叶绿体转化及其应用于作物改良研究的最新进展

农杆菌介导的核基因转化技术已普遍应用于作物改良和分子育种方面,而其不可避免的转基因沉默现象和生物安全问题是科研工作者和广大民众关注的焦点,进而成为基因工程技术广泛应用的主要限制因素。叶绿体遗传转化技术因具有核转化不可比拟的独特优势,成为植物基因工程发展的新方向和科研工作者研究的热点之一,通过该技术有望培育出真正生物安全的转基因作物新品种。本文围绕叶绿体转化的原理、方法、筛选标记及其应用等方面进行阐述,着重介绍其在作物改良方面研究的最新进展,并对存在问题及应用前景进行了展望。     

利用植物叶绿体表达重组药用蛋白和疫苗研究进展

植物是医用药物的重要来源之一,约占整个医用药物市场的1/4以上。现代生物技术的发展进一步拓宽了植物在医药领域的应用范围,许多具有重要应用价值的重组药用蛋白在植物中获得成功表达,部分重组药用蛋白已进入商业化应用阶段。与其他重组药用蛋白生产系统相比,植物叶绿体生产系统具有独特的优势,如外源基因的高效和稳定表达、多基因表达、环境安全等。利用植物叶绿体表达系统生产的重组药用蛋白和疫苗已达40多种。本研究对近年来利用叶绿体表达重组药用蛋白和疫苗的研究进展进行了综述,并就植物叶绿体表达重组药用蛋白方面的几个问题进行了探讨。     

大豆叶绿体转化载体pJY系列的构建及其转化研究

杂交大豆是我国具自主知识产权的科研成果，具有广阔的应用前景。为解决杂交大豆制种过程中不育系易与保持系混杂的问题，我们开展了大豆叶绿体转基因的研究，目的是通过转基因的方法在不育系的细胞质中，植入筛选标记基因，以区分不育系和保持系。根据已发表的大豆叶绿体序列（GenBank X07675）设计引物，用PCR方法获得两段大豆叶绿体同源重组序列LHRR和RHRR，克隆到质粒pUC19中，并将来源于质粒pTF102的壮观霉素抗性基因aadA克隆到两段同源重组序列之间，以构建大豆叶绿体转化表达载体pJY01。 aadA基因的启动子Prrn和终止子psbA基因3’序列，分别从烟草叶绿体基因组中扩增而来。在此基础上，我们还将草丁膦抗性基因或绿色荧光蛋白与GUS的融合蛋白基因克隆到该载体上，得到pJY03与pJY04，并初步应用于烟草的叶绿体转化，获得了具壮观霉素抗性的绿色愈伤和幼苗，PCR扩增出aadA基因的条带，并在激光共聚焦扫描下检测到GFP的表达，由此证实了这一实验思路的可行性，为后期大豆叶绿体转化工作的顺利进行打下了良好的基础。     

大豆叶绿体转化载体pJY系列的构建及其在烟草上的转化研究

为解决杂交大豆(Glycinemax)制种过程中不育系易与保持系混杂的问题,开展了大豆叶绿体转基因的研究。通过转基因方法在不育系的细胞质中植入筛选标记基因,以区分不育系和保持系。根据已发表的大豆叶绿体序列(GenBankX07675)设计引物,用PCR方法获得两段大豆叶绿体同源重组序列LHRR和RHRR,克隆到质粒pUC19中,并将来源于质粒pTF102的壮观霉素抗性基因aadA克隆到两段同源重组序列之间,以构建大豆叶绿体转化表达载体pJY01。aadA基因的启动子Prrn和终止子psbA基因3′序列,分别从烟草叶绿体基因组中扩增而来。在此基础上,将草丁膦抗性基因或绿色荧光蛋白与GUS的融合蛋白基因克隆到该载体上,得到pJY03与pJY04,并初步应用于烟草(Nicotianatobacum)的叶绿体转化,获得了具壮观霉素抗性的绿色愈伤和幼苗,PCR扩增出aadA基因的条带,并在激光共聚焦扫描下检测到GFP的表达。     

莴苣叶绿体转化体系的初步建立

作为人们广泛食用的叶用蔬菜,莴苣(Lactuca sativa L.)一直被科学家认为是一种理想的植物生物反应器平台。本研究首先以生产上常用的两个莴苣品种美国大速生(Grand Rapid)与香港玻璃生菜(Hong Kong Glass)的叶片为外植体,放置在添加不同激素成分的培养基中诱导再生小芽,在生根培养基上生根后即建立了组织培养再生体系;依据两个莴苣品种在不同培养基中的诱导再生率、出芽效率和生根率,确定表现较好的品种美国大速生作为后续叶绿体遗传转化外植体的供体。其次,根据莴苣叶绿体基因组16S-trnI-TrnA-23S区域的序列,设计特异引物,利用PCR扩增技术获得上述区域的部分片段,并作为同源重组序列插入T载体中;在同源重组序列中的Ecl136Ⅱ酶切位点处,插入带有绿色荧光蛋白基因(gfp)和aadA抗性筛选基因的化学合成表达框,构建适合莴苣叶绿体转化的特异表达载体PTLE,其中表达框内为gfp基因,壮观素酶抗性基因(aadA)具有壮观霉素和链霉素抗性。最后,利用基因枪轰击法将PTLE载体转化到莴苣叶绿体基因组中,在含有30 mg/L壮观霉素的培养基中进行两轮抗性筛选后,PCR分子检测和绿色荧光观察证明:获得的莴苣叶绿体转化植株仍处于杂合状态,还未达到完全同质化的程度。上述研究结果表明,已经初步建立了莴苣叶绿体的遗传转化体系,为进一步获得同质化纯合体和后续的植物生物反应器研究与开发提供了基础资料。     

Bt毒蛋白基因叶绿体转化载体的构建及其生物杀虫试验

本工作设计和构建了全长３．５ｋｂ Ｂｔ毒蛋白基因和２．１ｋｂ、１．８ｋｂ两种３＇端缺失Ｂｔ毒蛋白基因并分别包含烟草叶绿体同源片段ＲＴＰ和ＴＯ的叶绿体转化载体ｐＴＲＳ１、ｐＴＲＳ２和ｐＴＲＳ３，对它们菌体总蛋白进行生物杀虫试验表明所有载体的Ｂｔ毒蛋基因都得到了表达，并且对二龄棉铃虫有１００％的毒杀作用，对三龄棉铃虫的致死率也很高，尤其是含全长Ｂｔ毒蛋白基因的ｐＴＲＳ１可高达９５％以上。因而它们都可以     

PHAs合酶phaC2基因转化烟草叶绿体的研究

中长链羟基脂肪酸聚酯 (medium-chain-length-PHAs, mcl-PHAs) 属于微生物聚酯。Ⅱ型PHA合酶是mcl-PHAs生物合成途径中的关键酶。将编码Ⅱ型PHA合酶的基因phaC2与水稻(Oryza sativa )叶绿体psbA基因的启动子和终止子构建表达盒(RpsbA-pro-phaC2-RpsbA-ter)，连同壮观霉素抗性基因aadA表达盒(prrn-aadA-TpsbA-ter)一起克隆进烟草叶绿体基因组同源片段rbcL和accD中，构建了烟草叶绿体转化表达载体pTC2。基因枪法转化烟草(Nicotiana tobacum L.)叶片，获得具有壮观霉素抗性的转基因烟草。对T0代和T1代转基因植株的PCR和Southern blot鉴定结果表明, 外源基因确已整合进烟草叶绿体基因组中，T1代转基因植株已达同质化。RT-PCR分析结果证实phaC2基因已在转录水平上表达。转基因植株的正反交试验证明外源基因在转基因后代中遵循母性遗传规律，不存在转基因的花粉漂移现象。通过叶绿体遗传转化, 实现中长链羟基脂肪酸聚酯合成关键酶基因phaC2在烟草叶绿体基因组中的稳定转化。     

GFP叶绿体转化烟草茎叶降解对土壤微生物数量及土壤酶活性的影响

以GFP叶绿体转基因烟草及对照烟草（非转基因烟草）为材料,在实验室条件下研究了叶绿体转基因烟草及对照烟草（非转基因烟草）在茎叶降解过程中及完全降解后对土壤微生物主要类群（细菌、真菌、放线菌）的影响,并对相关的土壤酶活性进行了分析。结果表明,在烟草茎叶降解过程中及完全降解后：（1）叶绿体转基因烟草及对照烟草（非转基因烟草）对微生物的数量影响不显著;（2）土壤微生物总量相比为细菌〉放线菌〉真菌;（3）叶绿体转基因烟草茎叶降解对土壤酶活性没有显著影响;（4）GFP基因没有水平转移到土壤微生物基因组中。以上结果显示GFP叶绿体转化烟草茎叶降解对土壤微生物数量及土壤酶活性没有显著的影响。     

草莓遗传转化研究进展

草莓是一种重要的小型浆果,近年来育出很多优良品种,种植面积逐渐扩大。然而仍有很多因素限制了草莓生产的发展。基因工程技术为植物育种、种质资源开发利用等领域开辟了新的途径,可以获得常规育种难以或无法得到的新类型。本文综述了近年来国内外在草莓抗病虫、抗逆、抗除草剂、品质特性、耐贮运性等基因工程的研究进展以及基因型、试管苗生理状态、共培养时间、侵染时间和菌液浓度、抗生素等因素对草莓遗传转化的影响。对草莓转基因研究中存在的主要问题和今后的研究方向及应用前景进行了探讨。     

叶绿体基因组及其在樟科植物系统发育研究中的应用

樟科植物是被子植物中一个较大的木本植物类群,也是一个较为古老的类群,集轻工业、食用、材用、药用、观价值赏于一身,在我国林业史和园林史上占有重要地位。植物的系统发育研究可在阐明物种之间亲缘关系的同时,挖掘它们的共同祖先以及它们在进化过程中的分化和演化路径,揭示生物种群和物种的多样性及其时空分布。在概述樟科植物和叶绿体基因组的基础上,分析了利用叶绿体基因组对樟科植物进行系统发育研究的相关进展,以期为樟科植物的相关研究提供参考。     

农杆菌介导的玉米遗传转化研究进展

农杆菌介导的转基因法是目前玉米遗传转化的主流方法之一。目前,模式玉米种质幼胚的转化体系已程式化,且开发了新筛选基因和获得不含筛选基因转基因玉米的方法,但是大多数育种骨干自交系转化频率低和转化受体基本上是幼胚。从农杆菌、受体及培养条件多方面各种因素对问题进行分析,多数研究认为针对特定基因型和受体材料建立好的受体再生系统,结合高效率农杆菌转化体系,获得多目的基因聚合（无其它外源片段）的转基因玉米将是农杆菌介导玉米转化体系研究的最终目标。本文主要从农杆菌介导（转基因）法应用于玉米遗传转化的历史、现状、问题等方面进行综述,为同领域的研究者提供一定的参考。     

油菜叶绿体多顺反子定点整合表达载体的构建

根据拟南芥叶绿体基因组序列设计PCR引物,从我国甘蓝型油菜栽培品种F4叶绿体基因组中克隆了长度为1.5kb的trnI和trnA2个基因序列,核酸序列分析表明它们与拟南芥基因的同源性高达94%和99%,这两个克隆的油菜叶绿体基因组序列trnI和trnA被用于构建叶绿体定点整合表达载体。利用烟草叶绿体基因强启动子Prrn和终止子TpsbA,以及筛选标记基因aadA和目的基因HSA,构建了多顺反子表达盒Prrn-aadA-HSA-TpsbA,将表达盒置于油菜叶绿体trnI和trnA序列之间,最后构建成油菜叶绿体多顺反子定点整合表达载体pIPaHTA。酶切鉴定及序列分析证实,构建的表达载体具有预期的调控元件及结构,这为后期油菜叶绿体转化体系的建立奠定了基础。     

高等植物DNA条形码最新研究进展及其应用

植物DNA条形码的筛选工作主要集中于叶绿体基因上,包括位于编码区的mat K、rbc L、UPA、rpo B、rpo C1、acc D、ndh J和YCF5等以及间隔区的trn H-psb A、trn L-trn F、atp F-atp H、trn D-trn Y和psb K-psb I等,其中mat K、rbc L和trn H-psb A研究最为成熟,可作为核心条形码序列。由于每个基因进化速率不同以及植物种间杂交较为频繁等诸多原因,不同类群植物的最适条形码序列有很大差别。本文综述了DNA条形码的最新研究进展以及条形码技术在物种鉴定、分类学问题修订、新种隐种的发现、植物药材真伪鉴定、食品质量控制和安全、出入境植物检验检疫等方面的应用,提出了cp DNA条形码在应用中的不足之处以及解决措施等,并对DNA条形码未来的发展进行了展望,以期为高等植物的应用提供强有力的分子依据。     

遗传转化KN1基因促进毛果杨外植体再生

已有研究表明玉米同源异形盒（homeobox）基因Knotted1（KN1）超量表达会导致转基因烟草、拟南芥和番茄等植物中细胞分裂素含量增加,提高转化效率。由于木本植物遗传转化困难,且毛果杨可作为木本植物研究的模式植物,因此,本研究利用农杆菌介导法,将35S启动子驱动的玉米KN1（35S：：KN1）基因导入毛果杨,并分析KN1基因表达对毛果杨再生率的影响。研究结果表明,经GUS组织化学染色及PCR分子鉴定,KN1基因已经成功导入毛果杨幼苗;KN1基因对毛果杨外植体愈伤诱导率影响不明显,但单个外植体芽诱导率比对照高0.96倍,毛果杨的再生频率明显提高;与移栽成活的野生对照植株相比,转化KN1基因植株出现叶片变小,叶色变深,在叶片边缘产生裂片,分枝增加,无顶端优势等特殊表型。本研究中KN1基因引起转化植株表型变化,因此在毛果杨的遗传转化中,可作为一种有效的正向选择标记基因。     

保加利亚尖椒再生及遗传转化条件的优化

为了提高辣椒子叶不定芽的伸长率和遗传转化效率,本研究以保加利亚尖椒子叶为外植体,通过正交试验分别对影响保加利亚尖椒子叶不定芽伸长的激素组合以及遗传转化参数进行了优化。结果表明：诱导不定芽伸长的最佳激素组合为0.2mg/LIAA＋1.0mg/LGA3＋0.1mg/LPBU,不定芽伸长率最高为60%;以5mg/L潮霉素为选择压,预培养时间为4d、共培养时间为2d、侵染时间为20min时,诱导的抗性不定芽比率最高。本研究建立的辣椒再生及遗传转化体系为辣椒转基因研究奠定一定的基础。     

Chloroplast Microsatellites to Investigate the Origin of Grapevine

The origin of the grapevine, Vitis vinifera ssp . sativa L., has been investigated with archaeobotanical–archaeological, cultural and historical data indicating a unique domestication centre located in the Caucasian and Middel-East regions about 6–7000 years ago, but, events leading to the domestication of this species are still an open issue. In this work, eight universal chloroplast microsatellites are used to assess genetic relationships among varieties selected as representatives of four distinct geographical groups from Middle-East to Western European regions. Results show that two out of the eight analysed chloroplast loci are polymorphic within the 142 individuals. Allele variants of the cpSSR loci combine in a total of six different haplotypes. The analysis of haplotypes distribution and haplotype diversity (HD) suggest that only three out of the six haplotypes are represented in the Caucasian and Middle-East samples, with 90% of individuals sharing the same haplotype. Moreover, the presence of all six haplotypes in the European accessions, with a high level of haplotype diversity, suggests varietal influx in these areas. Concerning the Western European varieties, especially in Spanish accessions, half of the individuals share haplotype VI which is completely absent in the Caucasian and Middle-East cultivars. This result opens the discussion about the existence of a unique and common domestication centre, located in the Caucasian and Middle-East area, for all the European cultivars. This work suggests the usefulness of chloroplast genome markers to provide information on haplotype distributions that could help to identify further geographical areas for grapevine varietal evolution.