林木基因工程育种现状与发展趋势

综述了林木基因工程的应用现状和发展趋势,分析了我国林木基因工程存在的问题并对其发展提出了建议.     

杨树中I类KNOX基因结构、表达与功能分析

[目的]分生组织对器官发生和形态建成起到至关重要的作用,其活性受多种转录因子的调控。KNOTTEDlike homeobox(KNOX)基因家族由2个亚类即I类和II类KNOX组成,在模式植物拟南芥中I类KNOX成员主要在茎的顶端分生组织区域表达,对维持顶端分生组织分化及侧生器官的形态建成过程起关键作用。木本植物生长发育过程主要包含以顶端分生组织(Shoot apical meristem,SAM)为中心的初生生长与以形成层为中心的次生生长过程,本研究通过分析杨树I类KNOX基因在SAM、根顶端分生组织(Root apical meristem,RAM)的形成过程及形成层相关区域的表达,探讨I类KNOX基因在杨树分生组织形成与分化过程中的功能。[方法]以拟南芥I类KNOX基因STM的蛋白序列在毛果杨基因组中进行同源比对分析,获取杨树I类KNOX成员的核酸和氨基酸序列。根据核酸及氨基酸序列信息构建系统发育树,并绘制基因结构与蛋白质结构图谱。利用84K杨(Populus alba×P.glandulosa)不定芽与不定根诱导实验体系模拟顶端分生组织发育过程,通过实时定量PCR(RT-PCR)技术,对杨树I类KNOX成员在不定芽与不定根形成过程及形成层相关区域中的表达进行分析。[结果]本研究通过同源比对分析鉴定出10个杨树I类KNOX成员,根据进化关系与基因结构差异将其分为三组:组1、组2、组3,其中,组1为拟南芥KNAT2和KNAT6同源基因,组2为STM和BP同源基因,组3为杨树所特有的I类KNOX基因。杨树I类KNOX基因在不定芽与不定根发生过程中表达量均发生较大的变化,在不定芽发生过程中,组1基因在芽原基分化产生不定芽的关键期上调表达,而组2与组3基因多在分生组织分化产生芽原基阶段高表达;在不定根发生过程中,组1成员多在根原基分化产生不定根的过渡期上调表达,组2与组3基因则多在发育后期不定根形态建成阶段高表达。杨树I类KNOX成员在形成层相关区域均表达,组1中KNAT2/6与组2中STM、BP同源基因的表达量明显高于其他成员。[结论]以上结果说明,杨树I类KNOX除了与拟南芥同源的2个组外,还进化产生新的组别,分别参与分生组织形成和分化过程中不同阶段的调控,且Pt KNAT2/6b、ARK1与ARK2在形成层区域高表达,提示以上3个基因可在形成层功能维持以及木质部分化中发挥主要作用。     

DNA拓扑异构酶基因PagTOP2b对银腺杨‘84K’生长发育的影响

  目的  DNA拓扑异构酶基因是一类能够改变DNA拓扑结构的酶,在基础生命活动如DNA复制、转录、有丝分裂等过程中发挥重要作用。研究DNA拓扑异构酶基因对杨树Populus生长发育的影响,能够进一步了解DNA拓扑异构酶基因在木本植物中的作用机制,评估其是否可作为林木分子育种的靶标。  方法  从银腺杨‘84K’ Populus alba × P. glandulosa ‘84K’ (84K杨)中克隆得到DNA拓扑异构酶基因PagTOP2b,利用生物信息学方法对其进行序列分析、蛋白理化性质及结构分析。实时荧光定量PCR分析PagTOP2b在杨树不同组织中的表达水平。利用农杆菌Agrobacterium tumefaciens介导的叶盘转化法转化84K杨,得到PagTOP2b过表达转基因植株。通过表型及茎段切片分析过表达PagTOP2b基因对84K杨植株生长的影响。  结果  以84K杨cDNA为模板,克隆得到PagTOP2b基因全长序列,该基因蛋白质编码区(CDS)长度为4 449 bp,编码1 482个氨基酸,根据蛋白结构域分析属于ⅡA型DNA拓扑异构酶。PagTOP2b主要在杨树幼嫩组织中有较高的表达量。过量表达PagTOP2b基因会导致转基因植株高度、基部节间直径和木质部宽度显著增加。  结论  DNA拓扑异构酶作为一类参与基础生命活动的重要功能酶,在杨树中过量表达ⅡA型DNA拓扑异构酶基因PagTOP2b可促进植株的纵向及径向生长,增加植株生物量。图4表1参28     

胡杨基因组片段转化拟南芥表型研究

[目的]本研究旨在探索与挖掘胡杨基因组大片段的潜在功能,发掘具有潜在育种价值的胡杨基因簇。[方法]利用已构建的胡杨基因组BIBAC文库,采用花序浸染法,将胡杨基因组大片段78A2D10导入模式植物拟南芥基因组中。采用抗性筛选、分子检测及表型观察等方法鉴定、分析转化型植株。[结果]共获得15株特异表型的转化植株。与野生型相比,转化型植株主侧茎生长受到抑制,莲座叶面积增大近3倍,叶片数量增多,叶边缘皱缩,抽薹推迟约13周,株高增加近32.0 cm,侧茎发育成次生莲座,植株寿命延长约7周。[结论]胡杨基因组片段78A2D10可延长植株营养生长期及植株寿命,据此推测该基因片段可能与营养生长有关。     

杨树PtROP家族基因的表达分析与功能预测

[目的]为探究ROP基因在林木中的功能。[方法]本研究以杨树为模式,在全基因组水平上对ROP基因的家族成员、基因结构、保守结构域、氨基酸序列相似性及表达模式进行了分析。[结果]显示,杨树PtROP基因家族包含13个成员,不同成员间在进化上相对保守,均存在与GTP结合与水解相关的结构域。这些基因在不同组织、不同胁迫条件下的表达具有明显差异,说明它们参与不同的生物学过程。通过构建功能基因网络(functional gene network for poplar)发现PtROP基因主要参与了信号转导过程。[结论]杨树PtROP基因家族包含13个成员参与不同的生物学过程,可能主要参与了信号转导过程。     

杨树次生壁纤维素合酶的表达与互作模式分析

[目的]纤维素的合成在木材形成过程中具有重要的作用,纤维素合酶(Cellulose Synthase,CESA)是参与纤维素合成的关键酶。由于3种CESA形成一个有功能的纤维素合酶复合体,而杨树中包含CESA4、CESA7A、CESA7B、CESA8A和CESA8B5种次生壁CESA,本文从这5种CESA的表达模式与互作分析入手,探讨了其在次生壁纤维素合成中的工作模式。[方法]利用RNA-seq与基因芯片数据进行基因表达分析,揭示5种次生壁CESA在根、茎、叶组织的表达模式与次生维管再生过程中的表达变化。利用启动子驱动的GUS转基因材料GUS染色分析与实时定量PCR揭示5种次生壁CESA在各个组织的表达模式与在激素处理下的响应模式。利用荧光素酶互补实验揭示CESA7A、CESA7B、CESA8A与CESA8B之间的互作模式。[结果]基因表达分析表明,杨树5种次生壁CESA基因在杨树成熟茎中高表达,尤其在次生维管组织发育的后期高表达,表明其主要参与木材次生壁纤维素的合成。对启动子驱动的GUS转基因材料观察表明,CESA4、CESA7B、CESA8A和CESA8B的GUS信号在杨树茎和叶中较强,但这些次生壁CESA的表达模式存在一定的差异,这种差异在叶脉中表现地尤为明显。此外,在赤霉素GA3和细胞分裂素6-BA处理下,杨树次生壁CESA的表达量显著上调;在生长素NAA、油菜素内酯BR和乙烯处理下,杨树次生壁CESA的表达量下调,但不同的CESA对激素响应的表达量变化幅度存在差异。荧光素酶互补实验表明,杨树次生壁CESA7B和CESA8B、CESA7B和CESA8A、CESA7A与CESA8B之间存在互作,说明它们之间可以形成复合体。[结论]这些数据显示杨树5种次生壁CESA基因在不同组织与不同激素处理下的表达变化存在一定的差异,而它们之间均能互作,提示杨树5个次生壁CESA基因虽然具有同等的能力形成功能性的纤维素合酶复合体,但在不同组织、不同激素作用下可能有不同的组合方式,进而会导致木材成分的差异。