根癌农杆菌介导的小麦成熟胚遗传转化研究
摘要:以小麦栽培品种郑麦9023成熟胚半胚愈伤组织作为受体材料,通过农杆菌菌株GV3101将目的基因导入受体材料并对转化过程进行了优化。考查了MS培养基中NH4NO3浓度对组织培养的影响,以及高渗处理对转化过程的作用。结果显示,2.5倍的NH4NO3浓度可明显提高愈伤组织再生率,高渗处理对愈伤组织再生率的提高也有帮助。经抗性筛选和PCR鉴定,共得到了4株转基因小麦植株,平均转化效率为 0.18%。
关键词:小麦;成熟胚;农杆菌;转化
中图分类号:S512.1文献标识码:A文章编号:0439-8114(2011)17-3637-03
Agrobacterium-mediated Transformation of Wheat Mature Embryo Tissues
LI Yan-chuan
(School of Life Sciences and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan430070, China)
Abstract: Agrobacterium-mediated transformation was conducted by Agrobacteroum strain GV3101 using explants derived from wheat mature embryos of Zhengmai 9023 as receptor; and the transformation process was optimized. The effect of NH4NO3 concentration and osmotic treatment was studied. The result showed that 2.5 times of NH4NO3 concentration in callus induction medium and osmotic treatment could increase the regeneration rate of callus. According to the resistance identification and PCR identification, 4 transgenic wheat plants were obtained with the average transformation efficiency of 0.18%.
Key words: wheat; mature embryo; Agrobacterium; transformation
1997年,Cheng等[1]首次用农杆菌介导法获得可育的转基因小麦植株。几年后,夏光敏等[2]、叶兴国等[3]也分别报道利用农杆菌法获得了转基因小麦植株。随后越来越多的研究机构对农杆菌介导的小麦遗传转化方法作了更加细致与深入的研究[4-8],使得该方法的转化效率不断提高。但上述报道大多用小麦幼胚及其诱导产生的愈伤组织作为转化受体,虽然小麦幼胚再生能力强,但取材在时间和空间上受到很大限制,适宜转化的生理状态难以掌握,转化周期也比较长。相比幼胚,成熟胚取材方便,生理状态一致,不受生长季节限制,是组织培养和遗传转化理想的外植体。本研究以小麦成熟胚诱导的愈伤组织为转化受体,在已有研究基础上[9-11]选择根癌农杆菌介导小麦遗传转化的几个重要影响因素,进行比较与优化,旨在为进一步建立和优化根癌农杆菌介导的小麦成熟胚遗传转化体系奠定基础。
1材料与方法
1.1试验材料
小麦品种郑麦9023以及质粒 pTRAkc-BAR-UT-Rs-D2和根癌农杆菌(Agrobacteium tumefaciens)GV3101均由华中农业大学麦类分子生物学实验室提供。
1.2试验方法
1.2.1培养基诱导培养基含MS基本培养基[12]、肌醇100 mg/L、天门冬氨酸 134 mg/L、脯氨酸115 mg/L、MES 1.95 g/L、2,4-D 2 mg/L、麦芽糖40 g/L、植物凝胶5 g/L;同时设计了3种NH4NO3浓度修饰的诱导培养基(表1)。浸染培养基、分化筛选培养基、生根筛选培养基及生根壮苗培养基等参照文献配制[9,13]。
1.2.2种子表面消毒及预处理选取成熟饱满、颜色和大小相对一致的小麦成熟种子,用70%的乙醇浸泡5 min,无菌水冲洗2~3次,再经0.1% HgCl2浸泡15 min,无菌水冲洗6~8次后,置于含8 mg/L 2,4-D溶液的无菌三角瓶中33 ℃浸泡5 h。预处理后的种子用70%的乙醇浸泡1 min,无菌水冲洗2~3次,再经0.1%的HgCl2浸泡5 min,无菌水冲洗3~4次。
1.2.3愈伤组织的诱导用左手拿镊子夹住已浸泡过的成熟种子无胚的一端,右手拿手术刀将成熟胚纵切成两半后,将胚剥出,切面向下放置于诱导培养基上,(25±1)℃暗培养14 d。
1.2.4农杆菌接种菌液的准备挑取含目的质粒的农杆菌GV3101单菌落于10 mL含25 mg/L kan、100 mg/L rif和100 mg/L cab的YEB培养基中,28 ℃、220 r/min暗培养过夜。吸取1 mL培养物转入50 mL含25 mg/L kan、100 mg/L rif和100 mg/L cab的YEB培养基中,28 ℃、220 r/min继续暗培养至OD600nm=0.8~1.0。将菌液转至无菌离心管中,
4 500 r/min离心10 min;菌体沉淀用液体浸染培养基洗涤一次后,用液体浸染培养基重悬,使重悬菌液OD600nm=1.0。重悬菌液中加入终浓度为200 μmol/L的AS、0.015%的Silwet L-77,用于侵染小麦外植体。
1.2.5农杆菌介导转化转化前先将愈伤组织放入6孔培养板中室温下黑暗条件高渗处理2~4 h(对照不处理),然后吸出高渗培养液用重悬好的菌液室温下浸染20 min,再用液体共培养培养基洗2 次(每次5 min),取出愈伤组织,在无菌滤纸上吸去多余菌液,放置于含400 μL液体共培养培养基的无菌培养皿中内置灭菌Whatman No.1滤纸上,21 ℃黑暗共培养48 h。
1.2.6转化受体的筛选共培养后的转化受体转至恢复培养基,恢复培养1~2周再转入再生培养基,培养2~4周。待芽苗长至3 cm左右,将其转入生根筛选培养基,最后将得到的抗性苗进行壮苗培养。
1.2.7PCR检测基因组DNA提取采用CTAB法。设计PCR引物检测目的基因是否转入成功,引物序列为UbiP5:5′-CATCTCTGTATATGCATCAG-3′;UbiP6:5′-CGGTAGTTCTACTTCTGTTC-3′,由上海生工生物工程技术服务有限公司合成,目标片段大小为495 bp。反应体系为:10×PCR Buffer 2.5 μL,25 mmol/L MgCl2 1.5 μL,1.25 mmol/L dNTPs 2 μL,10 μmol/L 引物各0.5 μL,5 U/μL Taq酶0.5 μL,模板 DNA 20~50 ng,补超纯水至总体积25 μL。PCR反应条件为:95 ℃预变性4 min;94 ℃变性1 min,58 ℃退火1 min,72 ℃延伸1 min,36个循环;72 ℃延伸10 min,4 ℃保存。PCR产物采用1.2%琼脂糖进行凝胶电泳检测,凝胶成像系统照相。
2结果与分析
2.1NH4NO3浓度对农杆菌介导的小麦成熟胚遗传转化的影响
培养基中加入不同浓度的NH4NO3,对小麦成熟胚组织的再生有明显的影响(表2)。含2.5倍NH4NO3时再生率和抗性苗数明显高于其他浓度。但随着NH4NO3浓度的继续增加,愈伤组织的诱导变得困难且生长缓慢,可能是由于NH4NO3浓度过高会导致植物细胞内外渗透压的变化,对其生长产生不利影响。
2.2高渗处理对郑麦9023成熟胚再生的影响
愈伤组织的高渗处理能提高郑麦9023的再生率(图1),其机理可能是高渗处理造成愈伤组织的渗透胁迫,从而启动内在调节系统,提高愈伤组织活力。另外,高渗处理后细胞内外形成压力差,细胞发生质壁分离,液泡变小,此时再与农杆菌混合,能有效地促使农杆菌吸附在细胞表面,并借助此压差更易转入到愈伤组织细胞内,从而提高转化效率。
2.3抗性植株的再生和转基因植株的获得
预培养14 d的郑麦9023成熟胚愈伤组织(图2B)经农杆菌感染后转到恢复培养基上,以促进侵染细胞的生长。再转入再生培养基,培养2~4周。待芽苗长至3 cm左右(图2C),将其转入生根筛选培养基(图2D),期间大部分幼苗不能生根,最终变黄枯死(图2E),最后将得到的4株抗性苗进行壮苗培养,春化后移入温室(图2F)。
2.4转基因植株的PCR检测结果
提取4株转化植株的基因组DNA进行PCR扩增,结果如图3。从图3可以看出在3、4、5、6泳道中都有大小约500 bp的特异性片断,而阴性对照没有扩增产物,证明在转化植株中有目的基因的插入,平均转化效率为0.18%。
3讨论
以小麦成熟胚为外植体进行组织培养的报道已不少,农杆菌介导的小麦遗传转化也有很多研究,但以成熟胚为转化受体的报道很少。本研究根据已有文献的研究基础和华中农业大学麦类分子生物学实验室的实际情况,以Yu等[9]的组织培养再生程序为基础,采用成熟胚纵切的培养方式,并参考了已报道的转化程序[10-14],采用预培养14 d经高渗处理后的愈伤组织为受体,用含200 μmol/L AS、0.015% Silwet L-77的浸染培养液培养3 h,干燥共培养3 d,经筛选鉴定得到了4株转基因小麦植株,初步建立了可用于小麦成熟胚的根癌农杆菌转化系统。
同源重组被认为是目的基因整合进植物基因组的主要方式之一,NH4NO3作为一种大量元素能提高同源重组的频率,所以在较高浓度的NH4NO3条件下外植体可能具有更高的转基因整合效率。Boyko等[15]对农杆菌介导的烟草转化研究发现通过增加培养基中NH4NO3的浓度,转化效率比对照提高了3倍。小麦的基因枪转化研究中也发现高浓度的NH4NO3不仅可以使转化效率增加7倍,而且胚性愈伤组织的发生效率也增加了2倍[16]。本实验的结果也证明2.5倍的NH4NO3浓度对农杆菌介导的小麦成熟胚遗传转化过程中愈伤组织的再生率、抗性苗数目的提高均有帮助。
在侵染过程中,运用高渗处理被认为可以提高转化效率,这可能是由于高渗处理后细胞内外形成压力差,细胞发生质壁分离,液泡变小,此时再与农杆菌混合,能有效地促使农杆菌吸附在细胞表面,并借助此压差更易转入到愈伤组织细胞内[17]。另外本研究发现高渗处理可以提高抗性愈伤的再生率,可能是由于成熟胚诱导的愈伤组织分化能力比较差,经高渗处理后,产生胁迫应答,使部分愈伤组织重呈胚性状态,从而明显地提高抗性愈伤的比率。以上研究结果对于进一步开展以小麦成熟胚为外植体源的遗传转化研究具有参考意义。
参考文献:
[1] CHENG M, FRY J E, PANG S, et al. Genetic transformation of wheat mediated by Agrobacterium tumefaciens[J]. Plant Physiology,1997,115(3):971-980.
[2] 夏光敏,李忠谊. 根癌农杆菌介导的小麦转基因植株再生[J]. 植物生理学报,1999,25(1):22-28.
[3] 叶兴国,SATO S,徐惠君,等. 小麦农杆菌介导转基因植株的稳定获得和检测[J]. 中国农业科学,2001,34(5):469-474.
[4] 王翠亭,卫志明. 根癌农杆菌介导小麦幼胚遗传转化的影响因素[J]. 植物生理与分子生物学学报,2003,29(6):521-529.
[5] 王永勤,肖兴国,张爱民. 农杆菌介导的小麦遗传转化的几个影响因素的研究[J]. 遗传学报,2002,29(3):260-265.
[6] WU H,SPARKS C,AMOAH B, et al. Factors influencing successful Agrobacterium-mediated genetic transformation of wheat[J]. Plant Cell Reports,2003,21(7):659-668.
[7] KHANNA H,DAGGARD G. Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation of wheat using a superbinary vector and a polyamine-supplemented regeneration medium[J]. Plant Cell Reports, 2003,21(5):429-436.
[8] HE Y, JONES H D, CHEN S, et al. Agrobacterium-mediated transformation of durum wheat (Triticum turgidum L. Var. Durum cv stewart) with improved efficiency[J]. Journal of Experimental Botany61(6): 1567.
[9] YU Y, WANG J, ZHU M L, et al. Optimization of mature embryo-based high frequency callus induction and plant regeneration from elite wheat cultivars grown in China[J]. Plant Breeding, 2008, 127(3): 249-255.
[10] DING L, LI S, GAO J, et al. Optimization of Agrobacterium-mediated transformation conditions in mature embryos of elite wheat[J]. Molecular Biology Reports,2009,36(1):29-36.
[11] WANG Y L, XU M X, YIN G X, et al. Transgenic wheat plants derived from Agrobacterium-mediated transformation of mature embryo tissues[J]. CEREAL RESEARCH COMMUNICATIONS,2009,37(1):1-12.
[12] MURASHIGE T, SKOOG F. A revised medium for rapid growt hand bioassays with tobacco tissue cultures[J].Plant Physiology,1962,15:473-497
[13] WU H, DOHERTY A, JONES H D. Agrobacterium-mediated transformation of bread and durum wheat using freshly isolated immature embryos[J]. Methods in Molecular Biology,2009, 478(2):93-103.
[14] GOETZ H, CHRISTINE K, SYLWIA O, et al. Agrobacterium-mediated gene transfer to cereal crop plants: Current protocols for barley, wheat, triticale, and maize[J]. International Journal of Plant Genomics,2009,2009:1-9.
[15] BOYKO A, MATSUOKA A, KOVALCHUK I. High frequency Agrobacterium tumefaciens-mediated plant transformation induced by ammonium nitrate[J]. Plant Cell Reports,2009, 28(5):737-757.
[16] GREER M S, KOVALCHUK I,EUDES F. Ammonium nitrate improves direct somatic embryogenesis and biolistic transformation of Triticum aestivum[J]. New Biotechnology,2009,26(1-2): 44-52.
[17] 任艳,黄玉杰,张新建,等. 高渗处理对根癌农杆菌介导转化平菇菌丝体的影响[J]. 食用菌学报,2010,17(1):6-13.