蘇振華,張俊華,張澤鑫,李妹芳,郭尚敬,曹雪松,冀蘆沙,3*
(1.聊城大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,山東 聊城 252000;2.聊城大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,山東 聊城 252000;3.聊城大學(xué) 藥學(xué)院,山東 聊城 252000)
隨著生命科學(xué)的蓬勃發(fā)展,分子生物學(xué)和基因工程也取得了長足的進步。根癌農(nóng)桿菌(Agrobacteriumtumefaciens)介導(dǎo)的外源基因轉(zhuǎn)化方法[1],由于其可導(dǎo)入大片段DNA且導(dǎo)入基因拷貝數(shù)低,高轉(zhuǎn)化率且表達效果好,引起了人們的極大關(guān)注[2];同時由于其對儀器和操作技術(shù)要求較低,被廣泛應(yīng)用于植物基因工程中,用于研究未知基因功能、各種基因調(diào)控原件的機理等。目前,已知的80%的轉(zhuǎn)基因植物是通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)完成的[3-4]。目前番茄、煙草、馬鈴薯等多數(shù)作物的轉(zhuǎn)基因技術(shù)已日趨完善[5-7],實用化程度不斷提高,而甜椒的遺傳轉(zhuǎn)化還不是十分完善,其轉(zhuǎn)化效率較低,且由于其遺傳背景較為狹窄,存在著較強的基因型依賴性,極大地限制了甜椒基因工程遺傳改良的步伐和辣椒功能基因組學(xué)研究。因此,本實驗通過研究不同因子對甜椒轉(zhuǎn)化效率的影響,優(yōu)化了甜椒遺傳轉(zhuǎn)化體系,旨在建立高效快速的農(nóng)桿菌介導(dǎo)的甜椒遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)體系,為甜椒進一步的分子生物學(xué)和基因工程研究提供較好的技術(shù)支撐。
1.1.1 甜椒品種 低溫滲透系甜椒CL122,由聊城大學(xué)植物分子生物學(xué)實驗室根據(jù)野生甜椒CA157與栽培甜椒CA52篩選育成。
1.1.2 根癌農(nóng)桿菌菌株與載體 根癌農(nóng)桿菌GV 3101(KanR):攜帶植物表達載體pCAMBIA-1301-GFP(抗性標(biāo)記為抗卡那霉素)。
1.1.3 培養(yǎng)基 農(nóng)桿菌培養(yǎng)基:液/固體LB培養(yǎng)基+Kan 100 mg/L+Rif 50 mg/L;組織培養(yǎng)培養(yǎng)基:基本培養(yǎng)基MS、1/2MS。
1.2.1 基本培養(yǎng)條件 培養(yǎng)溫度:(25±1) ℃;光照強度:2000~2200 lx、16 h/d,光源為熒光燈。設(shè)置3次重復(fù),每次處理外植體個數(shù)為30個。
1.2.2 農(nóng)桿菌侵染液的制備 將含有目的基因的農(nóng)桿菌劃線接種于含有100 mg/L Kan+50 mg/L Rif的LB培養(yǎng)基上,28 ℃暗培養(yǎng)2 d至長出單菌落。隨后挑取單菌落轉(zhuǎn)接至含有100 mg/L Kan+50 mg/LRif的5 mL液體LB培養(yǎng)基中,在200 r/min、28 ℃條件下培養(yǎng)16 h后,轉(zhuǎn)接至含有100 mg/L Kan+50 mg/L Rif的50 mL液體培養(yǎng)基中,繼續(xù)培養(yǎng)至對數(shù)生長期OD600≌0.6~1.0;以5000 r/min集菌,使用侵染緩沖液將其懸浮至OD600=0.6,4 ℃保存。
1.2.3 外植體準備 將甜椒種子用水浸泡8~10 h,流水清洗30 min,用無菌水沖洗2~4次,然后于超凈工作臺上用75%酒精消毒1 min,再用20%的84液和0.02%的TritonX-100 1∶1混合液,以180 r/min震蕩消毒10 min,用無菌水沖洗4~6次。將消毒除菌的甜椒種子接種于不含任何生長激素的1/2MS培養(yǎng)基上,25 ℃、16 h/d 光照(2000 lx)培養(yǎng),6~7 d 后得到未長出子葉、帶有子葉節(jié)的無菌苗。
1.2.4 影響甜椒遺傳轉(zhuǎn)化效率的因素 在使用農(nóng)桿菌對甜椒外植體進行侵染的過程中,影響因子包括:Kan選擇壓、農(nóng)桿菌菌液濃度、AS濃度、預(yù)培養(yǎng)時間、侵染時間、共培養(yǎng)時間、不同激素濃度等。在實驗設(shè)計過程中,分別以某一因子為單一變量,其他因子以轉(zhuǎn)化程序為標(biāo)準,觀察不同影響因子對甜椒再生效率和轉(zhuǎn)化效率的影響。
1.2.4.1 卡那霉素(Kan)選擇壓的確定 在超凈工作臺中,切取甜椒子葉節(jié),將其作為外植體,接種至含有不同Kan濃度(0、25、50、75、100 mg/L)的生芽培養(yǎng)基上。每個濃度重復(fù)3次,每次處理外植體個數(shù)為30個。培養(yǎng)條件同無菌苗的培養(yǎng),每隔10 d 進行繼代,于30 d后觀察外植體狀態(tài),測定愈傷誘導(dǎo)率和平均每個外植體抗性芽數(shù)。
愈傷誘導(dǎo)率(%)=(產(chǎn)生愈傷的外植體數(shù)/總外植體數(shù))×100%
平均每個外植體抗性芽數(shù)=抗性芽數(shù)總數(shù)/外植體總數(shù)
1.2.4.2 AS濃度的確定 基本條件同1.2.4.1,設(shè)置的AS濃度分別為0、50、100、150、200、300、500 μmol/L。
1.2.4.3 預(yù)培養(yǎng)時間的確定 切取甜椒子葉節(jié)作為遺傳轉(zhuǎn)化的外植體,將外植體接種至含有2.0 mg/L AgNO3+2.0 mg/L 6-BA的MS預(yù)培養(yǎng)培養(yǎng)基,置于25 ℃暗培養(yǎng)培養(yǎng)箱,分別培養(yǎng)0~5 d,每個時間處理重復(fù)3次,每次處理外植體個數(shù)為30個。
1.2.4.4 農(nóng)桿菌侵染時間的確定 使用制備好的農(nóng)桿菌侵染緩沖液侵染預(yù)培養(yǎng)的甜椒外植體,為保證侵染時間一致,可先將外植體取出,放置于滅菌的濾紙上,再將所有外植體同時放入侵染緩沖液中,侵染時間分別為0、5、10、15、20、25、30 min。取出經(jīng)過侵染的外植體,將表面的菌液吸干,將其放入共培養(yǎng)培養(yǎng)基(MS+2 mg/L 6-BA+2 mg/L AgNO3+100 μmol/L AS),25 ℃暗培養(yǎng)2 d,每種時間處理重復(fù)3次,每次處理外植體個數(shù)為30個。
1.2.4.5 共培養(yǎng)時間的確定 農(nóng)桿菌侵染外植體后,將被侵染的外植體轉(zhuǎn)接至共培養(yǎng)基,共培養(yǎng)時間分別為0、1、2、3、4、5 d。 25 ℃下,暗培養(yǎng),每種時間重復(fù)3次,每次處理外植體個數(shù)為30個。
1.2.4.6 Timentin 抑菌濃度的選擇 在對農(nóng)桿菌侵染后的外植體進行選擇和生根培養(yǎng)時,需要加入一定濃度的抗生素進行抑菌,同時因為Timentin具有抑菌作用且毒性較小,故在選擇和生根培養(yǎng)基中加入200 mg/L Timentin,對外植體生長和污染狀況進行觀察。
1.2.4.7 選擇培養(yǎng)及植株再生 共培養(yǎng)結(jié)束后,將外植體轉(zhuǎn)接至選擇培養(yǎng)基(MS+2.0 mg/L 6-BA+2.0 mg/L AgNO3+400 mg/L Timentin +Kan)中進行培養(yǎng),根據(jù)不同Kan選擇壓,每種重復(fù)3次,每次重復(fù)外植體個數(shù)為 30個。培養(yǎng)條件為25 ℃,光照16 h/d 。
1.2.4.8 不同激素濃度的生根培養(yǎng)基 當(dāng)選擇培養(yǎng)基中的外植體不定芽生長至1~2 cm時即可將其轉(zhuǎn)接至生根培養(yǎng)基,首先將其轉(zhuǎn)接至不同激素濃度的生根培養(yǎng)基,3~5 d后轉(zhuǎn)接至MS+400 mg/L Cef培養(yǎng)基中繼續(xù)生根培養(yǎng)。培養(yǎng)條件為25 ℃,光照16 h/d。
1.2.5 轉(zhuǎn)基因苗PCR檢測
1.2.5.1 轉(zhuǎn)基因苗DNA提取 按照以下步驟操作:(1)組織處理:收取轉(zhuǎn)基因甜椒葉片,放置于1.5 mL EP管中,通過高通量組織研磨儀進行研磨。(2)向EP管中加入500 μL SDS-DNA提取Buffer,充分混勻后65 ℃溫浴10 min。(3)常溫、12000 r/min 離心10 min,取上清。(4)加入等體積氯仿∶異戊醇(24∶1),12000 r/min離心10 min,取上清。(5)加入0.5倍體積異丙醇,充分混勻,轉(zhuǎn)至吸附柱中,12000 r/min離心2min,棄廢液。重復(fù)2次。(6)向吸附柱中加入600 μL無水乙醇,12000 r/min離心30 s,棄廢液。重復(fù)兩次。(7)將吸附柱12000 r/min離心2 min,放入新EP管中。(8)向吸附柱中加入40 μL TE洗脫,12000 r/min離心2 min。
1.2.5.2 PCR檢測PCR反應(yīng)體系:模板1.0 μL、20 μmol/L eGFP3′ 0.2 μL、20 μmol/L eGFP5′ 0.2 μL、Taq酶0.2 μL、10 mmol/L dNTP 0.4 μL、10×PCR buffer 2.0 μL、ddH2O 15.2 μL、總體積20.0 μL。
PCR反應(yīng)條件:95 ℃ 5 min(預(yù)變性)、94 ℃ 30 s(變性)、59 ℃ 40 s(退火)、72 ℃ 40 s(延伸)、72 ℃ 5 min(延伸)、4 ℃冷卻;共30個循環(huán)。
由表1可知,在甜椒進行遺傳轉(zhuǎn)化的過程中,Kan對甜椒外植體愈傷組織的形成與分化有明顯的影響,隨著培養(yǎng)基Kan濃度的提高,甜椒外植體愈傷誘導(dǎo)率與抗性芽數(shù)均明顯降低。當(dāng)培養(yǎng)基中無Kan時,愈傷誘導(dǎo)率與抗性芽數(shù)均為最高,分別為73.33%和1.25個。當(dāng)Kan濃度提高至75 mg/L時,外植體無法生成愈傷并停止分化。當(dāng)Kan濃度為50 mg/L時,甜椒外植體愈傷誘導(dǎo)率和抗性芽數(shù)極低,分別為17.67%和0.13個,因此將此濃度定為甜椒外植體分化的最低抑制濃度,同時,確定Kan選擇壓為50 mg/L。
AS是一種高效激素,一定濃度的AS可以提高外植體的愈傷誘導(dǎo)率和抗性芽數(shù),并能夠提高農(nóng)桿菌的侵染效率,提高轉(zhuǎn)化率。因此我們在菌液中加入不同濃度的AS,研究AS對甜椒外植體分化的影響。表2顯示,不同濃度AS對甜椒外植體的再生分化有一定的影響,并存在一定的差異。如表2所示,當(dāng)AS濃度上升至100 μmol/L時,隨AS濃度增大,甜椒愈傷誘導(dǎo)率與抗性芽數(shù)均有增長,但在AS濃度大于100 μmol/L后,甜椒再生分化效率均有所降低,但多數(shù)均大于AS濃度為0時的數(shù)值,且當(dāng)AS濃度為100 μmol/L時,甜椒外植體愈傷誘導(dǎo)率和抗性芽數(shù)均為最高,分別為73.33%和1.48個。由此說明一定濃度的AS可以促進外植體的再生與分化,且在100 μmol/L時效率最高。
表1 Kan對甜椒子葉節(jié)分化的影響
表2 菌液中加入 AS 對甜椒子葉節(jié)遺傳轉(zhuǎn)化效率的影響
如表3所示,甜椒外植體的預(yù)培養(yǎng)時間對其愈傷誘導(dǎo)率影響較小,但各組數(shù)值均大于預(yù)培養(yǎng)時間為0時的愈傷誘導(dǎo)率;預(yù)培養(yǎng)時間對抗性芽數(shù)有明顯的影響,各組數(shù)值差異較大,在預(yù)培養(yǎng)2 d時外植體抗性芽數(shù)最多,且愈傷誘導(dǎo)率最高,由此確定最適宜的外植體預(yù)培養(yǎng)時間為2 d 。
在構(gòu)建甜椒遺傳轉(zhuǎn)化體系過程中,利用農(nóng)桿菌侵染甜椒外植體是最為重要的過程,其中農(nóng)桿菌侵染時間決定了外植體的再生分化效率。農(nóng)桿菌侵染時間對甜椒外植體愈傷誘導(dǎo)率和抗性芽數(shù)的影響如表4所示,農(nóng)桿菌侵染時間對甜椒外植體遺傳轉(zhuǎn)化效率的影響,呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,并在侵染5 min時,愈傷誘導(dǎo)率和抗性芽數(shù)達到最高,分別為98.41%和1.87個,明顯高于其他處理時間下的;當(dāng)侵染時間為0 min和11 min時,愈傷誘導(dǎo)率和抗性芽數(shù)明顯低于其他處理時間下的。由此說明,過短或過長侵染時間均不利于甜椒的遺傳轉(zhuǎn)化,且侵染最適時間為5 min。
表3 預(yù)培養(yǎng)時間對甜椒子葉節(jié)遺傳轉(zhuǎn)化效率的影響
表4 農(nóng)桿菌侵染時間對甜椒子葉節(jié)遺傳轉(zhuǎn)化效率的影響
共培養(yǎng)時間是甜椒遺傳轉(zhuǎn)化效率的重要影響因素之一,是農(nóng)桿菌將目的基因整合進入甜椒基因組的重要過程。把甜椒外植體侵染過后轉(zhuǎn)接至共培養(yǎng)培養(yǎng)基,研究共培養(yǎng)時間對甜椒外植體遺傳轉(zhuǎn)化效率的影響,結(jié)果見表5。隨著共培養(yǎng)時間的延長,甜椒外植體的再生分化效率呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,并在2 d時達到最高,愈傷誘導(dǎo)率和抗性芽數(shù)分別為99.89%和1.79個;2 d后隨著時間的延長,農(nóng)桿菌較難抑制,外植體污染率增大,致使愈傷誘導(dǎo)率和抗性芽數(shù)降低,因此選取共培養(yǎng)時間為2 d。
當(dāng)外植體不定芽生長至1 cm左右時,選取生長狀況良好的不定芽,接種至含激素如表6所示的培養(yǎng)基,于該培養(yǎng)基25 ℃、16 h/d光照下培養(yǎng),4 d后將不定芽轉(zhuǎn)接至含不同濃度激素的MS+400 mg/LTimentin的生根培養(yǎng)基。如表6所示,經(jīng)MS+0.2 mg/L IAA+400 mg/L Timentin 培養(yǎng)4 d后轉(zhuǎn)接至生根培養(yǎng)基,此時外植體生根率最高,為100%,且可迅速生長形成植株,與其他不同激素組合有明顯差異。1~4號不同激素配比的培養(yǎng)基均沒有誘導(dǎo)外植體生根,只對愈傷組織產(chǎn)生了一定影響,差異較小。6、7號培養(yǎng)基雖然可以誘導(dǎo)生根,但同時會誘導(dǎo)產(chǎn)生大量愈傷組織,影響外植體根系發(fā)育,不利于植株生長。
表5 共培養(yǎng)時間對甜椒子葉節(jié)遺傳轉(zhuǎn)化效率的影響
表6 甜椒子葉節(jié)遺傳轉(zhuǎn)化苗生根效果
2.7.1 轉(zhuǎn)基因植株的獲取 基礎(chǔ)實驗表明,最適的卡那霉素選擇壓為 50 mg/L,乙酰丁香酮濃度在100 μmol/L時可以明顯提高外植體的抗性芽數(shù),2 d為最適合的預(yù)培養(yǎng)時間和共培養(yǎng)時間,5 min 作為侵染的最佳時間,在MS+0.2 mg/L IAA(吲哚乙酸)+400 mg/L 特美汀培養(yǎng)基上的生根率最高。因此,根據(jù)結(jié)果配置不同階段培養(yǎng)基(表7),以獲取轉(zhuǎn)基因植株(圖1)。
表7 不同階段培養(yǎng)基成分
a:篩選培養(yǎng)基生成愈傷組織;b:篩選培養(yǎng)基生成再生芽;
2.7.2 轉(zhuǎn)基因植株檢測結(jié)果 對獲得的植株進行PCR鑒定,有12株植株擴增出750 bp左右與陽性對照相同的條帶,其他植株則擴增出與陰性對照相同的目的條帶(圖2)。通過熒光倒置顯微鏡對PCR鑒定結(jié)果為陽性的植株進行檢測,結(jié)果可以成功激發(fā)出綠色熒光(圖3),表明綠色熒光蛋白基因已被成功整合到甜椒基因組中。
當(dāng)前,利用農(nóng)桿菌進行遺傳轉(zhuǎn)化已廣泛應(yīng)用于多種轉(zhuǎn)基因植物的構(gòu)建,農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化途徑可以實現(xiàn)外源基因的導(dǎo)入[4],并已經(jīng)在番茄[5]、馬鈴薯[6]、辣椒[7]等多種茄科植物中獲得成功。但由于在甜椒轉(zhuǎn)化過程中,其受環(huán)境等因素影響較大,目前還存在一些問題亟待解決,因此建立并逐步優(yōu)化農(nóng)桿菌介導(dǎo)的甜椒遺傳轉(zhuǎn)化體系是必需的。本實驗以甜椒再生體系為基礎(chǔ),選取甜椒子葉節(jié)為遺傳轉(zhuǎn)化的外植體,對不同條件對甜椒遺傳轉(zhuǎn)化效率的影響進行研究,建立了一個高效穩(wěn)定的甜椒遺傳轉(zhuǎn)化體系,并為下一步外源基因的導(dǎo)入,快速獲得甜椒突變體,研究基因功能等創(chuàng)造了條件。
1~18為轉(zhuǎn)基因植株,CK為未轉(zhuǎn)基因植株,CK1為陽性對照。
在植物進行遺傳轉(zhuǎn)化的過程中,陽性轉(zhuǎn)化的篩選是一個重要的步驟[8],篩選體系的確定直接影響陽性轉(zhuǎn)化植株的獲取。在農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化體系中,由于Kan毒性較小,且對農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化有一定的針對性,所以研究者普遍使用Kan對陽性轉(zhuǎn)化進行篩選。在利用Kan對被農(nóng)桿菌侵染的外植體進行篩選時,非轉(zhuǎn)化的外植體無法生長,而轉(zhuǎn)化成功的外植體可成功誘導(dǎo)愈傷,并且在適宜條件下可發(fā)育成為完整植株。因此,適宜的Kan選擇壓可以在不影響正常轉(zhuǎn)化植株的情況下,最大限度地抑制非轉(zhuǎn)化植株的生長,進而提高轉(zhuǎn)化效率。袁靜等[9]研究發(fā)現(xiàn)50 mg/L Kan 對辣椒外植體篩選濃度影響最佳;羅齊軍[10]認為辣椒外植體的最佳 Kan 篩選濃度是 35 mg/L。 本試驗研究發(fā)現(xiàn)甜椒遺傳轉(zhuǎn)化體系最合適的Kan選擇壓濃度為 50 mg/L。
圖3 熒光倒置顯微鏡468 nm激發(fā)甜椒葉片GFP熒光
遺傳轉(zhuǎn)化體系中的預(yù)培養(yǎng)和共培養(yǎng)時間的選擇尤為重要。預(yù)培養(yǎng)時間太長或太短,均不利于外植體的生長。羅齊軍[10]發(fā)現(xiàn)預(yù)培養(yǎng) 2 d 外植體生長良好,這與本試驗結(jié)果一樣,同時也和黎定軍[11]的研究結(jié)果一致。同時,如果共培養(yǎng)時間過短,則會導(dǎo)致侵染不充分,導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率的降低;如果共培養(yǎng)時間過長,由于共培養(yǎng)過程中沒有抑菌劑的加入,會導(dǎo)致外植體大量死亡。因此,有人也會在共培養(yǎng)后進行脫菌處理再進行篩選培養(yǎng)[12,13],這也是為了防止農(nóng)桿菌對外植體造成污染。
AS可以提高農(nóng)桿菌侵染的轉(zhuǎn)化效率,常被用于農(nóng)桿菌介導(dǎo)的植物轉(zhuǎn)化過程中[14-16]。Kim等[17]研究發(fā)現(xiàn)在利用農(nóng)桿菌對辣椒進行遺傳轉(zhuǎn)化的過程中添加AS,可以明顯提高辣椒遺傳轉(zhuǎn)化效率,將其提高至95%以上;羅齊軍[10]研究發(fā)現(xiàn)在農(nóng)桿菌介導(dǎo)的甜椒遺傳轉(zhuǎn)化體系中,在菌液和共培養(yǎng)基中加入 100 μmol/L AS可以顯著提高外植體愈傷誘導(dǎo)率和不定芽分化率。同時,楊國順等[18]認為最合適的AS濃度為200 μmol/L。本實驗在菌培養(yǎng)及共培養(yǎng)階段均添加了AS,得到了明顯高于對照組外植體分化再生效率的結(jié)果,并發(fā)現(xiàn)甜椒遺傳轉(zhuǎn)化體系中適宜的AS濃度為100 μmol/L。
農(nóng)桿菌侵染時間直接影響農(nóng)桿菌的轉(zhuǎn)化效率,并與外植體誘導(dǎo)抗性芽數(shù)有密切關(guān)系。適宜的侵染時間十分重要,如果農(nóng)桿菌侵染時間過長,則外植體上會有大量的農(nóng)桿菌殘留,在后期的培養(yǎng)過程中,可能會出現(xiàn),且難以控制,導(dǎo)致植株死亡;侵染時間過短,菌液與外植體接觸不夠充分,會降低轉(zhuǎn)化效率,導(dǎo)致大量非抗性苗出現(xiàn)。同時侵染時間的選擇也同菌液濃度有關(guān),一般選擇菌液濃度OD600為0.3~0.5。黃妤等研究農(nóng)桿菌侵染辣椒的最適時間為5 min[19]。也有人發(fā)現(xiàn)農(nóng)桿菌侵染辣椒7~8 min 對再生頻率和抗性芽數(shù)影響效果最好[20]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),甜椒遺傳轉(zhuǎn)化體系中最適合的侵染時間為5 min,且侵染時間不宜有太大變化。
Timentin作為一種抑菌劑,可以用來抑制農(nóng)桿菌,同時由于其對外植體毒害作用較小,所以常用于農(nóng)桿菌介導(dǎo)的植物遺傳轉(zhuǎn)化過程中。在實驗初始階段,進行生根培養(yǎng)時,由于沒有加入Timentin,出現(xiàn)了大量的植株污染現(xiàn)象。后經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn),在生根過程中加入一定濃度的Timentin可以降低污染,同時轉(zhuǎn)化植株長勢良好,無黃葉出現(xiàn)。在本次試驗過程中我們主要是參考敬國興等對這一部分的研究[21],如果 Timentin 濃度過低時,生長一段時間后農(nóng)桿菌會大量再生,引起植株大量的污染,最后造成植株死亡。在試驗過程中研究發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)基中添加200 mg/L Timentin可以有效抑制農(nóng)桿菌的生長。