遗传转化植物中沉默基因的消除

随着基因技术在生物科学许多领域的深入开展,转基因沉默问题已引起越来越多的科技工作者的关注。大量转基因植物的研究证明许多因素与基因沉默有关,植物遗传转化中外源基因的整合具有很大的随机性,外源基因的沉默也表现出多种多样的形式,转基因生物的外源基因的沉默可由多种机理造成。外源基因以多拷贝整合到植物细胞基因组中,会发生失活;基因沉默与整合的位点也密切相关,如果整合到转录活跃的常染色体上,毗邻寄主基因的调控系统系列将会影响外源基因的表达;如果插入到重复DNA或异染色质区,外源基因可能会失活;基因沉默并非在每一个发育时期,每一个细胞中总发生,有的外源基因,在幼苗阶段表达是正常的,但萌发到一定阶段后基因表现沉默。转基因沉默通常分为两大类:一类是转录水平上的基因沉默,另一类是转录后的基因沉默。前者是发生在核内的时间,而后者是发生在细胞质中。两者都与甲基化有关,转录水平上的基因沉默主要发生在启动子区域,基因的转录受抑制;而在转录后的基因沉默中,甲基化主要发生在基因的编码区,基因能够转录,产生mRNA,但mRNA在细胞质中被特异性地降解,不能正常翻译成蛋白质造成的,转录后基因沉默发生在细胞质中,转录物能在细胞核中积累但在细胞质中mRNA迅速降解或不能正常地加工。二者在时间上并非简单的前后关系,在空间上也不因为核膜的存在而相互隔离。本文对转基因植物中外源基因沉默的机制,如何降低外源基因的沉默可能性,以提高外源基因的表达率,以及通过DNA糖基化酶等方法适当处理,激活已经沉默的基因等问题进行了评述。     

Advances of Researches on the Mechanism of Transgene Silencing in Transgenic Plants

转基因沉默是导致外源基因不能在转化植株中正常表达的重要原因。在此，从转录水平和转录后水平两个方面，综述了转基因植物中外源基因沉默的机制。DNA甲基化是引起外源基因沉默的主要原因。人们目前用以下几种模型来解释转录后水平基因沉默的机制，如RNA 阈值模型、异常RNA和异位配对模型及双链RNA 模型。对外源基因沉默机制的探讨是顺利开展植物基因工程的迫切要求，也将促进植物功能基因组学研究的进一步深入。     

基因沉默及其克服策略

基因沉默现象是导致转基因不能正常表达的主要原因,基因沉默发生在两种水平上,一种是由于DNA甲基化、异染色质化以及位置效应等引起的转录水平上的基因沉默,另一种是转录后基因沉默,有活跃的启动子,能转录外源基因,核内有正常水平的mRNA,细胞质不积累mRNA。消除甲基化的影响﹑避免使用同源和重复序列和使用核基质结合序列可有效克服基因沉默。     

VIGS技术在大豆功能基因组学研究中的应用进展

病毒诱导基因沉默(virus induced gene silencing,VIGS)是一种基于植物天然防御病毒保卫机制的转录后基因沉默现象。携带目的基因的重组病毒载体侵染植株引发内源基因沉默,已成为快速、高效、高通量地鉴定未知基因功能的新技术。近年,VIGS技术在研究植物抗虫抗病、代谢调控、非生物胁迫等方面取得进展。本研究介绍了大豆VIGS技术的分子机制和构建病毒载体,并对该技术在大豆功能基因组学研究中的应用进行综述,对其发展前景进行展望。     

应用RNA沉默技术获取抗黄瓜花叶病毒(CMV)和烟草花叶病毒(TMV)转基因烟草

RNA沉默是迄今最为有效的抗病毒策略,利用该策略不但能获得免疫转基因植株,且所得植株不易与其他病毒基因重组或异源包壳、生物安全性较高。将本实验室已构建的携带有烟草花叶病毒(TMV)部分移动蛋白基因(ΔMP)和黄瓜花叶病毒(CMV)部分复制酶基因(ΔRep)反向重复结构的植物表达载体pBIN438-MP-Rep(i/r),用农杆菌浸润法转化普通烟草品种K326,共得196株转化植株,经卡那霉素筛选和PCR检测发现128株为阳性转基因株;PCR-Southern和RT-PCR分析表明外源基因已整合到烟草基因组并在转录水平上得到表达;ELISA结果显示20.3%的转基因植株对CMV和TMV复合侵染表现免疫性。本结果为利用RNA沉默技术进行植物抗多种病毒育种提供重要数据,为防治其他多种病毒复合侵染提供借鉴。     

周雪平研究团队在双生病毒致病机制研究领域取得新进展

<正>中国农业科学院植物保护研究所作物有害生物功能基因组研究创新团队在双生病毒功能基因组和致病机制方面取得新的研究进展,发现了双生病毒基因组编码的一个新基因AC5,并揭示了该基因在病毒致病过程中功能以及抑制植物转录水平和转录后水平基因沉默的新机制。双生病毒科是一类发生范围广,危害严重的植物DNA病毒,也是目前已     

抗纹枯病、赤霉病的转TaPIEP1基因小麦的分子鉴定与选育

小麦纹枯病(主要病原为禾谷丝核菌)和赤霉病(主要病原为禾谷镰刀菌)已成为我国小麦生产的重要病害。TaPIEP1是从小麦中分离到的1个病原诱导的基因,其编码蛋白是可与GCC-box顺式元件结合、转录激活型的ERF转录因子。本研究以8个转TaPIEP1基因小麦株系的T₄和T₅代植株为试材,进行了外源转TaPIEP1基因的PCR检测、Southern杂交、RT-PCR与Q-RT-PCR的分析以及纹枯病菌、赤霉病菌接种与抗性鉴定。结果表明,外源TaPIEP1基因在转基因小麦中能够稳定遗传,以单拷贝或双拷贝整合到7个转基因小麦株系基因组的不同位点;外源TaPIEP1基因在转基因小麦中能超量表达;与受体扬麦12相比,TaPIEP1表达水平高的8个转基因小麦株系对纹枯病抗性显著提高,4个株系中一些材料对赤霉病抗性显著提高,3个株系中一些材料兼抗纹枯病和赤霉病,说明TaPIEP1正向参与了小麦对纹枯病和赤霉病抗性反应,利用该基因通过基因工程可创制抗纹枯病、赤霉病的小麦新种质。     

基因沉默技术及其在棉花中的应用

基因沉默是指生物体内基因表达调控的重要手段,主要表现为特定基因的表达量下调或表达受到抑制。基因沉默主要有两种,转录水平上的基因沉默和转录后基因沉默。前者主要包括基因甲基化、位置效应、同源基因的反式失活、后成修饰作用以及重复序列引起的基因沉默;后者主要包括共抑制和RNA干扰引起的基因沉默。基因沉默广泛存在于植物体中,是一种基因表达调控和抵御病毒侵害的重要机制。文中介绍了基因沉默的类型和作用,重点评述了基因沉默技术在植物基因功能研究,尤其在棉花种质创新与品种改良方面的应用进展。     

利用BSMV-VIGS技术快速分析小麦TNBL1基因的抗黄矮病功能

小麦黄矮病是由蚜虫介导的大麦黄矮病毒(Barley yellow dwarf virus, BYDV)侵染引起的小麦重要病害之一。利用cDNA-AFLP分析,筛选出在抗黄矮病小麦易位系YW642中特异表达的长度为292 bp的 cDNA片段,以此片段为启始序列,利用RACE和RT-PCR技术克隆出该基因的全长cDNA序列,推导该基因编码1个NBS-LRR蛋白,将其命名为TNBL1。本研究利用大麦条纹花叶病毒(BSMV)诱导的基因沉默(virus-inducing gene silencing, VIGS)技术,快速分析TNBL1是否参与小麦抗黄矮病反应。通过PCR添加酶切位点、定向酶切与连接,将TNBL1特异的292bp片段反向整合到BSMV-γ链的多克隆位点上,获得重组载体BSMV-γ: TNBL1as,体外转录BSMV-VIGS载体的3个组分(BSMV-TNBL1as、BSMV-α和BSMV-β),等量混合、摩擦接种到抗黄矮病的小麦易位系YW642幼苗叶片上,使YW642中TNBL1基因沉默,然后接种BYDV病原进行黄矮病抗性鉴定。结果表明,TNBL1基因沉默后的YW642对BYDV敏感、显现感病症状,其体内BYDV含量较未发生基因沉默的YW642中的明显增加,证明TNBL1基因是正向调控小麦抗BYDV反应的1个重要基因。     

植物病毒抑制子抑制RNA沉默的机制及生物学应用

RNA沉默(RNA silellcing)是真核生物细胞内保守的和序列特异的RNA降解系统.高等植物中病毒诱导的、以降解病毒为目标的RNA沉默是一种寄主适应性防御系统.为了对该系统进行防御,植物病毒已进化形成了在RNA沉默的不同阶段起作用,并最终战胜寄主沉默反应的病毒抑制蛋白.本文讨论了现今鉴定和初步分析抑制子的方法以及抑制子的作用模式;同时对植物沉默抑制子的生物学应用包括用抑制子解析RNA沉默途径、用抑制子增强外源蛋白表达水平以及抑制子引起发育缺陷等进行了讨论.     

农杆菌渗入法介导的基因瞬时表达技术及应用

农杆菌渗入法是在植物中瞬时表达外源基因的一种方法,该方法通过在植物叶片上注射农杆菌,使目的基因转入植物细胞中进行快速表达。本文综述了农杆菌渗入法的原理、技术流程、影响因素及其应用,其应用主要涉及外源基因的表达、检测转基因的表达、启动子分析、转录后基因沉默、抑制子功能鉴定、细胞定位以及基因相互作用等方面。随着技术的进一步完善,我们相信该技术将成为转基因育种领域的重要的手段。     

棉花黄萎病相关基因GhAAT的克隆与功能鉴定

棉花黄萎病(Verticillium dahliae)是一种土传性真菌维管束病害,严重影响棉花的生产。本研究通过转录组数据分析筛选出一个与棉花黄萎病相关的氨基酸转运蛋白GhAAT基因,该基因在棉花根部响应黄萎病菌诱导表达。利用病毒诱导的基因沉默(virus-induced gene silencing, VIGS)技术研究其在棉花抗黄萎病中的功能。结果显示将该基因在棉花TM-1的叶片和根部沉默后,棉花对黄萎病抗性减弱,证明GhAAT基因参与调控了棉花抗黄萎病功能。发掘棉花抗黄萎病菌重要调控基因并揭示其分子机制对培育棉花抗病品种具有重要意义。     

转Bt基因棉花选择标记基因nptⅡ转录后沉默分析

本研究利用病毒诱导基因沉默技术对转Bt基因棉花选择标记基因nptⅡ进行沉默,分析标记基因转录后沉默的可行性。以烟草脆裂病毒载体为骨架构建nptⅡRNAi载体,利用农杆菌浸染棉花子叶,获得nptⅡ干涉的转Bt基因棉花植株,然后涂抹卡那霉素进行检测。结果表明nptⅡ沉默植株叶片出现黄斑症状,RT-PCR和q RT-PCR检测表明叶片、根和茎中nptⅡ基因转录分别被抑制了99.25%、99.05%和98.65%,沉默后期的转录抑制也达到98%。本研究结果为解决已经在环境中释放转基因生物发生意外扩散和不可预料的生物安全事件提供了快速有效的应对方法和新思路。     

脱落酸调节长春花中单萜吲哚生物碱的生物合成

利用病毒诱导的基因沉默技术沉默长春花幼苗中ABA生物合成途径基因八氢番茄红素脱氢酶(Cr PDS)的表达,控制内源ABA的含量,并对其进行外源ABA处理,从而研究脱落酸(abscisic acid, ABA)对长春花中单萜吲哚生物碱(monoterpenoid indole alkaloids, MIAs)生物合成的影响。Real-time PCR结果显示,在ABA处理后,单萜吲哚生物碱生物合成基因CrTDC、CrNMT和CrD4H表达量显著上升。进一步实验表明,ABA生物合成途径基因CrPDS的沉默能够降低内源ABA水平,并通过下调单萜吲哚生物碱生物合成途径基因降低长春质碱和文朵灵的积累。外源ABA处理能够恢复这些基因的正常表达,由此确定单萜吲哚生物碱生物合成基因CrTDC、CrNMT和CrD4H能够响应ABA信号,并且在ABA介导的长春花单萜吲哚生物碱生物合成调控中发挥重要作用。     

RNA干涉及其在植物改良上的应用

NA干涉是一种双链RNA诱导的转录后基因沉默现象,存在于多种生物体内.由于转录后基因沉默(PTGS)和双链RNA引起的基因沉默都具有系统传递的特性,因此可以在特定部位诱导RNAi,利用RNAi的系统传递性抑制其他部位该基因的表达.本文简要介绍了RNAi的机理,RNAi表达载体的构建方法以及RNAi传递性及其作物育种上的应用,以助于在植物研究中实现RNAi.     

转录组解析外源ABA对玉米脱水速率的影响

为了探明迪卡517、郑单1002喷施外源ABA后脱水速率变化的分子机制,发掘影响脱水速率的关键差异表达基因及代谢通路,利用Illumina HiSeq~(TM)2500测序仪分别对喷施ABA前后迪卡517(脱水速率较快)和郑单1002(脱水速率较慢)的穗位叶进行高通量转录组测序。原始序列经过质量控制、基因组比对、测序饱和度、基因覆盖度及冗余序列分析后进行基因功能注释。结果显示,迪卡517外源ABA处理与正常生长条件对比组检测到1 732个差异表达基因,其中1 251个为上调表达基因,481个为下调表达基因;郑单1002外源ABA处理与正常生长条件对比组检测到52个差异表达基因,其中24个为上调表达基因;迪卡517外源ABA处理与郑单1002外源ABA处理对比组检测到3 867个差异表达基因,其中1 946个为上调表达基因。不同对比组中筛选到差异表达基因GO分类情况、COG基因产物分类、KEGG代谢通路分析不同。转录因子分析共获得多个重要的转录因子家族,主要有AGC蛋白激酶家族、AP2/ERF转录因子家族、ARID转录因子、AUX/IAA转录因子家族、Alfin-like转录因子、Aur转录因子家族、B3转录因子家族、BBR-BPC转录因子家族、BES1转录因子、BUB转录因子、C2C2-CO-like转录因子等。Zm00001d035000、Zm00001d042063、Zm00001d045314等共同差异表达基因均在迪卡517和郑单1002中表达。对所有检测到的差异表达基因GO分类分析获得73个差异表达基因与水分代谢相关,推测这些基因作为外源ABA调控的下游基因起作用。     

植物应对病毒的免疫响应

植物为应对外界病原体的侵扰,在进化过程中形成了一套多层次的免疫系统。对于植物应对真菌、细菌的免疫过程,前期建立了基于寄主与病原分子间相互作用的Z免疫模型。其中第一层次是由病原相关分子模式(PAMP)激发的免疫响应(PTI);另一层次是由效应子(Effector)激发的免疫响应(ETI)。植物在应对病毒的免疫响应中,第一层次是主动清除降解细胞内的病毒核酸,即通过一种高度保守的、序列特异的RNA沉默防御机制来实现;病毒攻克RNA沉默机制后,与应对真菌、细菌的免疫过程相似,植物进而启动基于R基因的免疫响应。另外,植物在免疫过程中还会通过激活一系列信号途径,使植物产生过敏反应或产生系统性抗性,从而抵抗病原体的进一步浸染。本文通过免疫系统分子模型,就近年来有关植物响应病毒的分子调控机制进行了综述。     

棉花CML基因家族成员鉴定与功能分析

【目的】类钙调素(Calmodulin-like,CML)蛋白是1种重要的Ca2+传感器,在调节植物应激反应机制中起重要作用。对CML基因家族进行全基因组学分析,以便深入研究CML基因在棉花逆境胁迫下的作用。【方法】利用生物信息学的方法进行了棉花CML家族成员的鉴定。利用转录组数据和反转录聚合酶链式反应分析陆地棉(Gossypium hirsutum L.)CML基因在盐胁迫下的表达模式。利用病毒诱导基因沉默技术对GhCML44-2基因进行沉默并进行功能验证。【结果】在陆地棉(Gossypium hirsutum L.)、雷蒙德氏棉(G. raimondii Ulbrich)、亚洲棉(G. arboreum L.)中分别获得了154个、74个、78个CML蛋白。进化树和保守基序分析表明,GhCML蛋白分为8个亚类,都含有保守的EF-hand结构域;在盐胁迫下,107个GhCML基因在叶和根中有显著的差异表达,且在根和叶中的差异表达模式不同。启动子分析表明,这些基因启动子中存在多种不同的胁迫响应元件;利用病毒诱导基因沉默技术成功沉默GhCML44-2的棉株相较于对照更加不耐盐。【结论】该研究结果有助于了解棉花CML基因家族的进化与功能,为后续研究其功能提供了一定的理论依据。