專利名稱:一種培育無花植物的基因表達載體的構建及其培育無花植物的基因工程方法
技術領域:
本發明屬于農業和林業生物技術植物基因工程領域。特別是一種培育無花 植物的基因表達載體的構建及其培育無花植物的基因工程方法。
背景技術:
植物在人類的生活和生存環境中發揮著極為重要的作用,但有些植物開花 結實的特卓給人類帶來了許多麻煩。如懸鈴木(法國梧桐)植株高大、樹冠濃 密,在夏季給人們帶來了蔭涼,是我國廣大城鄉十分重要的人行道樹種。但是 成年的法國梧桐大量開花、結果,果實成熟后開裂、果毛在空中飛舞,不僅污 染了環境,而且容易掉入眼睛和被吸入呼吸道,危害人們的身體健康。又如楊 樹,既是我國重要的人行道樹種,也是我國十分重要的造林速生樹種,但每年 春夏季節,楊樹開花所形成的花絮在空中漫天飛舞,同樣容易被人吸入呼吸道 和掉入人的眼睛中,危害健康。在楊樹造林地區,每年楊樹的花絮數量多,巻 成球狀或者條狀,遇火即燃,常常造成火災。又如原產東亞的觀葉園林植物一 一火焰衛矛和日本小檗,因為葉色美麗而長期受到人們的喜愛和栽培,但是它 們旺盛的開花結實能力使得它們已經在美國和加拿大的野外大量繁殖、抑制了 本地植物的生長,成為了嚴重危害當地生物多樣性的外來入侵性物種。另外, 還有一些園林植物開花時產生的花粉可以引起人們的過敏反應,造林樹種的開 花結實會消耗營養、影響木材的生長。因此,對于花、果實和種子均沒有經濟 價值的經濟植物,防止其開花結實具有重要意義。
目前對控制植物不開花結實或者少開花結實的研究很少,而且主要集中在懸 鈴木上。控制懸鈴木開花結實的主要措施有
1. 選育少果、無果品系通過對大量的實生懸鈴木進行篩選,曾得到了果 球少的懸鈴木無性系[1;利用秋水仙素化學誘變懸鈴木,也曾得到了不開花的懸 鈴木[2。
2. 修剪控果通過修剪已經可以開花的枝條、促進當年不能開花的次級枝 條的生長來控制懸鈴木的矮化結果,能有效控制懸鈴木的結果量[3"。但是修剪 控果的工作量大,并且年年都要不斷地重復操作,而且不能徹底解決問題。3.化學藥劑處理利用對植物花果有催熟脫落作用的化學藥劑(如乙烯利、 脫落酸、赤霉素、石硫合劑、碘化鉀、三氯醋酸等)在開花期間噴灑或注射于懸 鈴木上,促進花和幼果萎縮、脫落,從而達到控制懸鈴木果毛污染的目的164、使用 化學藥劑控制懸鈴木開花結果的方法存在工作量大、除花除果不徹底、容易污 染環境等缺點。
植物分子生物學和基因工程技術的發展為人們培育不育植物提供了一個快 速有效的途徑。目前,人們可以利用基因工程技術可以培育雄性不育或者雌性 不育的植物,這些植物均表現自花授粉不能結實。如Mariani等人P'^將煙草的花 藥絨氈層特異表達基因TA29啟動子與RNase基因^mo^相融合,導入煙草和油菜 基因組中,培育出了雄性不育的轉基因煙草和油菜;Colombo等[13]用矮牽牛子 房的特異啟動子FBP7控制bamase基因表達,培育出了雌性不育不結實的矮牽牛。 但是,雄性不育或者雌性不育基因工程技術培育出的植物仍然可以開花、形成 花粉,不能解決一些植物形成花絮和過敏花粉的問題;而且,雄性不育轉基因 植物雖然自花授粉不結實,但異花授粉可以結實;雌性不育轉基因植物雖然自 花授粉和異花授粉均不結實,但是它的花粉是可育的,可以傳播給同種非轉基 因植物。因此,已有的培育雄性不育和雌性不育植物基因工程技術不能徹底地 防止植物開花、結實的問題,建立一個新的、有效的防止植物開花結實的方法, 對于培育一些無花的植物品種具有重要意義。
參見
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發明內容
本發明的目的是提出構建一種可以導致植物不開花的基因表達載體,該表 達載體轉入植物細胞后,轉基因植物的花原基細胞自動死亡,因而不能形成花 器官,從而達到植物徹底不開花、不結實的目的。
本發明是這樣實現的。無花植物的基因表達載體構建步驟為
(1) 根據pCAMBIA1305.1質粒中農桿菌胭脂堿合成酶基因的終止子Tnos 序列,設計并合成2條引物,Nos-F:5'-ggggtecgatcgttcaaacatttggc-3,(下劃線 部分為Kpn I酶切位點);Nos-R: 5,-ggcttaagacactgatactttaattcccg咖3,(下劃線部 分為EcoR I酶切位點)。以pCAMBIA1305.1質粒為摸板,利用PCR技術擴增 農桿菌胭脂堿合成酶基因的終止子Tnos片段。回收Tnos片段,經過Kpn I和 EcoR I酶切后,連接到pCAMPPNN質粒上,得到pCAMPPNN-Nos質粒。 pCAMPPNN質粒由pCAMBIA1305.1質粒改造而來,原pCAMBIA1305.1質粒 上由2x35S啟動子控制的潮霉素基因表達盒被農桿菌胭脂堿合成酶基因啟動子 控制的卡那霉素基因表達盒所替代;原控制報告基因gus的35S啟動子被農桿 菌胭脂堿合成酶基因啟動子所替代(
圖1)。
(2) 根據barnase基因的序列,設計并合成2條引物,Bar-F: 5'-ctggfeatggcacaggttatcaacacg-3'(下劃線部分為Kpn I酶切位點);Bar-R: 5'-gtg{eg§ecagacctttacaaaaatcagataa-3'(下劃線部分為Sal I酶切位點)。以解淀 粉芽孢桿菌CBaa7/us fl/^/o/z々"e/acfera)基因組DNA為摸板,通過PCR擴增淀粉 芽孢桿菌核糖核酸水解酶基因barnase。回收barnase基因片段,經過Kpn I和EcoR I酶切后,連接到pCAMPPNN-Nos質粒(1 )上,得到pCAMPPNN-Bam-Nos質粒。
(3) 根據控制擬南芥C4m^Vfo/w^砍"http://朋")花原基細胞形成的/"妙基因 上游啟動子序列,設計并合成2條特異引物Lfy-F: 5,隱aggtcgacgtatataaagatcaacatgaacagg-3,(下劃線部分為Sal I酶切位點);Lfy匿R: 5,-cagtcgacatctatttttctetctctctctatc-3,(下劃線部分為Sal I酶切位點)。
(4) 以擬南芥的幼葉為材料,用CTAB法提取擬南芥基因組DNA。
(5) 以擬南芥基因組DNA為摸板,利用引物Lfy-F和Lfy-R通過PCR技 術擴增leafy基因的啟動子。
(6) 將該片段克隆到pGEM-T載體上,并轉化大腸桿菌。挑選單菌落測序。
(7) 將序列正確的啟動子用Sal I切下,并連接到pCAMPPNN-Bam-Nos 質粒上,通過酶切驗證,獲得/^#基因啟動子連接方向正確的無花植物表達載 體pCAMPPNN-P臥-Bam-Nos。
該基因表達載體結構示意見圖1。
該基因表達載體可以通過根癌農桿菌介導法、基因槍法、原生質體共培養 等方法導入植物基因組中,實現對植物的遺傳轉化。以根癌農桿菌介導法為例,
培育一種無花植物的步驟為
(1) 用凍融法將上述無花植物表達載體pCAMPP麗-Plfy-Barn-Nos導入根癌
農桿菌EHA105中,獲得基因工程菌株。該基因工程菌株于2008年10月30日 在中國典型培養物保藏中心保藏,保藏號為CCTCCN0: M20819S,簡稱基因 工程菌M208198。分類命名為根癌農桿菌3弁/ pPIfy-Barn"Nos (Agrobacterium tumefaciens 3#/ pPif「Baxn-Nos )。
該基因工程菌株菌株的菌學特性
a、 形態特性桿狀,大小為(0.6 1.0[jm)x(1.5x3.0Mm),有莢膜,單個成對 排列,不形成芽孢,在含糖培養基上產生黏性菌落。
b、 生理生化特性革蘭氏陰性、好氧,生長溫度25 28 °C,具有卡那霉 素和利福平抗性。
(2) 在YEP培養基中培養基因工程菌株,直到菌液的光密度值達到0.5-1.0。
(3) 將欲作無花培育的植物材料切成小塊,浸泡在根癌農桿菌菌液中,保 持30min。
(4) 將植物材料取出,放在無菌濾紙上,吸干菌液。
(5) 將植物材料轉移到添加有乙酰丁香酮的再生培養基上,在光照下培養2-3天。
(6) 將植物材料轉移到添加有卡那霉素(kanamycin,抗生素)和羧芐青霉 素(Carbenicillin)或特美亭(timentin,抗生素)的選擇再生培養基上,每2星 期將植物材料轉到新鮮的選擇再生培養基上,直到形成不定芽。
(7) 將不定芽切下,接種到含特美亭(timentin,抗生素)的生根培養基上, 誘導不定芽生根,形成完整植株。
(8) 再生植株經過練苗和清洗后,進行轉基因植株的鑒定(如GUS染色、 PCR、 Southern blot等),將轉基因植株移栽入土壤中,同時栽培非轉基因植株 作為對照,常規栽培和管理,到開花時選擇完全不開花的轉基因植株。
本發明所構建的培育無花植物的基因表達載體可以用于下列類型植物的遺 傳改良,培育無花的植物新品種
(1) 花和果實無觀賞價值、開花與結實會給人類帶來麻煩的園林植物,如 懸鈴木、楊樹、柳樹、火焰衛矛、日本小檗等。
(2) 花、果實和種子無經濟價值的植物,如茶樹、竹子和造林樹種(楊樹、 松樹、杉樹、按樹、白樺樹等)。這些植物以收獲葉片或者莖干為目的,開花結 籽會消耗養分,不利于提高葉片和莖干的產量和質量。
附圖及說明
圖1為本發明構建培育無花植物的基因表達載體結構示意圖。 圖2移栽70天后正常開花的非轉基因煙草圖片。
圖3移栽90天后不開花的轉基因煙草圖片,其主莖和側枝不形成花芽、不 開花。
圖4移栽55天后正常開花的非轉基因矮牽牛圖片。 圖5移栽150天后不開花的轉基因矮牽牛圖片。 圖6移栽60天后正常開花的非轉基因四季海棠圖片。 圖7移栽200天后不開花的轉基因四季海棠圖片。
在圖1中,T-DNA的左邊界;RB: T-DNA的右邊界;Pnos:農桿菌胭脂堿 合成酶基因的啟動子;NPTII:新霉素磷酸基轉移酶II基因,用于篩選轉基因植 株;Tnos:農桿菌胭脂堿合成酶基因的終止子;GUS: p-葡糖醛酸酶基因,該基 因用于檢測轉基因植株;Plfy:控制擬南芥花芽原基細胞形成的leafy基因的啟 動子;barnase:淀粉芽孢桿菌核糖核酸水解酶基因,為細胞毒14基因。
具體實施例方式
實施例l:無花煙草(M'COft'fl加to6flCW附)的培育
(1) 將上述無花植物表達載體pCAMPPNN-PIfy-Barn-Nos導入根癌農桿菌 中,獲得基因工程菌株。該基因工程菌株于2008年10月30日在中國典型培養 物保藏中心保藏,保藏號為CCTCCNO: M208198。。
(2) 在YEP培養基中、28 °0和250rpm的搖床上培養基因工程菌株 M208198,直到菌液的光密度值0.D,6oo達到0.8左右。
(3) 收集基因工程菌菌液30ml,在4。C和5000rpm的離心10min,倒出上 清液,菌體重新懸浮在液體MS培養基中,備用。
(4) 將煙草無菌苗的葉片切成小塊,放在無菌的培養皿中。
(5) 將制備好的基因工程菌菌液倒入放有煙草葉片的培養皿中,混合均勻, 浸潤30min。
(6) 將煙草葉片取出,放在無菌濾紙上,吸干菌液。
(7) 將煙草葉片轉移到添加有100nM乙酰丁香酮、2mg/LBA和0.1 mg/L NAA的MS培養基上,在光照下培養2天。光照條件光強1500-20001ux,光 照時間14h/d。
(8) 2天后,將煙草葉片從共培養基上轉移到選擇再生培養基上,在光照 下培養,每15天將葉片轉到新鮮的選擇再生培養基上,直到形成了不定芽。選 擇再生培養基為添加有2 mg/L BA、 0.1 mg/L NAA、 50 mg/L卡那霉素
(kanamycin)和100mg/L特美亭(timentin)的MS培養基;光照條件光強為 1500-20001ux,光照時間14h/d。
(9) 將長l-2cm的不定芽切下,轉移到生根培養基上,在光照下培養,直 到不定芽生根、形成完整的植株。生根培養基為添加有1 mg/L IBA、 50mg/L卡 那霉素(kanamycin)和100mg/L特美亭(timentin)的MS培養基;光照條件 光強為1500-20001ux,光照時間14h/d。
(10) 將生根的植株從三角瓶中取出,洗去瓊脂,用GUS染色法檢測報告 基因g^的表達情況選出轉基因植株,并移栽到土壤中,在溫室中栽培,常規管 理。
(11) 轉基因植株移栽后,其形態和生長速度與非轉基因植株沒有明顯差 異。10株非轉基因煙草植株在移栽后65-75天出現花蕾、隨后開花、結果(圖2)。 在25株轉基因煙草植株中,有20株在移栽后68-87天出現花蕾、隨后開花;另 外有5株的主莖和側枝則一直沒有形成花蕾,因而不開花(圖3)。移栽2年后無花的特性保持不變。
(12)將無花的轉基因植株長出的側枝進行扦插,所繁殖的植株也均不開 花,說明轉基因植株無花性狀表現穩定。
實施例2無花矮牽牛(/^mm'a/ij^^")的培育
(1) 在YEP培養基中、28 。C和250rpm的搖床上培養基因工程菌株 M208198,直到菌液的光密度值0.a6oo達到0.8左右。
(2) 收集基因工程菌菌液30ml,在4。C和5000rpm的離心10min,倒出上 清液,菌體重新懸浮在液體MS培養基中,備用。
(3) 將矮牽牛無菌組培苗的葉片切成小塊,放在無菌的培養皿中。
(4) 將制備好的基因工程菌菌液倒入放有矮牽牛葉片的培養皿中,混合均 勻,浸潤30min。
(5) 將矮牽牛葉片取出,放在無菌濾紙上,吸干菌液。
(6) 將矮牽牛葉片轉移到添加有100nM乙酰丁香酮、2 mg/L BA和0.5 mg/L NAA的MS培養基上,在光照下培養3天。光照條件光強1500-20001ux,光 照時間14h/d。
(7) 3天后,將矮牽牛葉片從共培養基上轉移到選擇再生培養基上,在光 照下培養,每15天將葉片轉到新鮮的選擇再生培養基上,直到形成不定芽。選 擇再生培養基為添加有2 mg/L BA、 0.2 mg/L NAA、 50 mg/L卡那霉素
(kanamycin)和100mg/L特美亭(timentin)的MS培養基;光照條件光強 1500-20001ux,光照時間14h/d。
(8) 將長約lcm的不定芽切下,轉移到生根培養基上,在光照下培養,直 到不定芽生根、形成完整的植株。生根培養基為添加有lmg/LIBA、 50mg/L卡 那霉素(kanamycin)和100mg/L特美亭(timentin)的MS培養基;光照條件 光強為1500-20001ux,光照時間14h/d。
(9) 將生根的植株從三角瓶中取出,洗去瓊脂,通過檢測報告基因GUS 的表達情況,選出轉基因植株,移栽到土壤中,在溫室中栽培,常規管理。
(10) 轉基因植株移栽后,其形態和生長速度與非轉基因植株沒有明顯差 異。10株非轉基因植株在移栽后43-50內出現花蕾,隨后開花(圖4)。在32 株轉基因植株中,有25株在移栽后40-58天形成了花蕾,并陸續開花,但有7 株的主莖和側枝在栽培后一直沒有形成花蕾,完全不開花(圖5),移栽6個月 后無花的特性保持不變。
(11) 將無花的轉基因植株長出的側枝進行扦插,所繁殖的植株也均不開花,說明轉基因植株無花性狀表現穩定。
實施例3無花四季海棠(5egom'asem/ e^/wera )的培育
(1) 在YEP培養基中、28 'C和250rpm的搖床上培養基因工程菌株 M208198,直到菌液的光密度值0.0.600達到0.8左右。
(2) 收集基因工程菌菌液30ml,在4。C和5000rpm的離心10min,倒出上 清液,菌體重新懸浮在液體MS培養基中,備用。
(3) 將四季海棠無菌組培苗的葉片切成小塊,放在無菌的培養皿中。
(4) 將制備好的基因工程菌菌液倒入放有四季海棠葉片的培養皿中,混合 均勻,保持30min。
(5) 將四季海棠葉片取出,放在無菌濾紙上,吸干菌液。
(6) 將四季海棠牛葉片轉移到添加有100nM乙酰丁香酮、1 mg/L BA和 0.2mg/L NAA的MS培養基上,在光照下培養3天。光照條件:光強1500-20001ux, 光照時間14h/d。
(7) 3天后,將四季海棠葉片從共培養基上轉移到選擇再生培養基上,在 光照下培養,每15天將葉片轉到新鮮的選擇再生培養基上,直到形成不定芽。 選擇再生培養基為添加有1 mg/L BA、 0.2 mg/L NAA、 50 mg/L卡那霉素
(kanamycin)和100mg/L特美亭(timentin)的MS培養基;光照條件光強 1500-20001ux,光照時間14h/d。
(8) 將長l-2cm的不定芽切下,轉移到生根培養基上,在光照下培養,直 到不定芽生根、形成完整的植株。生根培養基為添加有lmg/LIBA、 50mg/L卡 那霉素(kanamycin)和100mg/L特美亭(timentin)的MS培養基;光照條件 光強為1500-20001ux,光照時間14h/d。
(9) 將生根的植株從三角瓶中取出,洗去瓊脂,通過檢測報告基因GUS 的表達情況,選出轉基因植株,移栽到土壤中,在溫室中栽培,常規管理。
(10) 在移栽過程中轉基因的四季海棠植株的形態和生長速度與非轉基因 的四季海棠植株無明顯差異。10株非轉基因植株在移栽后40-49天出現花蕾, 隨后開花(圖6)。在23株轉基因植株中,有19株在移栽后38-55天形成了花 蕾,并陸續開花;有4株的主莖和側枝在栽培后一直沒有形成花蕾,表現為完 全不開花(圖7),移栽10個月后無花的特性保持不變。
(11) 將無花的轉基因植株長出的側枝進行扦插,所繁殖的植株也均不開 花,說明轉基因植株無花性狀表現穩定。
權利要求
1、一種培育無花植物的基因表達載體,其特征在于構建步驟為(1)根據pCAMBIA1305.1質粒中農桿菌胭脂堿合成酶基因的終止子Tnos序列,設計并合成2條引物Nos-F5’-ggggtacccgatcgttcaaacatttggc-3’,Nos-R5’-ggcttaagacactgatactttaattcccg-3’;以pCAMBIA1305.1質粒為摸板,利用PCR技術擴增農桿菌胭脂堿合成酶基因的終止子Tnos片段,回收Tnos片段,經過Kpn I和EcoR I酶切后,連接到pCAMPPNN質粒上,得到pCAMPPNN-Nos質粒,pCAMPPNN質粒由pCAMBIA1305.1質粒改造而來原pCAMBIA1305.1質粒上由2x35S啟動子控制的潮霉素基因表達盒被農桿菌胭脂堿合成酶基因啟動子控制的卡那霉素基因表達盒所替代;原控制報告基因gus的35S啟動子被農桿菌胭脂堿合成酶基因啟動子所替代;(2)根據barnase基因的序列,設計并合成2條引物Bar-F5’-ctggtaccatggcacaggttatcaacacg-3’,Bar-R5’-gtgtcgaccagacctttacaaaaatcagataa-3’;以解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens)基因組DNA為摸板,通過PCR擴增淀粉芽孢桿菌核糖核酸水解酶基因barnase,回收barnase基因片段,經過KpnI和EcoR I酶切后,連接到pCAMBIA-Nos質粒(1)上,得到pCAMPPNN-Barn-Nos質粒;(3)根據控制擬南芥花原基細胞形成的leafy基因上游啟動子序列,設計并合成2條特異引物Lfy-F5’-aggtcgacgtatataaagatcaacatgaacagg-3’,Lfy-R5’-cagtcgacatctatttttctctctctctctatc-3’;(4)以擬南芥(Arabidopsis thaliana)的幼葉為材料,用CTAB法提取擬南芥基因組DNA;(5)以擬南芥基因組DNA為摸板,利用引物Lfy-F和Lfy-R通過PCR技術擴增leafy基因的啟動子;(6)將該片段克隆到pGEM-T載體上,并轉化大腸桿菌。挑選單菌落測序;(7)將序列正確的啟動子用Sal I切下,并連接到pCAMPPNN-Barn-Nos質粒上,通過酶切驗證,獲得leafy基因啟動子連接方向正確的無花植物表達載體pCAMPPNN-Plfy-Barn-Nos。
2、 一種培育無花植物的基因工程方法,其特征在于是將所述的無花植物表達載體pCAMPPNN-Plfy-Bam-Nos通過根癌農桿菌介導法,或者是基因槍法, 或者是原生質體共培養的方法導入植物基因組中,實現對植物的遺傳轉化。
3、 一種培育無花植物的基因工程方法,其特征在于步驟為(1) 將無花植物表達載體pCAMPPNN-Plfy-Bam-Nos導入根癌農桿菌中, 獲得基因工程菌株,該基因工程菌株保藏號為CCTCCNO: M208198;(2) 在YEP培養基中培養基因工程菌株,直到菌液的光密度值0.0.600達 到0.5-1.0;(3) 將欲作無花培育的植物材料(子葉、胚軸心、葉片、莖段、愈傷組織 等)切成小塊,浸泡在根癌農桿菌菌液中,保持30min;(4) 將植物材料取出,放在無菌濾紙上,吸干菌液;(5) 將植物材料轉移到添加有乙酰丁香酮的再生培養基上,在光照下培養 2-3天;(6) 將植物材料轉移到添加有卡那霉素,或潮霉素和羧芐青霉素,或特美 亭等抗生素的選擇再生培養基上,每2星期將植物材料轉到新鮮的選擇再生培 養基上,直到形成不定芽;(7) 將不定芽切下,接種到含特美亭抗生素的生根培養基上,誘導不定芽 生根,形成完整植株;(8) 再生植株經過練苗和清洗后,進行轉基因植株的鑒定(如GUS染色、 PCR等),將轉基因植株移栽入土壤中,同時栽培非轉基因植株作為對照,常規 栽培和管理,到開花時選擇完全不開花的轉基因植株。
全文摘要
本發明提出了一種可以導致植物不開花的基因表達載體的構建方法及其培育無花植物的轉基因方法。利用擬南芥控制花芽原基細胞形成的leafy基因上游啟動子序列和淀粉芽孢桿菌核糖核酸水解酶基因barnase構建了一個培育無花植物的基因表達載體;將該表達載體轉入植物細胞后,轉基因植株花原基細胞自動死亡,因而不能形成花器官、植株徹底不開花、不結實。本發明所構建的培育無花植物的基因表達載體效果好、性能穩定。可以用于改良花和果實無觀賞價值、開花結實會給人們帶來麻煩的園林植物,也可以用于改良花、果實和種子無經濟價值的植物,培育不開花、不結實的植物品種。
文檔編號C12N15/55GK101575610SQ20081019753
公開日2009年11月11日 申請日期2008年11月5日 優先權日2008年11月5日
發明者東 葉, 楊之帆, 陳永勤 申請人:湖北大學