Improvement of Cold Tolerance in Horticultural Crops by Genetic Engineering

Abstract

Chilling and freezing temperatures often adversely affect the productivity and quality of horticultural plants. Attempts to enhance cold tolerance through traditional breeding have achieved limited success, mainly due to the complexity of the genetics associated with a plant's response to low temperatures. Recently, the improvement of cold tolerance by genetic engineering has been achieved in many species. Nevertheless, transgenic plants with greater tolerance have been reported in only a few horticultural examples. Their production has led to a new era in improving performance. In this review, we first present recent advances in understanding cold acclimation. We then describe a few cases in which improved cold tolerance has been achieved with transgenic plants.     

Functions of Phytochrome in Rice Growth and Development

Phytochrome family mainly senses red and far-red light to regulate a range of developmental processes throughout the life cycle of plants. Rice phytochrome gene family is composed of three members known as PHYA, PHYB and PHYC. It has been elucidated that individual phytochromes display both unique and overlapping roles in rice photomorphogenesis by characterization of all rice phytochrome mutants including single mutants, all combinations of double mutants as well as triple mutants. Based on the published d...     

转基因作物的安全性评价及其对我国传统农业的影响

2001年全球转基因作曲种植面积达到了5260万km^2，其中转基因抗除草剂作曲占77％，转基因抗虫作曲占15％。200l年中国转基因作曲种植面积为150万hm^2，占全球的3％，主要为转基因抗虫棉。转基因作曲安全性从20世纪90年代以来倍受政府、科学家和大众的关注，在转基因作曲食品安全性方面提出了和传统食品“实质等同性”的评价概念；在转基因作曲环境安全性方面注重转基因作物本身及基因扩散给环境带来的直接、间接和潜在的影确。国外转基因农作曲及其产品对我国传统农业提出了新的挑战。     

转基因植株的分子检测方法概述

从个体或组织水平、DNA水平、RNA水平和蛋白质水平概述了检测转基因植株的各种方法及应用情况,并作了简要评价.     

中国农业科学院麻类研究所科学研究回顾与展望

本文较全面地回顾了中国农业科学院麻类研究所科研成就：苎麻、亚麻、黄／红麻新品种的选育与推广；麻类及同类纤维种质资源研究；麻类种植技术研究；麻类加工技术与加工机具的研究与推广；麻类生物脱胶与产品加工研究，特别是纤维质生产乙醇及环保型麻地膜的研究。本文还分析了未来该所麻业发展的走向;从麻类作物拓展到纤维植物；加工手段从农业微生物拓展到酶制剂;产品从传统的纺织原料拓展到生物能源与生物材料。     

中国农业科学院麻类研究所科学研究回顾与展望

本文较全面地回顾了中国农业科学院麻类研究所科研成就:苎麻、亚麻、黄/红麻新品种的选育与推广;麻类及同类纤维种质资源研究;麻类种植技术研究;麻类加工技术与加工机具的研究与推广;麻类生物脱胶与产品加工研究,特别是纤维质生产乙醇及环保型麻地膜的研究。本文还分析了未来该所麻业发展的走向:从麻类作物拓展到纤维植物;加工手段从农业微生物拓展到酶制剂;产品从传统的纺织原料拓展到生物能源与生物材料。     

Ecological Context for Examining the Effects of Transgenic Crops in Production Systems

SUMMARY

Ecological processes can have strong effects on production systems, many of which prevent crops from reaching their maximal yield. Past and present management strategies have been developed to mitigate the negative interactions, thereby improving crop production. However, when applied to complex and variable agroecosystems, some of these strategies have resulted in unintended ecological effects that ultimately hindered production. Transgenic crops are a widespread and powerful management option, and there is a tremendous need to understand their intended ecological effects as well as potential unintended direct and indirect effects. The purpose of this review is threefold: (1) to discuss four of the major ecological effects that limit crop production: competition, herbivory, disease, and abiotic stresses, (2) to describe how biotechnology is addressing these problems, and (3) to examine the ways these biotechnological solutions may cause ecological effects that unintentionally hinder crop production. We find that, to date, there has been little diversity in the types of transgenic crops available and the approaches they use to improve crop production. Transgenic crops, like previous agricultural technologies, are designed to enhance a singular plant trait in order to solve a specific production problem. When viewed in a simplified system, transgenic crops seem to provide effective means to mitigate negative ecological effects. However, when approached via a larger ecological context, it is clear that transgenic crops have already had and will continue to have unintended ecological effects that can ultimately affect crop production through mechanisms such as gene flow, resistance evolution, community interactions, and production practices. No management option, including transgenics, is universally beneficial or detrimental. The ecological context of specific agroecosystems may improve predictions of the benefits, limitations, and consequences of a given management tactic within that system. As we increase our understanding of the ecological context of crop production problems, we may be able to improve our control efforts to maximize production and minimize potential problems in the future.     

农业转基因生物的发展及安全管理

农业转基因生物包括转基因动植物和微生物及有关产品。综述了转基因作物的发展历程,主要转基因生物的种植面积、产值,我国在这方面的研究和应用情况以及世界各地对转基因作物对人类安全性的争论焦点。同时就欧盟与美国对农业转基因生物的安全管理进行了比较。指出了我国对转基因生物安全管理的法律法规、管理体系、对策等一些具体措施。预见了转基因生物的发展形势。     

园林观赏植物铁筷子特征特性及其繁殖技术探讨

毛茛科铁筷子具有较好的耐阴性和观花性,可以在园林绿化中加以推广应用。介绍了铁筷子的形态特征、生态习性,从种子繁殖及分株繁殖方面阐述了其繁殖与栽培技术。并对其园林应用前景进行了评价。     

惠州市东湖花园植物资源调查与应用现状分析

广东省惠州市东湖花园的植物资源调查结果表明：该小区的植物种类可分为55科102种, 其中蕨类植物3科3种,裸子植物5科5种,被子植物47科94种,被子植物中双子叶植物36科61种,单子叶植物11科33种;分析其植物配置现状,并就其今后园林规划中植物的配置提出建议。     

抗除草剂转基因水稻稳定系TR4的获得及其遗传研究

 用Bar基因通过基因枪法轰击京引119未成熟胚,得到抗除草剂Basta的转基因植株,经加代和选择得到抗除草剂的稳定系TR4,其基本农艺性状与京引119相仿。用TR4与4个粳稻品种杂交进行遗传分析表明,TR4的抗除草剂特性由一对显性基因控制,符合孟德尔遗传规律。该外源基因可通过有性杂交转育,在杂交稻和常规直播稻的选育上有较大的利用价值。     

合成茶树咖啡碱相关的N-甲基转移酶基因家族的克隆及序列分析

咖啡碱是茶叶中重要的功能成分,它以黄苷为底物,以S-腺苷甲硫氨酸（SAM）为甲基供体,通过N-甲基转移酶（NMT）类催化的一系列甲基化反应合成的产物。根据NMT基因高度相似的特性,利用长片段PCR法和侧翼序列克隆技术分离了白叶一号6种NMTs的基因组DNA全长,其中有2种为已报道的茶树咖啡碱合成酶基因TCS1、TCS2,1种为假基因,另3种基因分别被命名为TCS3、TCS4、TCS5,基因结构分析发现这6种基因均由4个外显子和3个内含子组成。山茶属植物的NMTs可聚为5类,其中TCS4和TCS5为与其他基因的相似性相对较低的一类。这些结果为今后更好地从基因组水平上剖析茶树咖啡碱的遗传机制提供有用参考。     

几种新型植物纤维的开发利用现状

本文介绍了几种新型植物纤维的应用情况，指出了开发利用的共同特点，列举了常用的开发方法。     

荷花株型相关性状与SSR分子标记的关联分析

以129份株型多样性丰富的莲属（Nelumbo Adans.）群体为供试群体,观测与株型相关的立叶高度、花柄高度、立叶短径、立叶长径等数量性状。供试荷花群体株型性状变异丰富,立叶高度、花柄高度变异系数分别达39.68%和41.69%,立叶短径、立叶长径变异系数分别为29.70%和31.41%。选用多态性好的98对SSR引物对129份莲属种质进行多位点扫描。利用STRUCTURE V2.2软件对供试莲属品种进行基于混合模型的群体结构分析。利用GLM模型分析与莲株型性状相关联的SSR标记。结果表明：从群体结构看,供试群体最终可被划分为4个亚群,中国莲传统品种和中美杂交种属于不同的亚群,同时有部分遗传背景复杂的杂交种在不同亚群间分布。通过关联分析共找到11个标记与花柄高度、立叶高度、立叶长径、立叶短径等4个性状显著相关。其中,SSR067、SSR132、SSR458标记与所观测株型性状均显著相关,可能由于基因连锁或者一因多效引起。在连续2年的重复试验中,SSR132和SSR458标记均可与立叶长径、立叶短径相关联,表明这2个标记可能受环境影响较小。     

转抗菌肽B基因和bar基因籼稻植株的再生

 运用基因枪法将含有bar基因和cecropin B基因的质粒pCB1导入籼稻品种特青的幼胚细胞,筛选后得到3株转基因植株。PCR检测和Southern杂交结果表明,外源基因已整合到水稻基因组中。转化当代植株表现出对Basta很强的抗性,同时也增强了对水稻白叶枯病的抗性。     

茶树蛋白质提取及双向电泳的改良方法

研究了茶树芽叶蛋白质提取纯化及双向电泳技术,在样品制备、电泳及染色等方面进行了技术改进,解决了茶树芽叶中富含色素、多酚类化合物及其氧化产物等对双向电泳严重干扰的问题,探索出一种可获得重复性好,清晰度高的蛋白质双向电泳图谱技术;同时发现一种辨别茶树蛋白质样品质量好坏的简便方法。电泳图谱可分辨出茶树芽叶蛋白质斑点数500个左右,蛋白质相对分子量约在14.0 kD～100.0 kD范围内,主要分布在14.0 kD～67.0 kD之间;等电点约在4～9.5范围内,主要分布在4～6.5。     

茶树GGPS基因家族的克隆、生物信息学和表达分析

牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶(Geranylgeranyl diphosphate synthase,GGPS)是萜类合成途径的结构酶,对植物生长发育具有重要意义。本研究通过RACE和RT-PCR方法克隆得到5条潜在的茶树GGPS序列,分别命名为CsGGPS1-4和CsGGPS9,其中CsGGPS9存在3条等位基因,分别是CsGGPS9-1、CsGGPS9-2和CsGGPS9-3,在系统进化树上与其他基因分成两支。蛋白质序列分析表明,茶树GGPS家族成员都具有polyprenyl_synt结构域,不存在信号肽序列。亚细胞定位预测结果显示,CsGGPS1、CsGGPS2和CsGGPS4定位在叶绿体上,CsGGPS3和CsGGPS9定位在线粒体上。通过Swiss Model进行三维建模,结合"three-floor"模型对茶树GGPS家族成员的功能进行预测,预测结果显示,CsGGPS1、CsGGPS2和CsGGPS4是GGPS;CsGGPS3是异源二聚体形式的牻牛儿基焦磷酸合酶的小亚基;CsGGPS9的催化主产物是碳链数大于30的异戊烯基焦磷酸。q RT-PCR分析表明,CsGGPS1整体表达丰度较低,仅在一芽二叶中表达量稍高;CsGGPS2在茶树各个组织中均有表达,在花中表达量最高,且花发育过程中表达量先上升后下降;CsGGPS3在叶和幼根中的表达量高于花,花发育过程中表达平稳;CsGGPS4在茶树各个组织中表达量数值相近,在花发育过程中表达量变化趋势与CsGGPS2相同;CsGGPS9的表达量在成熟叶中显著低于幼嫩叶片。     

茶树PPO基因家族的鉴定与分析

多酚氧化酶（Polyphenol oxidases,PPO）是由核酸编码的一种以氧为受体的含铜金属酶,为一种末端氧化酶,在茶叶加工中也发挥重要的作用。从最新发布的茶树基因组数据库中获得了5条PPO基因：CsPPO1、CsPPO2、CsPPO3、CsPPO4（GenBank登录号为GQ129142.1）、CsPPO5。本研究利用生物信息学方法,对5条基因的核酸序列和氨基酸序列进行分析,并对基因编码蛋白的理化性质和结构功能进行预测。结果表明,5个基因CDS区全长在597~1β839βbp之间,编码氨基酸数目198~612;系统进化树分析显示CsPPO1、CsPPO3、CsPPO4和CsPPO5具有较近的亲缘关系;编码的蛋白均属于亲水性不稳定类脂类结合蛋白,都不具有信号肽;无规则卷曲是蛋白质的主要结构元件,α-螺旋和β-折叠分散于整个多肽链中,CsPPO1、CsPPO2、CsPPO3可能存在一个或多个跨膜螺旋;5个蛋白均含有PPO1_DWL（pfam12142）保守结构域,除了CsPPO2外,其余4个蛋白均预测到TYROSINASE功能结构域。实时定量PCR结果表明,PPOs基因在不同茶树品种间呈现出不同的表达模式。     

植物表观遗传修饰的分子机制及其生物学功能

表观遗传调控是指基于非DNA序列的改变所致基因功能的变化,最终导致生物多效性表型。表观遗传调控因子通过多种途径调控基因表达,参与植物几乎所有的生长发育过程。本文介绍了DNA甲基化、组蛋白修饰、RNA甲基化、染色质重塑、非编码RNA、基因印记和母性效应等植物表观遗传修饰主要类型的分子机制,以及它们在细胞增殖、细胞分化、生物与非生物胁迫、开花、果实成熟和胚胎发育中的作用机制和生物学功能,并对其在农业上的应用作了展望。     

野生大豆和抗草甘膦转基因大豆杂交后代的适合度分析

野生大豆是大豆遗传改良的重要资源.转基因大豆可能对野生大豆资源存在潜在的农业和生态风险.外源基因从抗草甘膦转基因大豆向野生大豆材料的逃逸不仅需要成功的杂交,还要依赖于杂交后代的适合度.因此野生大豆和抗草甘膦转基因大豆杂交后代的适合度分析,对评价抗草甘膦转基因逃逸引起的生态风险非常必要.在网室条件下,4个野生大豆材料和抗草甘膦转基因大豆RR能够杂交结实,获得有抗草甘膦基因杂交后代群体F1和F2(江浦野生豆-5×RR).对杂交后代及其母本野生大豆材料的7个农艺性状进行调查,计算适合度并进行t测验分析.结果表明:在没有草甘膦的选择压力下,杂交后代在一些性状上的相对适合度高于母本野生大豆材料;江浦野生豆-5和RR杂交F2代敏感株与抗性株在7个农艺性状有相对适合度上均差异不显著.