茶树抗寒育种及转基因研究进展
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草坪草转基因育种研究进展
王 艳1,李建龙1,潘永年2,王加真1(1.南京大学生命科学院,江苏南京 210093;2.浙江省丽水市青青草业有限责任公司,浙江丽水 323000)
摘要:转基因技术在草坪草育种上的应用研究进展迅速,植株再生、基因的遗传转化和筛选都已经形成较成熟的系统方法。抗逆育种是当前草坪草基因工程的研究热点,也是草业发展的一个重要方向。与传统育种相比,转基因育种具有周期短、可以定向改良物种的显著优点,但仍存在许多问题,需要建立稳定、高效的转化体系,准确选择目的基因,快速鉴定转入基因,提高转基因幼苗的大田成活率,以及建立育成品种的生态功能综合评价体系和转基因育种的成本核算。草坪在生态建设中的使用日益广泛,通过生物技术培育传统育种不能获得的优良草坪草具有良好的发展前景。 关键词:草坪草;基因工程;抗逆育种 中图分类号:S688.4 文献标识码:A 文章编号:100925500(2007)0320013205
草坪草作为优良的绿化植物,在城乡生态建设中越来越受到重视。我国草坪草的改良育种已有50多年的发展历史[1],近年来,转基因技术的日趋成熟为草坪草育种提供了新的契机。转基因育种作为分子育种技术的一种,是国际作物育种的发展趋势。与传统育种技术相比,转基因技术所转移的基因不受生物体间亲缘关系的限制,并且所操作和转移的一般是经过明确定义的基因,功能清楚,后代表现可准确预期,可定向地获得优良的新品种。另外,利用常规方法育种,一般需要十几年或更长时间,转基因育种可使品种改良的周期至少缩短一半,极大地节约了人、财、物力[2]。随着基因工程的发展,目前许多草坪草的再生体系已经建立起来,但有些草坪草,特别是暖季性草的遗传转化体系不稳定,转化效率较低,有待进一步完善。病虫害和干旱、高温、低温、盐、碱等生物和环境胁迫严重影响着草坪的功能和美观,近年来转基因育种的研究重点和目标是通过生物技术提高草坪草的抗病性和抗逆性。自1988年至今,研究者试图将各类功能基因转入目的草种,获得改良的转基因草坪草新品种[3]。目前 收稿日期:2006211206 基金项目:浙江省农业科技攻关项目(2005C22079)资助 作者简介:王艳(19782),女,山西襄汾人,在读博士,主要从事草坪生理生态研究。李建龙为通讯作者。已有许多成功报道,但研究仍停留在实验室阶段。基因的遗传稳定性有待提高,需要进一步筛选恰当的功能基因,建立转基因生态安全和功能综合评价体系等。本文就转基因草坪草的研究进展进行了总结,并对今后草坪草转基因研究的趋势进行了展望和分析。1 草坪草转基因技术1.1 再生体系的建立 再生体系的成功建立与基因型、外植体和培养基配方等直接相关。最常用的外植体是种子,黑麦草(Laliumperenne)、紫羊茅(Festucarubra)、早熟禾(Poaannua)、日本结缕草(Zoysiajaponica),中华结缕草(Zoysiasinica)等各种草坪草都先后被以种子为外植体成功建立了再生体系[4~6]。苗茎尖、顶芽、带芽的匍匐茎或成熟的花序及幼穗等也是优良的外植体[7,8],对于草子产量很低的暖季型草坪草,以种子为外植体建立再生体系更具应用价值。最常用的基础培养基为MS培养基,添加不同配比生长调节剂,不同物种、基因型往往还需加入一些特殊成分。如诱导结缕草种子产生胚性愈伤组织与VB1用量关系密切[4]。1.2 遗传转化体系 目前以外源基因直接转化为主,其中最常用的是农杆菌介导法和基因枪法。草坪草属于单子叶植物,13草原与草坪 2007年 第4期 总第123期不是农杆菌的天然寄主,但从2000年首先在翦股颖和结缕草上获得成功后[9],匍匐翦股颖(Agrostisstolo2nifera)[10]、高羊茅(Festucaarundinacea)[11]、狗牙根(Cynodondactylon)[12]、结缕草[13]等的农杆菌转化相继见到报道。其成本低、转化率高并有助于避免基因沉默,虽然起步较晚,但已在草坪草基因工程中得到广泛使用。基因枪法不受寄主限制,因此在草坪草的遗传转化中被广泛采用[14]。1.3 载体构建和筛选标记 构建草坪草基因转化的表达载体时,使用常用启动子如花椰菜CaMV35S可使导入基因在正常情况也过量表达,影响其正常性状的表达。因此诱导型启动子越来越受到关注,rd29a等启动子具有低温,干旱及盐等逆境诱导起始基因表达的功能,被用于草坪草表达载体的构建[15],更有助于获得优良的抗逆株系。利用标记基因筛选转化体时,由于禾本科草坪草对卡那霉素具有天然的抗性,所以通常不能用其作选择标记,一般采用潮霉素或除草剂进行选择,即使用htp或bar等基因[9]。2 转基因技术培育草坪草的研究进展 将抗病、抗逆及抗除草剂基因导入草坪草进行抗逆育种是当前草坪草基因工程的研究热点和重点。植物抗逆性是受多基因控制的数量性状,而且有交叉适应现象[16],抗逆基因的分离、克隆和转化一直是植物分子生物学的研究热点。目前已分离转化了大量与抗逆代谢相关的基因,但在草坪草上的研究应用还处于起步阶段。2.1 抗病、抗虫型草坪草 传统的抗病育种、农药防治、组织脱毒等方法耗时费力,污染环境,局限性很大,因此人们尝试应用基因工程导入抗病基因改良植物的抗病性并取得了一定效果。Salehi等[17]将ThuringiensisBerliner细菌中编码内毒素因子的cry1Ac基因转入百慕大抵抗黑毛虫虫害,幼虫食用转基因草叶后80%致死。Guo等的研究表明,导入了来自拟南介的表达受体蛋白激酶PR5K基因的匍匐翦股颖可以抵抗硬币元状斑病,Fu等[18]也发现来自水稻的TLPD34基因可以抵抗翦股颖硬币元状斑病以及褐斑病。2.2 抵抗环境胁迫型草坪草品种2.2.1 抵抗单一逆境基因 这类基因与植物的某一种抗逆性有关,可以在保持植物原有性状的基础上,添加或补充另一种特定优良性状。如抗冻蛋白基因(AFP)可以改良植物的抗冻性[19],提高了马铃薯和拟南芥等植物的抗寒性。细胞分裂素合成途径中的第一关健酶(即异戊烯基转移酶)基因可以有效延缓叶片衰老。章家长等[20]将拟南介衰老特异启动子PSAG12控制下的ipt基因导入结缕草胚性愈伤组织,培育出衰老延迟、绿期延长的转基因株系,其体内的细胞分裂素、可溶性糖、可溶性蛋白含量都明显高于对照。Hu等[11]将由玉米Ubi启动子驱动的ipt基因转入高羊茅胚性愈伤组织中,得到的转基因株系耐寒性提高,绿期延长、分蘖增加。2.2.2 交叉抗逆基因 抗氧化体系、渗透调节物质均与植株的抗逆性密切相关。另外当植物受到逆境胁迫时会大量表达各种逆境蛋白。热激蛋白(heatshockproteins,Hsps)是植物体受到高于生常生长温度8~12e的高温以及低温、脱水、重金属等环境信号诱导时,在体内迅速合成的一类诱导型蛋白。以上几类逆境基因都具有明显的交叉抗逆现象,导入这类基因有望获得多抗性的转基因植株。 McKersie等[21]用根瘤农杆菌介导法,将烟草的Mn2SODcDNA导入苜蓿发现,转基因植株不仅抗冻性增强,而且对除莠剂的抗性也增强,其后代在冻害胁迫后生长比对照快得多。rlisano等[22]将小麦中的果聚糖转移酶基因wft1和wft2转入多年生黑麦草,其转基因植株积累了大量的果聚糖,提高了植株耐寒力,但未研究转基因植株其他抗性的变化。热激蛋白特别是小分子热激蛋白属于诱导型蛋白,在动、植物界广泛存在,相比较其他植物,草坪草热激蛋白逆境生理研究还处于起步阶段。Park等[23]研究了匍匐翦股颖在热胁迫下Hsps的合成,在耐热和不耐热两个品种中均能合成Hsps97、83、70、40、25和18KDa,并且耐热的比不耐热的多2~3个Hsp27的家族成员。热激蛋白还未见在草坪草基因工程上应用的报道。2.2.3 调控抗逆基因表达的调控因子基因 Tho2mashow等[24]专家发现各种冷调节基因(cor基因)都带有一个相同的调控元件CRT/DRE(c2repeat/drought2responsiveelement),为提高植物抗冻性研究打开了新的研究思路并取得了瞩目的成果。该基因家族有许多同功能基因,包括CBF1,DREB1A和DREB2A等。这类调控基因引起了人们浓厚的兴趣,14GrasslandandTurf (Bimonthly) 2007 No.4 (Sum No.123)相继报道了在农作物、蔬菜、烟草等上的应用,都使植物的抗寒性有所提到。LIPing等[25]报道了来自大麦的OsDREB1基因提高了烟草的抗寒性。Li等[26]将来自拟南介的CBF1基因转入中华结缕草,转基因株系明显生长延缓,耐冷性也比野生型有提高。然而至今还未见有报道在结缕草中发现冷调节基因,需加快相关草坪生理学研究,进一步阐明转基因株系耐冷性提高的生物学原因。已知的调控基因还有热激因子结合蛋白(heatshockfactor2bindingprotein,HSBP),参与了热激蛋白基因表达的调控过程,对热激蛋白基因的表达起负调控作用[27]。3 草坪草转基因研究展望3.1 草坪草转基因育种存在的主要问题3.1.1 遗传转化体系的稳定性 草坪草基因转化的总体效率并不高,特别是暖季型草坪草。因此需要建立高效的再生体系,并揭示细胞状态的规律性,以突破组织培养对经验的依赖性,增加人们对试验结果的预见性。基因型与再生体系建立和遗传转化效率均关系密切。3.1.2 目标基因的选择和高效表达 调控特定抗逆性状一般都是多基因协同完成。在一定精度范围内,利用生物信息学的方法对目标基因的基本特征进行分析不失为一个有效方法,可以更为迅速和全面的发现基因的特征,了解基因在生命体中的真实结构和功能。 外源基因整合植物目的基因组后,很容易被植物基因组存在的修饰与限制系统所识别并加以修饰和抑制,使之失活或沉默。因此目的基因可否准确、稳定地表达和遗传是转基因育种成功与否的关键。夏兰芹、苏金等[30,31]都对基因沉默的原因、与环境的关系以及控制途径进行了综述,认为采用诱导型启动子将是实现外源基因最佳表达的有效途径。3.1.3 快捷转基因方法与转入基因的鉴定 获得成功的转基因体系在技术上限制步骤过多,我国学者已经在寻找更为快捷和有效的转基因方法。2001年王景雪等[30]用花粉介导方法获得了转基因玉米。在此基础上2005年梁雪莲[31]又进行了玉米的3种非组培转基因方法转化外源bar基因的研究。如何快速准确地鉴定目的基因在转基因植株内的表达,也是转基因技术发展的一个重要方向,有利于监测、管理、安全评价等后续工作。3.1.4 转基因幼苗成活率的提高 草坪草转基因幼苗成活率过低成为其应用和发展的瓶颈,也是当前草坪草转基因研究长期停滞于实验室阶段的主要原因。急需发现突破方法,以大幅度推进其大田应用进程。3.1.5 育成品种的生态风险 转基因草坪草向大田释放时具有生态风险。主要问题是通过花粉途径发生基因漂移,与杂草天然杂交,使得杂草具有抗性而难以控制,引发潜在的生态危害。另一个问题是已转入抗性基因的转基因草比野生草种具有更强的生存竞争性,一旦失控,会入侵天然草种的生存空间,破坏自然界的生物多样性[32]。Celis等[33]研究了转基因马铃薯在安第斯山脉的基因安全问题,证明对周边其他植物无害,但在附近野生型马铃薯中监测到飘移基因。路兴波等[34]研究了转基因玉米外源基因通过花粉漂移的频率和距离,也发现种间基因飘移的可能性很小。可见只要管理得当,基因飘移是可以有效控制的,但潜在的危害依然存在。3.2 转基因技术在草坪草育种上的应用前景 我国幅员辽阔,气候条件复杂。长江中下游地区,最高气温普遍在35~40e,冬季气温最低达-7e。呈现出高、低温差大,极端温度持续时间长的气候特点。温度是影响该地区草坪建植的主要生态因子之一。目前常用的草坪草有高羊茅、草地早熟禾、多年生黑麦草、匍匐翦股颖等冷季型草,以及狗牙根,结缕草等暖季型草[35]。冷季型草绿色期较长,但难以越夏,投入管理要求高。而暖季型草全年绿期短(240~260d),不能满足美化环境的要求。目前尚未发现有哪种草坪草可以同时忍耐高温和低温两种极端温度。采取化学和物理等人为措施进行调控可以在一定程度上提高其抗性,但距离人们所期望的常绿目标仍然相去甚远。转基因技术为实现这一目标提供了可能。 我国使用的草坪草大多由国外进口,草坪产业收益的1/4流向国外,造成严重浪费。因此急需加快我国本土优良草种的研究和开发,或对现有草坪草进行改良以适应我国的气候特点。结缕草是我国本土草种之一,分布广泛,具有优良的坪用价值,但其也有绿期较短的明显缺点,在长江中下游地区枯黄期长达5个月。若用抗寒基因改良结缕草,有望培育出优良的常绿草坪草。而对冷季型草,若将抗热基因导入其中提高越夏性同样可以扩大适用范围,减少管理投入。近几年我国北方城市也连续出现40e左右的高温,可见15草原与草坪 2007年 第4期 总第123期
第37卷第4期 2010年l2月 茶叶通讯
TEA COMMUNICATION Vo1.37,No.4 Deeember.2010
茶树抗寒性研究进展及展望
赵洋刘 振杨培迪梁国强杨 阳
(湖南省农业科学院茶叶研究所・长沙・410125)
摘 要:本文主要从茶树抗寒生理过程、抗寒分子机制、抗寒性鉴定、提高抗寒性4个方面对茶树抗寒性研究进展进行了 阐述.并对茶树抗寒性研究进行展望。 关键词:茶树;抗寒;研究进展
Progress and Perspective of Research on Cold Resistance of Tea plant
ZHAO Yang,LIU Zhen,YANG Pei-di,LIANG Guo-qiang,YANG Yang
(TeaResearchInstitute,HunanAcademyofAgriculturalSciences,Changsha410125,China)
Abstract:This paper generalizes the development of research on cold resistance of tea plant.We elaborate the progress from four pans:physiological process,molecular mechanism,cold resistance ability identification, improvement in cold resistance abiliy.We also prospect the research on cold resistance of tea plant in the future. Keywords:Tea plant,Cold resistance,Research progress
茶树原产于热带及亚热带,是一种喜温暖植 物。随着茶叶产业的不断发展和人们对茶叶需求量
SCoT分子标记在茶树育种中的应用研究进展
翟秀明,唐 敏,邬秀宏,张 军,侯渝嘉※(重庆市农业科学院茶叶研究所,重庆市茶叶工程技术研究中心,永川 402160)
摘 要 目标起始密码子多态性(Start Codon Targeted Polymorphism,SCoT)是一种可以与目标功能基因紧密连锁的目的基因标记,具有开发简单,成本低廉,稳定性和重复性好,多态性丰富,引物可在物种间通用等特点,已在多种植物中广泛应用。综述SCoT分子标记的原理及特点、引物设计、在茶树上的应用进展等方面,展望其在茶树指纹图谱构建和种质鉴定、差异基因表达分析、遗传连锁图谱构建方面的应用前景,以期为该标记在茶树中的深入应用提供更多参考。关键词 SCoT;茶树;差异表达分析;遗传图谱;种质鉴定中图分类号:Q78 文献标志码:A DOI:10.19415/ki.1673-890x.2018.28.005
收稿日期:2018-07-13基金项目:重庆市农业发展资金项目(NKY-2016AC013) ;重庆市农业发展资金项目(NKY-2017AB011);重庆市基础科学与前沿技术研究专项项目(cstc2016jcyjA0117)。作者简介:翟秀明(1987—),山东泰安人,硕士,助理研究员,主要从事茶树遗传育种工作, E-mail: zhaitheresa@。※为通信作者,E-mail: 617393574@
。翟秀明,唐 敏,邬秀宏,等.SCoT分子标记在茶树育种中的应用研究进展[J].南方农业,2018,12(28):18-21.
茶树由于自身自交不育和长期的异花授粉而高度杂合,其遗传背景和亲缘关系相当复杂。单纯地通过传统的形态和农艺性状相结合,已难以对数量丰富的茶树资源间的遗传多样性和亲缘关系进行准确判断,而如果在杂交育种过程中,对选配亲本的亲缘关系不了解就盲目开展杂交组配,会使育成品种的遗传距离逐步变窄,不利于保持品种的遗传多样性[1]。分子标记技术从DNA水平上直接揭示茶树种质资源的遗传多样性和亲缘关系,排除了生长环境、发育时期、组织器官等的影响,为育种工作提供更准确的指导[2]。随着人们对分子生物学技术的不断探索,在过去的40年里,已经有许多种分子标记技术开发出来,RFLP、RAPD、AFLP、SNP和SSR等,以及在以上分子标记基础上开发出来的ISSR、SCAR、CAPS、STS等[3-4],也被成功地应用于茶树遗传多样性、亲缘关系鉴定及遗传图谱构建等多个方面[5]。上述分子标记大多随机在基因组中扩增,或所检测的多态性位点多是非编码区域,因此又称为随机DNA分子标记(Random DMA Markers,RDMs)[6]。RDMs检测的位点通常与位于编码区的目标性状基因
24期 ,24 南方农业 South China Agriculture 2015年8月 Aug.2015 新疆海岛棉转基因育种的研究进展 苏豫梅 (新疆农业大学农学院,乌鲁木齐830000) 摘要通过综述国内不同转基因技术及方法在海岛棉育种上的应用,指出农杆菌介导法、回交转育法是获得 转基因新材料的最有效方法。同时,提出各类因素对海岛棉遗传转化的影响,并指出国内仍未建立起海岛棉高 效遗传转化体系,转化基因较为单一等问题。 关键词新疆;海岛棉;转基因;育种 中图分类号:¥562文献标志码:8文章编号:1 673-890X(201 5)24-252-02 如今,转基因技术已经成为了现代生物技术改 良的重要手段之一。世界上第一例转基因植物诞生于 1983年,正是这第一例转基因植物的应用拉开了转基 因改良作物的序幕,进而转基因技术迅速在各个生物 领域所使用。在棉花领域,自l987年美国Agracetus公 司通过基因工程手段首次获得了转Bt基因的抗虫棉株 以来,国内外纷纷的培育出了多种抗虫、抗除草剂等 新型性状的转基因棉花,这些准基因棉花不仅培育出 了适应性较强的新品种,同时也为世界的棉花生产起 到了一定的推动作用Ⅲ。 海岛棉纤维具有长、粗、强等特点,是我国国内 棉花的主要培育品种之一,主要种植区域为新疆。2003 年以来,随着陆地棉花转基因技术的不断发展和完善过 程,国内外迅速的将转基因技术尝试运用到海岛棉的育 种方面,因此,主要对转基因技术在海岛棉应用的方法 和途径进行梳理,并对实际的应用和研究进展进行了综 述,为进一步的改良和培育新型的海岛棉品种给予相应 的指导和建议。 1海岛棉转基因育种常用技术 1.1农杆菌介导转化法 农杆菌介导转化法是一种天然的植物遗传转化技 术,是目前转基因工程领域最为常见的一种方法,在所 有成功转化的实例中,有75%是通过此种方式实现。因 此,这种转化方式与其他的转基因方法相比较,具有十 分高的转化效率。目前,其转化机理十分的清楚,且有 研究表明通过农杆菌介导转化法能够缩短转化周期,使 遗传较为稳定。 1994年,我国新疆农业科学院核生物技术研究所 和塔里木农垦大学分别对海岛棉进行了性状变异的研 究,摸清了海岛棉胚性愈伤诱导的条件。同时,获得 了6个海岛棉品种胚性愈伤组织和转导DNA后的转基 因后代,并且在棉花茎尖多芽发生方面取得了一定进 展,建立了一种多芽发生再生体系,筛选出了诱导芽 生根的培养基,解决了海岛棉组织培养诱导过程中出 收稿日期:2015—07—20 作者简介:苏豫梅(1983-),女,河北博野人,硕士,讲师,研究方 向为棉花分子生物学。 252 现的外植体褐化问题,这种优化极大的提高了海岛棉 的转化率效率,并进一步通过体细胞胚胎发生途径获 得了海岛棉再生植株,之后研究者以新海30号和新海 1 6号的胚性愈伤组织作为转化受体,通过I代PCR及2 代RT-PCR检测证实Bt基因已经整合到了海岛棉基因组 中,获得了转基因的海岛棉植株。 1_2回交转育法 回交转育法实指通过轮回的亲本自交,能够保持 亲本的优良性状,进而添加非轮回亲本的目标性状,是 目前改良培育新品种的一种常规方法。人们利用配合力 好、表达量高的转基因抗虫棉与海岛棉进行杂交,然后 再利用海岛棉品种之间进行回交,然后对其后代进行鉴 定和强化筛选,最终获得稳定且表达量高的抗虫、抗除 草剂的海岛棉植株。 1.3花粉通道法 花粉通道法是通过植物自身的种质细胞或者受精卵 转化对象的一种常用技术,这种方式能够直接的获得转 基因的棉花种子,并且转基因过程相对简单,既省工又 省时,不需要复杂的棉花组织培养或者是诱导再生棉株 的过程,并且这种方式能够对所有的棉花受体材料进行 转化,转化速度也较快,然而这项技术受天气环境的影 响十分的大,其子一代的转化率不高,在海岛棉第一代 的转化率仅为0.3%左右。 1.4基因枪法 基因枪法又称微弹轰击法,这种方法是借助高速的 金属微粒将外部的基因导人到活体细胞之中,原理是将 要导入的DNA包裹于微小的金属颗粒表面,然后通过高 压的作用,使微小颗粒快速的进人到受体的组织以及细 胞之中,最终整合到受体的染色体之中,进而实现遗传 特性的表达,实现基因转化的过程。由于这种技术不会 受到导人基因种类的限制和受体器官的限制,所以,现 阶段应用其进行转基因过程是比较普遍的,但是这种技 术也有其本身的弊端,如成本较高,整合效率低,是所 有外援基因导入技术中性价比相对较低的方法。 2海岛棉转基因育种存在的问题 2.1 转基因技术与常规育种结合不紧密 生物技术与常规育种技术的结合是今后海岛棉育种 (下转第256页)