主要使用的方法

二、主要使用的方法

1.花粉管通道法

目前,我国推广面积最大的转基因抗虫棉就是用花粉管通道法培育出来的。该方法利用植物在开花、受精过程中形成的花粉管通道,待授粉后向子房注射携带目的基因的DNA溶液,从而将外源DNA 导入受精卵细胞并进一步被整合到受体细胞的基因组中,最后随着受精卵的逐步发育而成为转基因新材料。刘冬梅等(2007)对花粉管通道法获得的棉花转基因后代的主要农艺性状进行了分析,转基因后代的形态、生育期、产量和纤维品质等有显著的变化。利用花粉管通道法获得的棉花转基因后代,其中仅有少部分符合孟德尔遗传分离定律,多数后代的遗传分离比例变化较大,存在着遗传分离多样性。马盾等(2007)分析了通过花粉管通道法获得的棉花转基因后代中外源基因的稳定性,当转基因后代种植到T3-T4 代时,有外源DNA 丢失现象,呈现出外源DNA 遗传不稳定性。采用花粉管通道法导入外源DNA 的方法有子房注射法和柱头滴注法,花器官较大的作物,如棉花可采用子房注射法,而花器官较小的作物,如水稻则采用柱头滴注法较好。

2.子房和幼胚注射法

胚囊、子房注射法是指利用显微注射仪或微注射针将携带目的基因的溶液注入子房或胚囊中,依靠子房或胚囊产生的压力及卵细胞的吸收使外源基因进入受精的卵细胞中。胚囊、子房注射法简便可行,特别对于子房大、多胚珠的植株更为适宜。1991 年,刘博林(1989)等将龙葵阿特拉津抗性psbA 基因通过合子期子房注射法导入大豆叶绿体基因组中,首次获得转基因大豆植株。1993年,丁群星(1993)等利用子房注射法将基因导入了玉米自交系。李余良(2005)等用子房注射法将Bt 抗虫基因导入超甜玉米品种粤甜3号,获得了1 株整合有Bt 基因的转基因植株,转化率为9.09%。田间子房注射转化法主要用于子房较大的作物,如棉花、玉米、瓜类。近年来,关于子房注射法是否属于花粉管通道法存在一定的争议。事实上,若外源基因是通过花粉管通道进入植株胚囊的,则将子房注射法归为花粉管通道法并无异。而近年来,常有利用注射针将外源基因从子房不同部位注入植株子房,从而对胚囊进行转化的转基因方式,所以外源基因进入胚囊的部位不同,两者仍有所不同。刘其府等(2013)将根癌农杆菌注入金钗石斛的子房中,注射的方向为垂直于子房纵向的方向,并未经过花粉管通道,最终发现利用子房注射法可将农杆菌成功运用在兰科植物的转基因工作中。该方法成功的关键是注射时间、注射位置以及深度的熟练操作,子房经注射后受到创伤是影响转化效率和结实率的原因。因此,要提高该方法的转化率还需要继续改进注射工具,增加注射精确度,提高操作的熟练程度。

3.蘸花Floral-dip法(浸花法)

1998 年,Clough 和Bent (1998)在菌液中加入表面活性剂Silwet L-77,取消抽真空,建立了蘸花法。Floral-dip法是在拟南芥真空渗透法的基础上发展起来的,在植株的花蕾期,将花序浸渍在含有表面活性剂的工程农杆菌菌液中,经表面活性剂的吸附和渗透作用,强化和刺激细胞的转化。Janice 等(2009)用浸花的方法成功转化了六倍体小麦并能稳定表达外源基因。该方法用处于开花前,单核小孢子的前、中、后期的小穗做试验。最合适的小穗长度为6~7 cm,此时小穗还未露出叶鞘,用剪刀轻轻去除叶鞘并剪去正在发育的小花,去除顶端和未端发育不良的小花而保留中部的小花,保留的小花剪到颖壳的末端,处理过的小穗浸在农杆菌浸染液中1.5~2 min,并套塑料袋2 d以保持较高的湿度,然后去除塑料袋使小穗在空气中晾干。当小穗发育到开花期时,套上羊皮纸袋以阻止异花授粉,尽管这会降低结实率。成熟的种子记为T0,收获并进行筛选。在T0 代植株上检测到了转基因信号,并观察到相关基因的表型。试验结果表明,不使用组织培养技术的浸花转基因方法,可以获得稳定遗传低拷贝数的转化株,在T5 和T6 代都观察到了基因的表达。Bartholmes 等(2008)以两年生草本植物荠菜为材料,用2 种农杆菌LBA4404 和GV3101为载体,以GFP 和BAR 为标记基因,通过浸花的方法进行转化。结果表明,两种基因在转化后代中成功表达。

4.胚性组织浸染法

近年来发展起来一种浸染转化法,不同的研究单位方法不同。其原理是根据种子的发芽生理机制,将外源DNA 随着种子或幼胚的萌发生长进入种胚细胞,在当代就能表现出变异,并得到遗传。该方法主要是利用植物细胞自身的物质运转系统将外源DNA 分子直接导入受体细胞。(https://www.daowen.com)

目前已证实植物细胞可以通过三种途径吸收外源DNA:

(1)通过细胞间隙与胞间连丝组成的网络化运输系统,外源DNA 可被运输到每一个细胞内;

(2)通过类似动物细胞的内吞作用将外源DNA摄入细胞内;

(3)通过细胞的膜透性改变,大分子物质如外源DNA 透过细胞膜的机会大大增加,特别是在生殖细胞、胚胎细胞以及分生细胞中。

Rohini 等(2000)用该方法在花生上获得成功,转化效率达3.3%~5.3%。王成杰(2004)初步建立了利用农杆菌转化小麦萌芽种子的方法,并证明外源基因已转移到植物细胞中。

山西省农科院孙毅等发明了以萌动胚为受体转化玉米的方法,该方法利用种子萌动时,细胞分裂加快,生活力旺盛,具最佳感受态,这时一方面靠吸胀作用吸入外源DNA,另一方面辅助划胚露出生长点,在AS(乙酰丁香酮)作用下,通过活体农杆菌对伤口的侵袭作用,从而形成转化分生组织及新的生长点,分化出转化苗。梁雪莲等(2005)用此方法与花粉介导、子房注射法在玉米上转化bar 基因,从转化率与操作简便程度上进行比较,认为花粉介导优于萌动种胚法,且两者又优于子房注射法。笔者在2013 年也采用该方法对玉米和棉花进行了试验:首先用无菌针灸用针在已消毒过的棉花和玉米种子胚芽生长点位置处针刺2~3 下,接着将针刺后的种子置于含有目的基因的农杆菌菌液中共培养24~48 h,然后取出用无菌水反复冲洗后,置于培养皿内催芽,待芽长长至1~2 cm,播种于温室营养钵内,在温室内生长至3~5 片叶子时,进行抗生素涂抹,初步筛选。经过大田筛选及PCR 检测,棉花未获得转化植株,玉米转化率为1.4‰,这是由于玉米的胚芽位置可见,而棉花的胚芽生长点包裹于子叶内,增加了针刺的难度。应用农杆菌转化萌动种胚时,划胚技术和工具、共培养时间、不同品种在受到针刺后的耐受性是影响转化率的关键因素。该方法因种子具有自然的生长发育能力,操作简单,且种胚作为受体不受季节限制,适用范围广泛。

5.花粉介导法

花粉介导法,以花粉为载体将外源基因导入植株胚囊,参与有丝分裂,最后直接得到转基因种子的一种非组培转化方法。转化后的花粉通过有性杂交可以将外源遗传物质传递给后代,也可以进行体外细胞培养,结合染色体加倍技术获得含外源基因的纯合双倍体。花粉介导法由Leonne等(1995)建立,据报道他们以成熟的花粉为受体,采用这一方法将外源基因导入烟草,获得了稳定表达的植株和后代。王景雪等(2001)首次利用花粉介导法获得了玉米转基因植株,其后解志红(2002)、杜春芳(2006)、杜建中(2007)等分别利用该转化方法将外源基因导入棉花、油菜和玉米中。花粉介导法往往需要超声波辅助,在盛花期取当天开花的新鲜花粉,将花粉悬浮于蔗糖溶液,向溶液中加入载体质粒DNA,随后进行超声波处理。将处理后的花粉授粉到去雄过的受体材料上,对转化植株套袋标记,成熟后收获转化种子(T0 代种子)。花粉介导法适用于大部分开花植物,对基因依赖性小,是一种经济、实用而高效的转化方法。同时,花粉介导转化法比子房幼胚注射法对胚的损伤程度小,造成不育和畸形的比率也小,有利于形成正常的种子。