机制中具有重要作用,促进逆境胁迫中小麦的萌发和生长,超量表达TaSUT1A可显著提高转基因小麦的耐旱能力。     

霜霉威胁迫下黄瓜CsWRKY30表达及功能分析

【目的】从前期转录组测序结果中筛选获得一个在霜霉威(propamocarb)胁迫条件下差异上调表达的基因CsWRKY30,对其进行克隆并分析其在霜霉威胁迫下的功能,了解黄瓜低霜霉威残留的分子机制。【方法】通过PCR技术扩增CsWRKY30全长,利用NCBI和PlantCARE在线工具分别进行该基因编码蛋白的保守结构域分析和启动子序列分析;利用实时荧光定量PCR分析CsWRKY30在霜霉威胁迫及其他胁迫条件下的相关表达模式;通过与GFP蛋白融合对CsWRKY30蛋白进行亚细胞定位;通过花序侵染法将CsWRKY30构建的植物过表达载体转化到哥伦比亚野生型拟南芥中,对获得的纯合转基因株系在霜霉威胁迫条件下的功能进行鉴定。【结果】CsWRKY30的CDS序列全长为1 014 bp,其编码的337个氨基酸中包含1个由60个氨基酸组成的WRKY结构域。CsWRKY30表达模式分析结果显示,黄瓜遭受霜霉威胁迫时,CsWRKY30在低霜霉威残留品系D0351中表达量显著上调,而在高霜霉威残留品系D9320中表达量并没有发生改变;在霜霉威胁迫的0.5-9 h间,该基因在D0351中的表达量一直明显高于对照,然而在24 h以后,该基因的表达不再显著上调。组织特异性表达分析表明,CsWRKY30主要在黄瓜果实中表达。蛋白亚细胞定位结果表明,CsWRKY30定位于细胞核。对CsWRKY30转基因拟南芥进行霜霉威胁迫发现,在未处理条件下,CsWRKY30 转基因拟南芥与野生型拟南芥表型上无明显差异;在2 mmol?L^-1霜霉威处理条件下,CsWRKY30转基因拟南芥萌发率及主根长均明显高于野生型拟南芥。在其他逆境作用下,CsWRKY30对霜霉威和多主棒孢霉菌条件积极响应,对干旱和高盐没有作用,同时受到脱落酸（ABA）信号诱导。【结论】黄瓜CsWRKY30在霜霉威胁迫条件下发挥重要作用,过量表达CsWRKY30可显著提高转基因拟南芥对霜霉威胁迫的抵抗能力。     

不同氮肥施用时期对大麦籽粒蛋白质及其组分含量的影响

选取了10个大麦品种种植在三种氮肥施用时期下,研究氮肥施用时期对大麦籽粒蛋白质及其组分含量的影响。实验结果表明:不同氮肥施用时期对大麦籽粒蛋白质含量影响显著;品种间蛋白质及其三种组分含量差异均极显著;谷蛋白含量的氮肥施用时期与品种的互作效应极显著,蛋白质含量其二者互作效应也显著。同时,大麦籽粒蛋白质含量与醇溶蛋白含量和谷蛋白含量分别存在极显著和显著正相关;盐溶蛋白含量与谷蛋白含量也呈极显著正相关。     

过表达酵母PAC1增强转基因大豆对大豆花叶病毒的抗性

【目的】大豆花叶病毒（soybean mosaic virus,SMV)病是中国大豆产区最主要的病害之一,严重影响大豆产量和籽粒品质。核糖核酸酶PAC1能够识别和降解植物RNA病毒或类病毒复制过程中产生的dsRNAs,从而有效抑制病毒在寄主中的复制与积累。PAC1的这一特点为广谱抗RNA病毒及类病毒转基因作物的创制和培育提供了有效的靶标基因。本研究利用转基因技术,将来源于粟酒裂殖酵母菌(Schizosaccharomyces pombe)的PAC1导入栽培大豆,研究过表达PAC1对大豆SMV抗性的影响,为抗SMV转基因大豆新品种选育提供依据。【方法】采用酶切连接技术,将PAC1连接到双元表达载体pCAMBIA3300中,构建植物表达载体pCAMBIA3300-PAC1。目的基因启动子为组成型强启动子CaMV 35S,终止子为NOS,筛选标记为草铵膦抗性基因BAR。采用农杆菌介导转化法,将PAC1导入栽培大豆品种Williams82。在利用PAT/BAR试纸、PCR及除草剂（500 mg·L^-1 Basta）喷施检测基础上,通过Southern杂交技术进一步分析外源基因在转基因大豆中的整合情况和拷贝数。采用人工摩擦接种法,对T₂和T₃代转基因大豆株系进行田间抗SMV鉴定农艺性状调查,分析转基因大豆对SMV抗性及遗传稳定性。并利用qRT-PCR技术分析接种SMV 28 d后转基因大豆中SMV积累水平。【结果】共转化2 600多个外植体,获得耐草铵膦（5 mg·L^-1）大豆再生植株76株。PCR检测结果表明,其中65株能够扩增出目的条带,大豆遗传转化效率为2.48%。对T₁-T₃代转基因大豆株系喷施除草剂表明,在500 mg·L^-1 Basta处理7 d后,转基因植株表型没有明显变化,而对照（非转基因大豆）植株叶片则黄化枯死。Southern杂交结果表明,外源基因以低拷贝的方式(1-2个)整合至大豆基因组中。摩擦接种SMV SC-3鉴定表明,在接种35 d后,对照出现严重花叶、皱缩等典型SMV发病症状,而转基因大豆仅部分叶片表现出轻微的花叶症状,其病情指数降低至11.11-22.22,较对照（病情指数36.81-46.24）显著降低,且SMV抗性在转基因大豆不同代际间能够稳定遗传。qRT-PCR分析表明,在接种SMV SC-3株系28 d后,转基因大豆中SMV CP表达水平较对照极显著下降。农艺性状调查表明,在未接种SMV条件下,转基因大豆在叶形、花色、种皮色、种脐色、株高、节数、结荚高度、生育期及百粒重等方面与对照没有显著差异。【结论】PAC1过表达显著抑制了SMV的积累及症状发展,增强了转基因大豆对SMV的抗性水平。     

转AtTGA4小麦田间耐低磷胁迫的功能分析

【目的】将bZIP类转录因子基因AtTGA4转化小麦创制耐低磷转基因小麦新材料,同时分析AtTGA4提高小麦抗逆性的生理机制,为小麦耐低磷胁迫分子育种奠定基础。【方法】采用最小表达框基因枪转化法将AtTGA4和筛选标记基因Bar共转化受体小麦石4056,通过PCR检测筛选出无Bar并能稳定遗传AtTGA4的转基因小麦新株系。基于试验地土壤养分含量状况施用不同水平的磷肥,形成一定程度的正常和低磷营养胁迫,对AtTGA4转基因小麦新株系进行低磷胁迫耐受性试验。在开花期进行了光系统Ⅱ原初光能转化效率（light efficiency of the light system Ⅱ,Fv/Fm）,叶绿素相对含量（soil and plant analyzer development readings,SPAD值）和气冠温差（canopy temperature depression,CTD）等生理指标的测定,在成熟期进行了株高、分蘖数、穗粒数等农艺性状的调查,并在小麦收获后进行了产量及不同组分（根、茎、叶、籽粒）磷浓度和磷吸收、残留总量的测定和统计。【结果】PCR分析结果证明,AtTGA4已在石4056小麦中稳定遗传至T₄代,共获得4个稳定转基因株系。根据土壤养分含量测定结果,在正常条件地块施加812.39 kg·hm^-2的过磷酸钙,低磷处理地块不施磷肥。产量及农艺性状统计结果显示,AtTGA4转基因株系L1和L2在正常和低磷胁迫条件下的产量相对于受体对照小麦显著增加,正常条件下产量增幅为5.3%-8.6%,低磷胁迫下产量增幅为4.4%-7.7%。在低磷胁迫条件下,过表达AtTGA4的转基因小麦种子千粒重显著比受体显著增加。开花期田间生理指标测定结果显示,转基因株系L1和L2在低磷条件下的Fv/Fm和CTD明显优于受体,而SPAD值没有明显差异。田间调查时发现,低磷条件下受体比转基因材料提早结束灌浆,表现在穗子提早变黄。成熟末期磷含量测定结果显示,转基因株系L1和L2在低磷条件下茎杆磷浓度比受体显著提高,在其他组织中则无显著差异。2个转基因株系在低磷条件下茎、叶和籽粒吸收、残留的总磷含量都要高于受体,地上部总磷含量增幅达6.38%-17.47%。转基因材料AtTGA4表达量分析结果显示,目标基因在株系L2中的表达量较株系L1中的低,是株系L1的0.69倍。【结论】在低磷胁迫条件下AtTGA4可以显著提高转基因小麦对磷元素的吸收及运输,提高转基因小麦的产量,进而提高转基因小麦对低磷胁迫的耐性。     

飞蝗表皮蛋白Obstructor家族基因的分子特性及基于RNAi的功能分析

 【目的】获得飞蝗（Locusta migratoria）表皮蛋白Obstructor（Obst）家族基因的cDNA序列,并研究其序列特征和mRNA表达特性,探讨其生物学功能,为害虫防治提供新的分子靶标。【方法】采用生物信息学方法搜索飞蝗转录组数据库获得Obst家族基因cDNA片段,并进行BLAST分析得到Obst家族基因的cDNA序列;采用RACE技术扩增该家族基因的3′cDNA序列,拼接后获得全长;SignalP在线软件分析蛋白的信号肽,SMART网站预测其功能域,并使用Mega 5.10软件中Neighbor-Joining方法,与黑腹果蝇（Drosophila melanogasterObst家族基因和赤拟谷盗（Tribolium castaneumCPAP3家族基因（Obst家族基因的同源基因）氨基酸序列进行聚类分析;采用real-time quantitative PCR（qPCR）方法检测LmObst家族基因在5龄若虫不同组织部位和不同龄期体壁的表达情况,绘制表达图谱））;采用RNA干扰（RNAi）技术探讨LmObsts对飞蝗发育的影响。【结果】在飞蝗转录组数据库中搜索得到8个Obst家族基因的cDNA片段,通过NCBI进行BLAST分析显示与赤拟谷盗CPAP3、黑腹果蝇Obst高度同源,属于LmObst家族基因片段,其中5个是全长序列,3个序列缺失3′端;采用RACE技术获得3′末端cDNA序列;将得到的8个LmObst家族基因全长序列进行功能域分析,发现具有Obst家族表皮蛋白的特点,即有1个信号肽与3个几丁质结合域ChtBD2;并与黑腹果蝇、赤拟谷盗同源基因进行进化树的构建,根据进化树分析结果,分别命名为LmObst-A1、LmObst-A2、LmObst-B、LmObst-C、LmObst-D1、LmObst-D2、LmObst-E1和LmObst-E2。qPCR结果显示LmObst-E1和LmObst-E2在前肠和后肠高特异性表达,LmObst-D1在体壁和前肠高表达,其他LmObsts在体壁或外胚层内陷形成的前肠和后肠高表达,在胃盲囊、中肠、马氏管和脂肪体中低表达;LmObst家族基因在5龄若虫不同天数体壁的表达趋势比较接近,在5龄前期高表达,中期降到最低,蜕皮前又上升到高水平。采用RNAi技术研究基因的生物学功能,5龄若虫第5天分别注射dsLmObst,对照组注射等量dsGFP,48 h后检测沉默效率,发现目的基因表达量显著降低;进一步观察发现,注射dsLmObst-E1的5龄若虫80%无蜕皮迹象,在5龄若虫状态下死亡,剩余20% 若虫蜕皮延迟1-2 d,并且蜕至成虫后,16 h内全部死亡;其余注射双链的试虫普遍发生蜕皮延迟1-3 d的现象,但未发现其他可见的异常表型。【结论】获得8个飞蝗LmObst家族基因,所有Obst家族蛋白功能域保守,均有1个信号肽与3个几丁质结合域ChtBD2;LmObsts主要参与飞蝗体壁和前、后肠等外胚层发育来源组织器官的形成。LmObst-E1是飞蝗发育所必需的,该基因沉默可导致飞蝗死亡,其他7个LmObsts的沉默导致飞蝗发育延迟1-3 d,但无致死效应。     

基于CRISPR/Cas9系统的水稻光敏色素互作因子OsPIL15基因编辑

【目的】光作为一种环境信号,可影响植物的基因表达、酶活性和形态建成。光敏色素互作因子在光信号传导过程中起着重要作用。本研究旨在构建水稻光敏色素互作因子OsPIL15的CRISPR/Cas9表达载体,创制OsPIL15突变体,挖掘水稻功能基因,丰富和完善水稻光信号调控分子机制。【方法】依据CRISPR/Cas9技术原理,设计OsPIL15突变靶点。将所设计靶序列在水稻基因组中进行比对,排除非特异性靶位点,同时使该靶序列含有常用酶切位点,方便后期突变体鉴定。化学合成靶位点寡核苷酸序列并与载体pBUN411连接构建CRISPR/Cas9表达载体,利用农杆菌介导法导入粳稻品种日本晴,以除草剂抗性标记筛选获得阳性转基因植株。利用酶切法判断T0代转基因植株是否发生突变,结合测序结果分析突变单株的突变基因型。将靶点序列在水稻全基因组中进行比对分析,选择5个与靶序列同源性较高且错配在4 bp以内的位点作为潜在脱靶位点进行脱靶效应评估,分析所设计靶序列特异性。【结果】所构建表达载体成功实现了对OsPIL15的定向编辑,酶切显示在选取的25株T0代转基因植株中获得15株突变体,其中包括5株纯合突变体、6株双等位突变体和4株杂合突变体,共10种不同突变基因型和11个突变株系。突变类型以单碱基插入或缺失为主,同时也得到2种56和66 bp较大片段缺失株系。对部分纯合突变、双等位突变和杂合突变体的T1代植株进行分析,结果表明,T0代产生的突变基因型绝大部分能稳定遗传给下一代。T0代纯合突变体后代为纯合突变单株,仅在株系14纯合突变体后代中检测到1株未突变单株;T0代双等位突变体后代可得到2种纯合突变型和1种双等位突变型;T0代杂合突变体后代则可得到纯合、杂合及未突变3种类型。对T0代未突变植株的后继世代酶切分析显示,62株T1代转基因植株均未发生突变,表明CRISPR/Cas9在T1代转基因阳性植株中未重新发挥基因编辑作用。对20株突变体的5个潜在脱靶位点进行分析,5个潜在脱靶位点均未检测出脱靶效应,表明所设计靶序列具有较高特异性。对选取的3组不同基因型ospil15 T1代突变体表型进行初步观察,结果表明,突变体生育期和分蘖数未出现明显变化,株高极显著下降,籽粒粒长极显著增加,最大增幅达5.69%。【结论】CRISPR/Cas9系统能对OsPIL15进行定向编辑,获得的10种不同突变基因型的ospil15突变体与野生型相比株高极显著降低、籽粒粒长极显著增大。     

拟南芥PMRP基因在叶绿体淀粉粒积累和抗寒性中的作用

【目的】分析推测的膜蛋白（putitave membrane realated protein,PMRP）在拟南芥叶绿体发育过程的作用,明确PMRP对拟南芥光合能力的影响及抗寒性分析,为改善作物光合性能及增强抗逆性提供理论依据。【方法】构建PMRP的RNAi和过表达载体,转化农杆菌EHA105,采用花絮侵染法转化野生型拟南芥（Columbia,Col-0）,获得PMRP RNAi和过表达转基因拟南芥;以野生型和PMRP RNAi、过表达转基因拟南芥为材料,利用细胞生物学方法,观察PMRP表达量对拟南芥叶肉细胞叶绿体的结构和淀粉粒积累的影响;利用红外CO₂分析法测定拟南芥的光合速率,分析PMRP对拟南芥光合能力的影响。选取16 h光照、21℃条件下培养的21 d的野生型Col-0、3个过表达PMRP转基因拟南芥株系,3个PMRP-RNAi转基因拟南芥株系,用冷光源培养箱培养,先在4℃培养7 d,然后在-8℃培养1.5 h,取出放到16 h光照、21℃条件培养7 d后,分析PMRP转基因拟南芥对寒害的抗性。选取14 d的野生型Col-0、3个过表达PMRP转基因拟南芥株系和3个PMRP-RNAi转基因拟南芥株系,对其莲座叶细胞渗出液电导率进行测定。【结果】获得PMRP RNAi和过表达转基因拟南芥株系;通过测定野生型和转基因株系的莲座叶光合速率,野生型Col-0的光合速率为7.3 μmol·m^-2·s^-1,PMRP-RNAi转基因拟南芥的光合速率分别为8.8、7.8和8.5 μmol·m^-2·s^-1,PMRP表达量的降低略增强了拟南芥的光合速率。野生型Col-0的绿叶率为48%,过表达PMRP转基因拟南芥的3个株系绿叶率分别为48.6%、47.8%和49.2%,3个PMRP-RNAi转基因拟南芥的绿叶率分别为65.9%、67.4%和68.3%,表明PMRP表达量的降低增强了植物的耐寒性。在-8℃下处理30 min,野生型Col-0拟南芥莲座叶的渗出液电导率为70.67 μS·cm^-1,PMRP-RNAi拟南芥莲座叶渗出液电导率分别为48.57、45.40和52.10 μS·cm^-1。表明PMRP表达量的降低明显降低了逆境对细胞膜的损伤。通过对PMRP-RNAi转基因拟南芥和野生型拟南芥完全展开的莲座叶,进行超微结构分析,发现野生型拟南芥莲座叶细胞中,叶绿体为椭圆形,而PMRP-RNAi转基因拟南芥莲座叶细胞叶绿体变为近似圆形;在光照情况下,PMRP-RNAi转基因拟南芥叶绿体中淀粉粒的积累与野生型相似,均有明显的淀粉粒积累,但在黑暗环境中,PMRP-RNAi转基因拟南芥叶绿体中淀粉粒积累明显增多。【结论】PMRP表达量降低造成叶绿体形状由梭型变为圆球型,淀粉粒明显增多,增强了拟南芥的抗寒性。     

利用RNAi技术抑制籽粒PPO合成改良小麦面粉白度的研究

【目的】通过RNAi策略抑制小麦籽粒ppo的表达,获得籽粒PPO酶活性低、白度高的转基因小麦新种质。【方法】构建了以小麦胚乳特异表达启动子1Dx5启动子驱动的籽粒ppo的RNAi载体pBAC47P-ppoIR,利用基因枪将该载体与含bar的表达载体基因枪共转化中优9507幼胚愈伤组织,获得T0转基因植株。通过分子鉴定（PCR、Southern杂交、半定量RT-PCR、Northern杂交）、酶活筛选和白度测定等方法对转基因植株及其后代株系进行筛选。【结果】获得了27株阳性T0转基因植株。转基因植株及其后代经PCR和Southern杂交检测表明,RNAi构件已经稳定整合到T1的12个株系中。半定量RT-PCR和Northern杂交结果表明有20株T2籽粒中ppo表达水平明显低于对照。对转基因T2灌浆期籽粒进行PPO同功酶活性分析表明,有6个株系的PPO活性有所减弱。对T4籽粒的面片白度测定表明,5个株系的白度均比对照有所提高,其中2个株系效果显著。【结论】RNAi技术的表达能抑制籽粒ppo表达,降低PPO同功酶的活性,明显提高小麦面片白度,从而为小麦面粉白度的改良、品质育种提供了材料。     

转TaNHX2大豆的耐盐性分析

【目的】在盐胁迫条件下,通过对转TaNHX2(小麦Na⁺/H⁺转运蛋白编码基因)大豆的盐害表型、光合作用强度以及产量相关农艺性状的考察,评估其生产应用潜力,以期获得具有一定应用价值的耐盐大豆新种质。【方法】以实验室前期获得并初步鉴定具有一定耐盐性的转TaNHX2大豆T₄代株系为材料,在主茎第二片复叶完全展开时（V₃期）进行草丁膦抗性、PCR和RT-PCR检测。选取阳性植株,在主茎第三片复叶完全展开时（V₄期）进行NaCl胁迫处理,处理期间观察记录盐害表型;待植株长至初荚期（R₃期）测定其光合作用参数;最后,分单株收获已生长至完熟期（R₈期）的大豆植株,考察其株高、节数、单株荚数、单株粒数和单株粒重。其中,昌平春播试验点设置0、150和200 mmol·L^-1 3个NaCl浓度,北圃场夏播试验点设置0和200 mmol·L^-1 2个NaCl浓度,盐害表型观察以及光合作用参数测定只在北圃场试验点进行。【结果】分子鉴定表明外源TaNHX2在转基因后代中成功转录表达,遗传稳定。在无盐胁迫条件下,转基因与受体植株长势相当,叶片大小相似,光合作用强度相近。而在200 mmol·L^-1 NaCl溶液胁迫处理下,转基因与受体植株均出现矮化、叶片变小、光合作用强度降低的现象,但与受体植株相比,转基因大豆株系C12、C21和C19的矮化程度较低,叶片较大,光合作用相关参数数值较大,其中株系C12和C21与受体的净光合速率（Pn）差异具有显著性。另外,无盐胁迫条件下,转基因株系与受体品种自贡冬豆各产量相关农艺性状数值相近,而在昌平试验点设置的150和200 mmol·L^-1 NaCl溶液胁迫下,转基因株系各农艺性状数值均高于受体对照,其中150 mmol·L^-1 NaCl胁迫下,C12、C21和C19的单株粒重,C19的单株荚数与受体差异显著。200 mmol·L^-1 NaCl胁迫处理时,株系C12、C21和C19的单株荚数、单株粒数和单株粒重,C12和C19的株高均与受体对照品种存在显著性差异。在北圃场试验点设置的200 mmol·L^-1 NaCl胁迫处理下,转基因株系C12、C21和C19的株高、C19的单株粒数和单株粒重与受体对照品种具有显著性差异。【结论】在盐胁迫条件下,与受体对照品种相比,转TaNHX2大豆株系C12、C21和C19盐害程度较低,能维持较强的光合作用和一定的产量,其中株系C19在2个试验点的产量表现均较佳,具有较大的育种应用价值。      

用RNA干扰技术创造高直链淀粉马铃薯材料

【目的】创造块茎高直链淀粉含量的转基因马铃薯材料。【方法】采用RT-PCR技术分别克隆了马铃薯Sbe 1基因CDS内300 bp的片段SⅠ和Sbe 2基因CDS内410 bp的片段SⅡ,并将SⅠ和SⅡ顺序连接得到融合片段SⅢ;以载体pHANNIBAL和pART27为基础,构建具有SⅢ反向重复结构的植物表达载体pRNAiⅢ;采用农杆菌介导法转化马铃薯优良品种陇薯3号、甘农薯2号和大西洋。【结果】获得了融合片段SⅢ,构建了以Sbe 1基因和Sbe 2基因为靶标的RNA干扰载体pRNAiⅢ,通过农杆菌介导法获得了24个转基因株系,其中21个转基因株系试管薯的淀粉粒形态发生明显变化,表观直链淀粉含量介于59.31%～87.14%,比受体材料平均高出3.2倍。RT-PCR分析表明,在8个直链淀粉含量超过80%的转基因株系中检测不到Sbe 1和Sbe 2基因mRNA的积累。【结论】采用RNAi技术通过沉默内源Sbe 1和Sbe 2,可获得高直链淀粉含量的马铃薯材料。