自从1953年Watson和Crick发现DNA双螺旋结构以来, 以DNA重组技术为基础的转基因技术迅速发展, 不可避免地对人们的日常生活产生了巨大的影响。该文回顾了植物转基因技术的发展历程和现状, 重点介绍了基因定点突变技术ZFN和TALEN, 以期帮助读者全面快速地了解这一令人充满期待的新的转基因技术。

转基因生物技术是一项全新的育种技术, 也是当前国际上进展最快、竞争最激烈的研究领域之一。自20世纪90年代生物技术育种诞生以来, 转基因作物的商品化应用及由此引发的一系列问题就引起公众的广泛关注。该文就世界上转基因生物技术育种及产业化现状、几个主要转基因作物安全性案例及最终结果, 以及如何科学推进我国转基因作物的产业化等提出了自己的思考, 以期帮助公众科学地理解和面对转基因生物技术所带来的育种技术上的革命。

AP2/EREBP家族的转录因子在调控植物生长发育和应答环境胁迫方面具有重要作用。利用同源克隆结合RACE(rapid-amplification of cDNA ends)技术, 从四合木(Tetraena mongolica)中克隆了AP2/EREBP家族的基因, 将其命名为TmAP2-1(GenBank登录号: JQ676996)。序列分析结果表明, 该基因的开放阅读框长度为1 452 bp, 编码483个氨基酸; 比对结果显示TmAP2-1有2个AP2/ERF结构域, 属于AP2/EREBP转录因子家族的AP2亚家族。亚细胞定位实验结果表明, TmAP2-1定位在细胞核中。该基因编码的蛋白在酵母中没有转录激活活性。利用Real-time PCR检测发现该基因在根、茎、叶等器官中均表达, 且在叶中表达量最高。此外, TmAP2-1还受到NaCl、低温、PEG和ABA的强烈诱导, 推测TmAP2-1可能参与四合木的逆境胁迫响应。在四合木愈伤组织中过表达该基因能够降低四合木愈伤组织中油脂的含量, 同时提高可溶性糖的含量, 暗示该基因可能通过影响糖代谢过程参与逆境胁迫响应。

WTF1 (What’s this factor 1)是包含“Domain of Unknown Function 860”(DUF860)的一类蛋白, 特异定位于植物细胞叶绿体或线粒体中, 在内含子的剪切中发挥作用。在研究小麦(Triticum aestivum)热胁迫转录谱时发现一个包含该结构域的探针受高温诱导表达。通过对其所编码的基因TaWTF1进行克隆并详细分析, 发现该基因的启动子区包含HSE、干旱、GA及SA等胁迫和激素响应元件, 且该基因在苗期和开花期均受热胁迫诱导表达。在开花期, TaWTF1在普通叶中的表达显著高于包括旗叶在内的其它组织器官。进一步将该基因在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中超表达, 显著提高了转基因植株在热胁迫下的成活率, 说明TaWTF1参与了植物耐热性。该研究为解析植物耐热性分子机理开辟了新的领域, 并为作物耐热性分子育种提供了候选基因。

对250份国外甜瓜(Cucumis melo)种质资源的19个形态性状多样性进行研究。结果表明, 国外甜瓜种质资源具有丰富的形态多样性, 平均遗传多样性指数为1.378。9个质量性状(果实形状、果皮底色、覆纹颜色、覆纹形状、网纹密度、网纹粗度、果肉颜色、果肉质地和种子颜色)和4个数量性状(单果鲜重、果肉厚度、可溶性固形物含量和种子千粒重)变异明显, 其Shannon’s指数分别大于1.0和1.9。不同生态区间种质资源遗传多样性差异明显, 多样性指数由高到低依次为: 南亚(1.512)、东北欧(1.404)、西欧(1.372)、北美(1.340)和东亚(1.281)。通过聚类分析将所有甜瓜种质划分为四大组群, 即南亚组群、东北欧组群、西欧北美组群和东亚北美组群。以印度为代表的南亚甜瓜种质形态多样性水平较高, 支持了印度次生大陆为甜瓜起源中心的观点。

以哥伦比亚生态型(Columbia-0)拟南芥(Arabidopsis thaliana)为实验材料, 人工模拟UV-B辐照处理拟南芥种子, 统计其发芽势和发芽率, 测定根长、株高、叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白以及丙二醛(MDA)含量, 研究UV-B辐照处理对拟南芥种子萌发和幼苗生长的影响。研究结果表明, 低剂量的UV-B辐照可以促进拟南芥种子萌发和幼苗生长, 并且最佳辐照剂量为1.0 kJ·m^–2(P<0.05), 此时的发芽势、发芽率、根长、株高、叶绿素、可溶性糖及可溶性蛋白的含量均达到最大, 而丙二醛的含量变化则不明显(P>0.05)。当辐照剂量大于1.0 kJ·m^–2时, 促进作用逐渐变小, 并且随着辐照剂量的增加, 表现出了抑制作用。实验结果表明, 适当剂量的UV-B辐照在一定程度上可以促进拟南芥种子萌发和幼苗生长, 而过高剂量的辐照则对其产生抑制或损伤作用。

以草甘膦抗性基因Epsps为标记基因, 在原核Kan^r基因两侧引入Cre(环化重组酶)基因识别的Lox-P位点, 同时以编码花青素合成转录因子的Bi和Cl基因为可视化选择报告基因, 构建了Bt杀虫蛋白基因Cry1Ab/c的可视化跟踪表达载体pBAC9017。用PDS1000/He基因枪转化玉米(Zea mays)自交系501的幼胚和胚性愈伤组织, 获得147个草甘膦抗性的玉米再生植株。其中106棵植株获得了结实种子, 16棵植株的结实种子有紫红色花青素基因的表达。经PCR检测表明, 外源Cry1Ab/c基因已经整合到玉米的基因组中。转基因植株种子蛋白粗提物用BT-Cry1Ab/1Ac金标免疫检测试纸条和ELISA检测, 结果表明, Cry1Ab/c在部分转基因植株后代中表达。

利用一种基于近红外漫反射光谱技术的淫羊藿总黄酮快速定量分析方法, 测定了淫羊藿属(Epimedium)7个种中总黄酮的含量。研究结果表明, 近红外光谱经二阶导数处理、主成分分析聚类及加权多元离散校正处理后, 采用改进最小二乘法回归得到的定标模型的预测效果最佳; 定标样品集预测方程的定标决定系数、交互验证标准差及交互验证相关系数分别为0.985 5、0.023 0和0.044 3; 检验样品集方程的定标决定系数、检验标准差及偏差分别为0.965 1、0.018和0.006, 达到了快速测定淫羊藿总黄酮含量的要求。该方法为淫羊藿总黄酮的快速定量分析提供了新的依据。

植物组织中含有大量多糖、多酚、酯类等次生代谢产物, 要从中提取高质量的DNA比较困难。针对这一情况, 该文提出一种改良CTAB植物DNA提取方法(mCTAB), 并以10种常见植物为实验材料, 与4种常用的植物DNA提取试剂盒作对比。结果表明, mCTAB法提取的DNA产率高且质量好, PCR扩增成功率也较高, 而提取成本显著低于DNA提取试剂盒, 可有效用于植物DNA条形码等研究的植物DNA提取。

以南瓜(Cucurbita moschata)品种试验1号为材料, 以未受精胚珠为外植体, 研究了激素种类、外植体发育时期、高温预处理时间和AgNO₃浓度对胚状体诱导的影响。结果表明, 2,4-D、NAA和6-BA组合有利于胚状体的形成, 出胚效果最好的培养基为MS+1.0 mg·L^–12,4-D+0.25 mg·L^–1NAA+0.5 mg·L^–16-BA, 出胚率达31.1%; 雌花开放当天的胚珠出胚率最高(26.7%), 且愈伤组织形成频率低(<5%); 外植体在黑暗、高温(35°C)条件下处理5天有利于胚状体的形成, 出胚率为32.2%。培养基中添加AgNO₃对胚状体形成的抑制作用明显。胚状体转移至成苗培养基后可形成正常小苗, 出苗率最高可达64.3%, 植株再生过程经历了典型的胚胎发育途径。细胞学观察结果表明, 胚状体极有可能起源于胚囊珠孔端的细胞, 即卵细胞或助细胞。

以巨桉(Eucalyptus grandis)无性系Eg5叶片为外植体, 探讨了农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)侵染时间、共培养pH值和共培养时间对瞬时转化效率的影响, 分析了不同筛选策略对遗传转化植株筛选效果的影响。结果表明, 外植体侵染45分钟, 共培养pH值为5.8, 共培养3天所得到的瞬时转化效率最高; 逐步提高卡那霉素(Km)浓度筛选转基因植株有效, 筛选率达到15%, 转化率达到0.26%。经过GUS染色分析和PCR检测, 证实为转基因植株。

在酵母、真菌、动物和植物等真核生物中, 以myo-肌醇为基石通过不同位点的磷酸化形成各种myo-肌醇-多磷酸及其衍生物。过去10年的研究发现这些肌醇多磷酸参与了膜脂定向转运、蛋白结构稳定、离子通道调控、RNA转运以及DNA修复和染色质重塑等细胞生物学的基本进程。近些年在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)的研究中, 许多调控植物生长发育和环境胁迫应答的重要基因被发现, 并证实这些基因参与myo-肌醇-多磷酸的合成与代谢。该文概述了拟南芥中myo-肌醇-多磷酸合成与代谢的基因调控机理, 综述了不同肌醇多磷酸作为信号分子的功能, 提出肌醇多磷酸如同一类信息代码传递着植物细胞有序进程的基本指令。

SPL(SQUAMOSA promoter-binding protein-like)是一类植物特有的转录因子, 在调控植物胚胎发育、间隔期长度、叶片发育、发育阶段转变、花和果实发育、育性、顶端优势、花青素积累、赤霉素响应、光信号转导及体内铜离子稳态平衡等方面发挥重要作用。SPL含有一个由80个氨基酸残基组成的高度保守的SBP结构域, 以此同下游靶基因启动子区域结合, 调控靶基因的表达。大多数SPL均具有miR156/157识别位点, miR156/157可以通过mRNA剪切或翻译抑制来调控SPL的表达。该文重点综述了植物SPL基因的结构、表达调控及生物学功能, 并对其研究前景进行了展望。