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沉默CCR和CAD基因培育低木質(zhì)素含量轉(zhuǎn)基因多年生黑麥草

發(fā)布時間:2016-09-07 08:17

  本文關(guān)鍵詞:沉默CCR和CAD基因培育低木質(zhì)素含量轉(zhuǎn)基因多年生黑麥草,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。


72-832013年10月   草 業(yè) 學(xué) 報   

CTAPRATACULTURAESINICA      A  第22卷 第5期

Vol.22,No.5

沉默CCR和CAD基因培育低木質(zhì)素

含量轉(zhuǎn)基因多年生黑麥草

222,,,胡可1,嚴(yán)雪鋒1,栗丹1,唐曉梅1,楊宏1,王艷1,鄧洪淵1,馬欣榮1*

()中國科學(xué)院成都生物研究所,四川成都6中國科學(xué)院研究生院,北京11.10041;2.00049

摘要:木質(zhì)素作為維管植物的重要成分之一,主要存在于細(xì)胞的次生壁中。然而,木質(zhì)素卻是許多工農(nóng)業(yè)加工過程的限制因素,例如在化學(xué)制漿、牧草消化以及木質(zhì)纖維轉(zhuǎn)化為生物酒精等過程中。肉桂酰輔酶A還原酶(和CCR)是催化木質(zhì)素單體生物合成最后兩步的關(guān)鍵酶。本研究根據(jù)N肉桂醇脫氫酶(CAD)CBI中黑麥草CCR和CAD基從野生型多年生黑麥草c分別因序列設(shè)計特異引物并添加相應(yīng)酶切位點,DNA分離克。茫茫液停茫粒幕蚱,構(gòu)建了含正反方向目的片段的植物表達(dá)干擾載體p2323iCCR和piCAD。通過根癌農(nóng)桿菌EHA105介導(dǎo)轉(zhuǎn)入多--年生黑麥草胚性愈傷組織,經(jīng)過巴龍霉素篩選和PCR檢測獲得導(dǎo)入了干擾CCR和CAD基因片段的轉(zhuǎn)基因株系結(jié)果顯示,與對照相比,有9株iiCR和iAD。常規(guī)方法測定相對木質(zhì)素含量,CR植株和11株iAD植株木-C-C-C-C質(zhì)素含量顯著降低,分別平均降低了3且生長正常。本研究表明通過干擾C4.67%,33.86%,CR和CAD基因表可以獲得低木質(zhì)素含量的多年生黑麥草,為進(jìn)一步培育易消化吸收的黑麥草提供了良好的種質(zhì)資源。達(dá),

;關(guān)鍵詞:木質(zhì)素;肉桂酰輔酶A還原酶;肉桂醇脫氫酶;多年生黑麥草;遺傳轉(zhuǎn)化RNAi

()中圖分類號:S816;S546.603;Q943.2  文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A  文章編號:10045759201305007212---

:/DOI10.11686cxb20130509 。

主要存在于植物細(xì)胞的次生壁,與纖維素和半纖維素共價結(jié)合,  木質(zhì)素是一種復(fù)雜的芳香族化合物多聚體,

賦予細(xì)胞壁強度和硬度,為植物組織提供機械支持,使得植株向上生長。木質(zhì)素還使植物的脈管組織具有疏水

1]2]

,。在大多數(shù)被子植物中,性,便于水分和營養(yǎng)物質(zhì)的長距離運輸[還能保護(hù)植株避免病原體入侵[木質(zhì)素主要

)和紫丁香基木質(zhì)素(這兩種木質(zhì)素單體亞單位構(gòu)成,它們分別來自松柏醇由愈創(chuàng)木基木質(zhì)素(GlininSlinin)--gg和芥子醇,第三種木質(zhì)素單體亞單位對羥基苯基木質(zhì)素(來自香豆醇,它在單子葉植物中相對較多,而H-linin)g

1]3,4]

。圖1為木質(zhì)素合成途徑[。在雙子葉植物中較少[

5]

。木質(zhì)素作為維管束植物細(xì)胞壁的主要成分,長期以來被認(rèn)為不利于飼料品質(zhì)、造紙和纖維素燃料的生產(chǎn)[

6]

。在草料消化和例如,在制漿造紙工業(yè)中,需通過嚴(yán)格的化學(xué)工藝從木材中去除木質(zhì)素以獲得純的纖維素纖維[7]

。因此,低木質(zhì)素含量的牧草或者木材的培育,是育種的方向之一。如生產(chǎn)乙醇時木質(zhì)素也是主要的限制因子[

今大部分研究主要是通過基因工程手段降低植株的木質(zhì)素含量或者改變其組成。

[3,4]

,木質(zhì)素單體作為組成木質(zhì)素的亞單位,產(chǎn)生于苯丙氨酸途徑的一個分支(圖1)肉桂酰輔酶A還原酶

(,,和肉桂醇脫氫酶(是催化木質(zhì)素單體生cinnamolCoAreductaseCCR)cinnamlalcoholdehdroenaseCAD)   。缥锖铣勺詈髢刹降年P(guān)鍵酶。許多研究通過在不同植物中抑制這兩種酶的表達(dá)降低了木質(zhì)素含量或是改變了木質(zhì)

1]

。素的組成[

在木質(zhì)素的生物合成中起著重要作用,它以5種羥基肉桂酸的CCCR是木質(zhì)素特異途徑的關(guān)鍵酶之一,oA酯(對-香豆酰輔酶A、咖啡酰輔酶A、阿魏酰輔酶A、作為底物催化生成相5-羥基阿魏酰輔酶A和芥子酰輔酶A)應(yīng)的肉桂醛。C突變體,木質(zhì)素含量降低的同時表現(xiàn)出外CR1基因表達(dá)受影響的擬南芥(Arabidosisthaliana)。

8]

。C形矮小、衰老延緩的性狀[木質(zhì)素含量可降低CR下調(diào)的轉(zhuǎn)基因楊樹(Poulustremula×Poulusalba)  pp

;改回日期:2012050720120606*收稿日期:----

))基金項目:國家8和國家自然科學(xué)基金項目(資助。63計劃項目(2009AA10Z108,2008AA10Z40930170589,:_作者簡介:胡可(男,四川江油人,碩士。E-m1986aildd122@163.com-)jyjy

:ailmaxrib.ac.cn*通訊作者。E-m@c

3,4]

圖1 苯丙烷和木質(zhì)素單體生物合成途徑,重點顯示了木質(zhì)素單體的合成途徑[

Fi.1。校瑁澹睿欤颍铮幔睿铮椋洌幔睿洌恚铮睿铮欤椋睿铮欤猓椋铮螅睿簦瑁澹簦椋悖幔簦瑁鳎幔螅恚幔椋睿欤螅瑁铮鳎椋睿猓椋铮螅睿簦瑁澹螅椋螅幔簦瑁鳎幔螅铮妫恚铮睿铮欤椋睿铮欤蟆       。纾穑穑纾穑纾穑纭 

;;AL:苯丙氨酸解氨酶PheammonialaseC4H:肉桂酸4innamate4hdroxlase4CL:4hdroxcin。小。u化酶C。u基肉桂酰輔酶A連接酶4--yyyyy;;C/namoloAliaseC3H:對香豆酸3coumarate3hdroxlaseOMT:咖啡酸/5affeic5hdroxferulic-C。u化酶p- --羥基阿魏酸-O-甲基轉(zhuǎn)移酶C-ygyyyy;;HC;O-methltransferaseF5H:阿魏酸5erulate5hdroxlaseT:羥基肉桂酸轉(zhuǎn)移酶HdroxcinnamoltransferaseCCoAOMT:咖acid。u化酶F -yyyyyy;;啡酰輔酶A甲基轉(zhuǎn)移酶CaffeoloA。希恚澹簦瑁欤簦颍幔睿螅妫澹颍幔螅澹茫茫遥喝夤瘐#茫铮吝原酶CinnamoloAreductaseCAD:肉桂醇脫氫酶Cinnamlal-C-C。;;蘆丁:R;山奈酚二糖苷阿魏酸:lcosidecoholdehdroenaseSAD:芥子醇脫氫酶Sinalalcoholdehdroenase.蘆。罚酰簦椋睿罚酰簦椋睢。。擒眨海遥纾穑纾纾簧侥畏佣擒毡狨ィ海耍簧侥畏樱;黃酮類化Kaemferoldilcosideferulicacidaemferoldilcosidemalonateaemferollcoside     -糖苷:K-O-pgypgypgy;苯丙氨酸:;肉桂酸:;對-香豆酸:;咖啡酸:;阿魏酸:;合物:FlavonoidPhenlalanineCinnamicacidcoumaricacidCaffeicacidFerulicacid5。  。u基yp;芥子酸:;對-香豆酰輔酶A:;香豆酰奎尼阿魏酸:5droxferulicacidSinaicacidcoumaroloA;香豆酰莽草酸:Coumarolshikimicacid-H  --C 。穑穑;咖啡酰輔酶A:酸:CoumarolacidCaffeoloA;阿魏酰輔酶A:FeruloloA;55hdroxferuloloA;芥子酰輔酶uinic  -C-C-羥基阿魏酰輔酶A:--Cyyyyyyq;咖啡醛:;松柏醛:;;A:SinaoloA;對-香豆醛:coumaraldehdeCaffeolaldehdeConiferaldehde55hdroxconiferaldehde-C- -羥基松柏醛:-pypyyyyyyy。粚Γ愣勾迹;松柏醇:;;芥子醇:芥子醛:SinaaldehdecoumarlalcoholConiferlalcohol55hdroxconiferlalcoholSinalal-  -羥基松柏醇:- 。穑穑穑;過氧化物酶/漆酶:/;H型木質(zhì)素:HcoholPeroxidaselaccaselinin;G型木質(zhì)素:Glinin;S型木質(zhì)素:Slinin.   ggg

其中S另外半纖維素、果膠和木聚糖的合成也減少,外層木質(zhì)部表現(xiàn)出橙棕50%,linin比Glinin減少得更多,--gg

9]

。C并且伴隨著纖維素比例的增加,改善了制漿特性[木質(zhì)色且著色不均,CR下調(diào)的煙草(Nicotianatabacum) 

素含量降低,而C轉(zhuǎn)錄和代謝研究表明木質(zhì)素合成途徑與其他代AD下調(diào)植株的木質(zhì)素中含有更多的醛類物質(zhì),

10]

。玉米(,謝途徑相關(guān)聯(lián)[Zea mas)CCR1基因插入突變體(Zmccr1CCR1基因的表達(dá)量只有野生型的31%,-)y

/其木質(zhì)素含量有所下降且結(jié)構(gòu)明顯改變,并且消化性能提高,但未影響植H-linin含量明顯下降,SG略有上升,g

11]

。另外,株的生長發(fā)育[由于苯丙氨酸代謝途徑不僅生成木質(zhì)素,還生成其他的植物次生代謝物,如類黃酮、羥

單寧酸等酚類化合物,因此,可通過降低木質(zhì)素的生物合成來促進(jìn)有益的可溶性酚類化合物生成。在基苯乙烯、

干擾C中,木質(zhì)素含量降低,同時莖和葉中可溶性酚類物質(zhì)的總CR基因的轉(zhuǎn)基因番茄(Solanumlcoersicum) yp組分分析顯示綠原酸和蘆丁等含量增加,果實中酚類物質(zhì)總量沒有增加,但是組分發(fā)生改變,相應(yīng)地提含量增加,

12]

。高了番茄提取物的抗氧化能力[

將3種肉桂醛(對-香豆醛、松柏醛和芥子醛)還原生成相應(yīng)的3CAD催化木質(zhì)素單體生物合成的最后一步,

[3]

種肉桂醇。S通過R中C發(fā)現(xiàn)這些植株莖中催化松aathoff等1NAi下調(diào)柳枝稷(Panicum。觯椋颍幔簦酰恚粒谋磉_(dá),g

總木質(zhì)素含量和表皮素含量也明顯降低,且經(jīng)過氫氧化銨預(yù)處理和纖維素酶消柏醛和芥子醛的CAD活性下降,

[4]化的研磨樣品釋放出的葡萄糖也多于野生型對照。F利用R結(jié)果顯示ornalé等1NAi下調(diào)玉米CAD基因表達(dá),

轉(zhuǎn)基因植株細(xì)胞壁的成分發(fā)生變化,莖的細(xì)胞壁總木質(zhì)素含量未受影響,在不同組織中CAD下調(diào)的程度不同,/并且積累了更多的纖維素和木聚糖,而中脈的細(xì)胞壁總木質(zhì)素含量和多糖含量下降,轉(zhuǎn)基因SG比例稍有下降,植株與野生型相比表型沒有改變,但更容易降解,乙醇產(chǎn)量也較高。R中的NAi下調(diào)亞麻(Linum。酰螅椋簦幔簦椋螅螅椋恚酰恚

15]

。R木質(zhì)素前體物質(zhì)含量顯著提高,木質(zhì)素、果膠和半纖維素含量降低,轉(zhuǎn)基因植株的彈性增加[CAD后,NAi[6]

。還有研究將擬南下調(diào)C植株生長發(fā)育正常,木質(zhì)素含量未受影響,僅GAD1的轉(zhuǎn)基因煙草,linin略有減少1-g

的突變體和C芥2種CAD基因(CAD。煤停茫粒摹。模茫遥钡耐蛔凅w雜交后發(fā)現(xiàn)其木質(zhì)素含量比野生型減少了

17]

。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變,但植株嚴(yán)重矮化并伴有雄性不育癥狀[31%,

綜上所述,利用R在多種植物中,可以通過降低木質(zhì)素合成途徑中相應(yīng)酶的表NAi技術(shù)并結(jié)合轉(zhuǎn)基因方法,達(dá)而獲得木質(zhì)素含量降低或者木質(zhì)素組成改變的轉(zhuǎn)基因植物。R在mRNAi是由雙鏈RNA分子介導(dǎo)的、NA水平關(guān)閉相應(yīng)基因表達(dá)的過程。因為R抑制基因表達(dá)效率高,,已被廣泛應(yīng)用于真核生物基因功NAi技術(shù)簡單易行,

18]

。能的研究[

多年生黑麥草(是禾本科黑麥草屬(植物,是優(yōu)良的牧草和草坪草,但自交不親和,Lolium erenne)Lolium)p傳統(tǒng)育種困難而復(fù)雜。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展,轉(zhuǎn)基因技術(shù)已成為黑麥草遺傳改良的有力工具,可通過RNAi

4]

。方法和轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得木質(zhì)素含量降低的黑麥草[

19]

,本研究在本實驗室已建立的多年生黑麥草轉(zhuǎn)化體系上[優(yōu)化轉(zhuǎn)化方法,通過根癌農(nóng)桿菌(Arobacteriumg

介導(dǎo)的R降低多年生黑麥草中C以期獲得低木質(zhì)素含量的多年生黑NAi技術(shù),CR、CAD基因表達(dá),tumeaciens)f為進(jìn)一步培育高消化利用率的多年生黑麥草提供種質(zhì)資源。麥草新材料,1 材料與方法1.1 材料

,多年生黑麥草品種“雅晴”由百綠草業(yè)公司惠贈。本實驗在中國科學(xué)院成都生物研究所于2010年9月至2012年4月期間進(jìn)行并完成。根癌農(nóng)桿菌EHA105由本實驗室保存。植物表達(dá)載體p2355由中國科學(xué)院成都生物研究所馬欣榮實驗室在p外源基因由多克隆位點區(qū)插入;中間載體pint由四CAMBIA2301基礎(chǔ)上構(gòu)建,SK-川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院黃維藻博士惠贈。載體示意圖見圖2。1.2。茫粒暮停茫茫一蚱蔚姆蛛x克隆

))根據(jù)N登錄號:和C登錄號:基因c選取其CBI中的黑麥草CAD(AF472591.1CR(AF278698.1DNA序列,中約2應(yīng)用P分別設(shè)計C反向目的片段的上下游2對引物(表00~300brimer6.0軟件,AD和CCR正、。鸬钠危,正向片段和反向片段引物的擴增序列相同,而酶切位點不同,以使目的片段定向插入載體中。1

預(yù)期C加酶切位點1共計2加酶切位點1共計AD片段長度256b2b68bCCR片段長度194b2bp,p,p;p,p,206bp。

第22卷第5期草業(yè)學(xué)報2013年75

圖2 載體結(jié)構(gòu)簡圖Fi.2。裕瑁澹悖幔螅螅澹簦簦澹铮妫觯澹悖簦铮颍蟆  。

int結(jié)構(gòu)簡圖。pintsimlifieddiaram.B:植物表達(dá)載體pheexressioncassetteoftheexresSKSK2355表達(dá)盒示意圖。Tlant。粒褐虚g載體p--        -pgpppsionvectoriCAD和piCCR干擾片段表達(dá)盒示意圖。TheexressionvectoriCADandiCCRin2355.C:重組植物表達(dá)載體p2323lant2323 。   。 。。穑穑穑穑穑簦澹颍妫澹颍澹睿悖澹妫颍幔恚澹睿簦澹颍澹螅螅椋铮睿悖幔螅螅澹簦簦澹洌椋幔颍幔恚   。纾穑纭

表1 用于擴增C反向片段的寡核苷酸引物AD、CCR正、

Table1。樱澹酰澹睿悖澹螅铮妫铮欤椋铮睿酰悖欤澹铮簦椋洌澹颍椋恚澹颍螅酰螅澹洌妫铮颍幔恚欤椋妫椋悖幔簦椋铮睿铮妫茫粒模茫茫遥妫颍幔恚澹睿簦蟆        。瘢纾穑穑

引物名稱Primername 

cad1-cad2-cad3-cad4-ccr1-ccr2-ccr3-ccr4-

引物序列Primerseuences q

GGATCCGACGATGTGACGATCAAGGTGCTC。牵粒牵茫牵裕茫粒牵牵牵裕牵牵牵牵茫粒牵粒粒牵裕浴。牵粒牵茫裕茫牵粒茫牵粒裕牵裕牵粒茫牵粒裕茫粒粒牵牵裕牵茫裕谩。牵粒粒裕裕茫裕牵粒牵茫牵裕茫粒牵牵牵裕牵牵牵牵茫粒牵粒粒牵裕浴。牵牵粒裕茫茫粒粒牵茫茫牵粒茫茫裕茫茫裕茫牵粒茫裕粒裕牵粒裕牵谩。粒粒牵茫裕裕牵茫茫牵粒裕牵牵粒茫牵粒茫牵裕牵粒粒茫粒茫谩。牵粒牵茫裕茫粒粒牵茫茫牵粒茫茫裕茫茫裕茫牵粒茫裕粒裕牵粒裕牵谩。牵粒粒裕裕茫牵茫茫牵粒裕牵牵粒茫牵粒茫牵裕牵粒粒茫粒茫谩

酶切位點Restrictionsite 

擴增片段Amlificationframents pg

BamHI 。龋椋睿洌桑桑伞。樱幔悖伞 。牛悖铮遥伞。拢幔恚龋伞 。龋椋睿洌桑桑伞。樱幔悖伞 。牛悖铮遥伞

)。C預(yù)期長度2CAD正向片段(68bADfor -p)wardframent(exectedlenth268b.  。纾穑纾稹#妙A(yù)期長度2CAD反向片段(68bADre。穑觯澹颍螅澹妫颍幔恚澹睿簦ǎ澹澹悖簦澹洌欤澹睿簦瑁玻叮福猓  。纾穑纾。C預(yù)期長度2CCR正向片段(06bCRfor -p))wardframent(exectedlenth206b.  。纾穑纾。C預(yù)期長度2CCR反向片段(06bCRre。穑觯澹颍螅澹妫颍幔恚澹睿簦ǎ澹澹悖簦澹洌欤澹睿簦瑁玻埃叮猓  。纾穑纾

 下劃線部分為酶切位點。

heunderlinedindicatethesitesofrestrictionenzmes. T      。

)用R反轉(zhuǎn)錄成c作為擴增目的片段NA,T-PCR試劑盒(TaKaRaDNA,  提取新鮮的野生型黑麥草葉片總R

。擴增條件為的模板。用引物c表1)ad1和cad2、ccr1和ccr2分別PCR擴增出CAD和CCR的正向片段(----;,,,(;。擴增產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳,切下目94℃5min94℃45s55℃45s72℃45s35個循環(huán))72℃7min()上海生工)回收后與p連接,篩選重組子并測序(上海的條帶用DNA GelExtractionKitTaKaRaMD19 。暂d體(,)生工)測序結(jié)果用D版本5.軟件進(jìn)行分析。NAMAN(2.2

以含有C分別以cAD或CCR正向片段的重組pad3和cad4、ccr3和ccr4為引物,MD19-T載體為模板,----,表1)再分別克隆到p篩選重組子,酶切驗證并測序分PCR擴增出CAD和CCR的反向片段(MD19-T載體中,析。

1.3。穑椋茫粒暮停穑椋茫茫抑参锉磉_(dá)載體構(gòu)建2323--

含有正向目的片段的重組p分別回收小片段,與經(jīng)相同酶MD19amHI和HindIII雙酶切,-T載體分別經(jīng)B  切的中間載體p篩選重組子并酶切驗證。再將含Cint連接,AD或CCR反向片段的重組pSKMD19--T載體分別用E回收小片段分別插入已經(jīng)含有C篩coRI和SacI雙酶切后,AD或CCR正向片段的重組中間載體相應(yīng)位點, 酶切驗證。分別獲得含有干擾片段的中間載體p具有發(fā)卡結(jié)構(gòu)的干擾片段分選重組子,iCAD和piCCR,SKSK--別稱為iCAD和iCCR。

將重組中間載體分別用B分別獲得iamHI和SacI雙酶切后,CAD或iCCR目的片段。將目的片段分別插  


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