大群體轉基因大麥后代快速篩選研究

李靜雯 張正英 王立光 陳軍 朱天地

摘要：以攜帶有潮霉素標記基因的RNAi轉基因大麥和常規(guī)大麥為材料，采用葉片涂抹法進行了潮霉素篩選濃度確定及轉基因大麥T2代和回交后代的篩選和PCR檢測。結果表明，3 000 mg/L潮霉素連續(xù)涂抹3次，5 d后轉基因大麥涂抹區(qū)域無受害癥狀，生長受害率顯著低于無涂抹處理。潮霉素涂抹檢測結果與其PCR檢驗結果的符合度為96.2%，目的基因篩選準確率可達61.8%。表明所建立的活體幼苗潮霉素葉片涂抹法篩選轉基因大麥快速，直觀、準確，具有一定可行性。

關鍵詞：轉基因大麥;潮霉素;潮霉素磷酸轉移酶基因;葉片涂抹

中圖分類號：S512.3? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1001-1463（2019）08-0012-06

Abstract：Using RNAi transgenic barley and conventional barley carrying hygromycin marker gene as experimental materials， the concentration of hygromycin screening by leaf smearing method was determined， and the screening and PCR detection of T2 generation and backcross progenies of transgenic barley were carried out. The results showed that 3 000 mg/L hygromycin was applied for three times continuously. After 5 days， no symptoms were found in the smearing area of GM barley， and the rate of growth damage was significantly lower than that of non-smearing treatment. The coincidence between the results of hygromycin smear test and those of PCR test was 96.2%， and the accuracy of target gene screening was up to 61.8%. Therefore， the hygromycin leaf smear method for screening transgenic barley was rapid， intuitive and accurate， and had certain feasibility.

Key words：Transgenic barley;Hygromycin;Hygromycin phosphotransferase gene（hpt）;Leave painting

大麥是全球普遍栽培的第四大禾谷類作物，不僅用途多樣，而且適應性廣，既是糧食和飼料，也是生產啤酒的重要原料，具有良好的耐旱性、耐寒性和耐鹽性[1 ]，是遺傳和生理研究的模式種類[2 - 3 ]。自1994年首次獲得可育轉基因大麥植株以來，大麥轉基因的研究發(fā)展迅速，已成為實現基因功能驗證和作物育種的重要方法[4 - 5 ]。隨著最近高質量的大麥基因組參考序列的公布[6 - 7 ]，為谷物的全面遺傳和基因組研究提供了重要資源，也為大量基因的功能研究提供了基礎。

轉基因大麥獲得后，如何快速有效地從龐大的轉基因后代群體中檢測出攜帶有目的基因的轉基因植株是轉基因大麥研究的重要環(huán)節(jié)?；诳股?篩選標記基因等建立的抗生素篩選體系，由于其經濟、簡便、直觀，對于轉基因純系種質的篩選和轉基因親本與雜交組合純度的檢測具有指導意義[8 ]。大麥轉化中潮霉素磷酸轉移酶基因Hpt II是采用較多的篩選標記[9 ]，其產物的作用底物潮霉素B（Hygromycin B）是一種氨基糖苷類抗生素，通過競爭葉綠體和線粒體中的核糖體與延長因子EF-2的結合位點，破壞各種細胞中核糖體的功能，從而抑制蛋白的合成，使敏感組織褐化死亡[10 ]。潮霉素通過干擾蛋白質合成以抑制植物生長，可以幫助篩選轉化外源基因的細胞、組織和再生植 株[11 - 12 ]。利用潮霉素涂抹葉片快速篩選轉基因植株的方法，在水稻與楊樹中已有報 道[13 - 14 ]。在轉基因大麥中關于潮霉素的研究多見于遺傳轉化階段，后代規(guī)?；Y選方面的報道較少。我們開展了轉基因大麥及常規(guī)品種不同濃度潮霉素葉片涂抹的鑒定，并對大群體轉基因大麥及回交后代篩選效果進行了研究，以期對實現大群體轉基因大麥的快速選擇、加快育種進程提供參考。

1? ?材料與方法

1.1? ?供試材料

供試大麥品種為甘啤4號，Golden Promise，轉基因大麥9份T2代材料（分別為242-01-01、242-03-01、242-06-01、242- 10-01、242-17-01、242-18-01、242-20- 01、242-24-01、242-02-01）以及轉基因大麥與甘啤4號回交后代材料1份（RNAi-BC3）。該轉基因大麥為甘肅省農業(yè)科學院生物技術研究所創(chuàng)制的以“Golden Promise”為受體獲得的帶有hpt基因的RNAi B-hordein 轉基因大麥[15 ]，甘啤4號為甘肅省農業(yè)科學院培育的優(yōu)質啤酒大麥品種[16 - 17 ]，不帶hpt基因。試驗用潮霉素B由Roche公司生產。

1.2? ?試驗方法

1.2.1? ? 潮霉素篩選濃度的確定? ? 將甘啤4號、Golden Promise及以轉基因大麥種植于育苗缽，在溫度25 ℃、光照/黑暗16 h/8 h條件下培養(yǎng)。根據預實驗結果，共設置了500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、 4 000 mg/L 7個潮霉素濃度。在3葉1心期將配制的Hyg溶液用醫(yī)用棉簽均勻涂抹于第2葉，涂抹區(qū)域2 cm左右，以浸潤為準，連續(xù)涂抹3 d，掛牌標記。涂抹后第5天觀察葉片的反應，統(tǒng)計生長受害率，以明確潮霉素涂抹后大麥葉片的變色效果和不同類型大麥幼苗的潮霉素敏感濃度。

1.2.2? ? 潮霉素葉片涂抹篩選法在大麥轉基因后代及回交后代篩選中的驗證? ? 在確定的篩選條件下，對已導入外源基因hpt和RNAi構件的9個轉基因大麥株系的T2代幼苗及回交后代進行抗性篩選，5 d后統(tǒng)計篩選結果。剪取抗性幼苗的新鮮葉片，采用TIANGEN植物基因組DNA提取試劑盒提取大麥基因組DNA作為模板，進行hpt和B-hordein RNAi干涉構件片段PCR檢測。潮霉素和目的基因引物序列、反應體系和條件見文獻[18 ]。

抗性篩選有效率（%）=（PCR陽性株數/抗性苗數）×100%。

2? ?結果與分析

2.1? ?潮霉素涂抹后大麥葉片表現

Hyg涂抹5 d后觀察發(fā)現，大麥葉片涂抹區(qū)域呈現不同程度的受害癥狀（圖1）。大麥葉片對Hyg處理后的最終反應程度劃分為3個等級：Ⅰ為涂抹部位葉色正常;Ⅱ為涂抹部位葉片出現點狀褐化，葉色仍為綠色;Ⅲ為涂抹部位大片褪綠，葉片黃化，嚴重者呈灼燒狀。甘啤4號及對照Golden Promise涂抹區(qū)域黃化，葉片死亡，攜帶有hpt的轉基因大麥涂抹區(qū)域葉色正常（圖1-a）。

葉片Ⅲ級反應，基本上消除了葉片自身對潮霉素處理的負面效應，可作為潮霉素起始篩選的標準。

2.2? ?潮霉素篩選濃度的確定

通過表1可以看出，隨著篩選濃度升高，大麥品種潮霉素涂抹區(qū)域受害程度均加重，生長受害率上升。不同品種大麥幼苗在不同潮霉素涂抹濃度下葉片受害表現有所差異。甘啤4號在2 000 mg/L潮霉素處理后葉片發(fā)黃，其生長受害率達100%，顯著高于其他處理;Golden Promise大麥葉片在潮霉素濃度≤1 500 mg/L，葉片無傷害，當濃度為2 500～4 000 mg/L時生長受害率各處理無顯著差異，但是葉片受害程度不同，濃度為3 000 mg/L以上時葉片灼燒狀嚴重。轉基因大麥在3 000 mg/L時葉片涂抹區(qū)域無變化。因此確定以3 000 mg/L作為轉基因大麥后代篩選濃度。

2.3? ?潮霉素篩選方法在大麥轉基因后代及回交后代篩選中的驗證

對RNAi B-hordein轉基因大麥9個轉化事件T2代材料共計765株轉基因后代幼苗于3葉1心期進行3 000 mg/L潮霉素涂抹，5 d后統(tǒng)計篩選結果。結果顯示，404株幼苗表現抗性，抗性篩選有效率達96.2%，表明利用3 000 mg/L 潮霉素在3葉1心期涂抹篩選轉基因大麥后代是可行的。之后篩選轉基因大麥與甘啤4號回交后代（RNAi-BC3）83株幼苗，獲潮霉素陽性株42株，抗性篩選有效率達66.7% （表2，圖2-A）。

為進一步明確潮霉素PCR陽性株是否存在B-hordein RNAi構件，選取2個轉化事件共計170株進行目的基因正反向片段PCR檢測，其中105株檢測到同時含有醇溶蛋白基因正反向片段，表明潮霉素篩選? ?B-hordein RNAi 構件的準確率為61.8%?；亟缓蟠哪康幕驒z測準確率為75.0%（表3，圖2-B）。

3? ?小結與討論

通過對大麥活體幼苗葉片開展潮霉素涂抹篩選研究，建立了潮霉素快速篩選大群體轉基因大麥后代的方法。研究表明，在3葉1心期采用3 000 mg/L的潮霉素溶液對嫩葉進行連續(xù)3 d的涂抹，根據5 d后葉片涂抹區(qū)域受害癥狀可快速區(qū)分轉基因植株，潮霉素基因PCR檢測符合度可達96.2%，目的基因篩選準確率可達61.8%。該方法篩選轉基因大麥后代快速、直觀、準確，可行性高。

本研究發(fā)現，潮霉素快速選擇的效果因涂抹濃度、觀測時間變化很大，這與殷奎德等[18 ]的結果一致。首先，只有選擇超過轉基因大麥自身抗性范圍的處理濃度（如大麥敏感型的潮霉素濃度 > 2 000 mg/L）時，才能進行有效篩選，否則會增加假陽性單株的數量，影響選擇的效果。其次，葉片生長的不同狀態(tài)對潮霉素處理結果有很大影響，新展開的葉片對潮霉素較敏感，越老的葉片對其抗性越強，為減少誤差應于3葉1心期挑選生長一致的、完全展開的葉片為檢測對象，以提高選擇的準確性。此外，在潮霉素液中添加粘著劑（表面活性物質）涂抹效果更好。外界天氣也會對涂抹效果有影響，如果涂抹期間有雨，最好再行補涂1次。

抗生素標記基因一般都與目的基因以連鎖的方式構建在同一T-DNA上[8 ]，理論上目的基因構件存在于篩選出的轉基因大麥潮霉素陽性株，但是由于RNAi轉基因大麥目的基因PCR反應易于變化，實際操作中需要探索出適合的退火溫度等反應條件以便于更好的篩查出目的基因陽性株。

伴隨大量的轉基因生物產生，標記基因的安全性是轉基因食品安全性關注的焦點問題之一。目前已有共轉化系統(tǒng)法、轉座子系統(tǒng)法、位點特異性重組系統(tǒng)法、重組酶系統(tǒng)法、外源基因清除技術及葉綠體轉化技術可培育新的無選擇標記的轉基因作物[8 ]，但這些技術只適用于新的無標記轉基因植株的培育。有研究者認為可通過人工理化誘變，將現有的已經育成有重大應用價值轉基因材料中的hpt 基因剔除或部分片段失活[19 ]。此外，在食品安全方面，有研究表明潮霉素蛋白潛在致敏性很低，在加工食品中均已不同程度的發(fā)生了降解，對生物安全的影響很 小[20 - 21 ]。

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（本文責編：陳? ? 偉）