2.3生产口服疫苗
花生叶片和种子中蛋白质含量较高,积累蛋白能力较强,因而是较理想的口服疫苗植物反应器.朱剑光等(2006)利用农杆菌介导方法,将乙肝表面抗原主蛋白基因(SHBs)转化花生下胚轴外植体,获得经PCR 和 Southern 杂交验证的转基因植株 . 利用ELISA 方法检测出 SHBs 在花生叶片中的表达。
牛瘟病毒引起牛、羊和野生反刍动物死亡率很高的、传染性性极强疾病,利用转基因花生作为重组亚单位疫苗的表达系统是最经济有效的群体免疫方式.Khandelwal等(2003)将牛瘟病毒(RPV)血凝素(H)蛋白基因通过农杆菌介导的茎尖外植体转化,获得Southern杂交证实的转化植株,多克隆H抗体的免疫杂交证实了血凝素蛋白的表达.T1植株中血凝素蛋白的表达表明转基因的稳定整合.Athmaram等(2006)利用基因枪法将蓝舌病基因(BTVP2)转入花生体细胞胚,Southern杂交表明BTV-P2 DNA整合入花生转化植株,RT-PCR证实了BTV-P2基因的转录.初步展示了体细胞胚再生体系的有效性及花生做为生物反应器生产疫苗的潜在价值.
人源轮状病毒(HRV)是世界范围内引起婴幼儿传染性重症腹泻的主要病原。VP4 是 HRV 的外壳蛋白,也是重要的抗原蛋白。刘峰等(2008)利用农杆菌介导VP4基因转化花生子叶,获得经 Southern 和Western杂交验证的阳性植株。贾宇臣等(2012)使用植物油体表达载体,以花生子叶节外植体为转化受体,通过农杆菌介导将轮状病毒抗原蛋白 G3VP7 基因进行遗传转化.PCR-Southern 证明外源基因在花生基因组的整合。为以植物为载体生产廉价、高效的植物口服疫苗奠定了基础.
2.4提高抗旱性
Bhatnagar-Mathur 等(2007)将胁迫诱导表达启动子驱动的拟南芥转录因子基因AtDREB1A转化干旱敏感花生品种JL-24 的子叶外植体,获得 Southern杂交证实的转化后代.挑选 5 个转化体 T3后代进行干旱试验,4 个在水分充足条件下表现较高的蒸腾效率,在水分胁迫下,其中一个转化后代的蒸腾效率较非转基因对照提高40%.脱落酸(ABA)在植物的胁迫响应中起着重要作用,在盐胁迫、冷胁迫、干旱胁迫条件下,ABA 水平显着上升(Zeevaart and Creelman, 1988)。9- 顺式 - 环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCED)是 ABA 生物合成过程中的关键酶(Taylor et al., 2000)。覃铭等(2010)构建35S驱动的花生NCDE1基因过表达载体,并以子叶为外植体实施了农杆菌介导的遗传转化。转基因植株地上部分 ABA 含量增加,PEG 胁迫 10 h 转基因叶片NCED1表达增强,内源 ABA 水平积累,超氧化物水平降低。
Qin 等(2011)将胁迫诱导启动子驱动的异戊烯基转移酶(IPT)基因利用农杆菌介导转化花生子叶,获得耐旱性好产量提高的转化后代。转化后代在灌溉减少的情况下与野生型相比具有较高的光合速率、气孔导度和蒸腾量.Asif等(2011)通过农杆菌介导将35S驱动的Na+/H+反向转运体基因AtNHX1转入花生,PCR和Southern杂交证实了转基因的整合.转基因植株具有较强的耐盐性和耐旱性,转基因叶片中的盐和脯氨酸水平高于对照.
2.5提高抗真菌侵染能力
Rohini和Rao (2000)利用农杆菌介导花生品种TMV-2 茎尖转化 35S 启动子驱动的烟草几丁质酶基因载体,Southern 杂交证实了转化基因在花生基因组的整合,小规模田间鉴定表明转化后代提高了抗真菌能力.在作物中过量表达病程相关蛋白基因能够提高作物的抗病性.葡聚糖酶能够水解病原真菌细胞壁中的主要成分葡聚糖,是植物的防御屏障.Sundare-sha 等(2010)利用烟草 β-1,3 葡聚糖酶基因转化花生TMV-2 顶端分生组织,获得稳定整合和表达的转化后代.转基因花生对褐斑病病原真菌和黄曲霉菌均表现抗性.等(2005)利用基因枪法将大麦的草酸氧化酶基因载体(pOxOx)转化花生上胚轴诱导的胚性愈伤,载体含有双35S 增强型启动子,经 40 mg/L潮霉素选择,获得 Southern 和 Northern 杂交证实基因整合和表达的后代.离体叶片检测表明,在高草酸浓度下,转基因植株叶片的病斑显着小于非转基因叶片,小菌核菌丝接种试验显示,转基因植株叶片的病斑比非转基因叶片减小75%~97%.Niu 等(2009)利用基因枪法将真菌生长抑制剂氯化物过氧化物酶基因(cpo-p)转化花生,Southern 杂交、Northern 杂交和 Western 杂交证实了 copo-p 基因的整合和表达.转基因 T0、T1和T4的粗蛋白提取物对黄曲霉菌丝生长有抑制作用。
防御素是一种具有抗真菌能力的肽。Swathi A-nuradha 等(2008)利用农杆菌介导法将芥菜防御素基因转化花生JL-24 胚轴外植体,提高了花生抗晚斑病真菌侵染能力.SniOLP和 RsAFP2 也属于病程相关蛋白基因。
Vasavirama 和 Kirti (2012) 利用农杆菌介导法将 35S启动子分别驱动的这两个基因的双基因载体转化花生 JL-24 子叶节外植体,PCR、RT-PCR 和 Southern 杂交证实转基因的稳定整合和表达。转化植株增强了晚斑病抗性,表现病斑数目减少、面积减小,显症延迟。
Iqbal 等(2012)将增强 5S 启动子驱动的水稻的几丁质酶 -3基因通过农杆菌介导转入花生GOLDEN和BARI-2000子叶节外植体,Southern杂交证实转化基因的整合.转化率超过42%.叶斑病孢子接种鉴定表明转基因植株具有较高的抗性,几丁质酶活性与真菌抗性间具有相关性.Prasad等(2013)通过农杆菌介导将水稻几丁质酶基因转化3个花生品种JL24 (珍珠豆型)、ICGV89104珍珠豆型)和ICGV86031 (弗吉尼亚型)子叶外植体,获得30个转化后代,PCR、RT-PCR和Southern杂交证实了转基因的稳定整合和表达,转基因在自交后代呈孟德尔分离模式(3:1)。转基因植株叶片几丁质酶活性比对照提高 2~14 倍。大部分转基因种子的离体接种黄曲霉侵染率为 0~10%.离体叶片的晚斑(LLS)和锈病抗性检测与非转化对照相比表现出较长的潜伏期、反应时间和较低的侵染率。几丁质酶活性与检测3种真菌的侵染率呈显着负相关.
2.6提高除草剂抗性
Chu 等 (2008a)利用基因枪法将人类 Bcl-xL 转化花生品种 Georgia Green,通过潮霉素筛选获得 80 个抗性愈伤系.10 个可育系的 Southern 杂交表明其大多为Bcl-xL基因的多拷贝插入。4 个转基因系当代及其T1代的Western 杂交可检测到 Bcl-xL 基因的表达蛋白.在其它转基因系中没有检测到 Bcl-xL 蛋白,尽管RT-PCR 和 Northern 杂交证实了转录本的存在。只有 1 个系的 T1代表现Bcl-xL基因的中等表达水平,其它3个系或者不育,或者不再检测到表达。这一个转化的 T1系表现出对5 μmol/L百草枯的耐受性。推测Bcl-xL基因的高水平表达尽管可能赋予植物生物或非生物胁迫抗性,但对植物生长也许是有害的。
2.7抑制过敏原
Dodo等(2008)以农杆菌介导遗传转化花生下胚轴,利用RNA 干扰技术降低花生过敏原 Ara h2 的致敏性。PCR 和 Southern 分析表明 44%的植株获得转基因的稳定整合,ELISA 分析显示一些转基因种子中Ara h2 含量显着降低,Western 免疫杂交显示一些转基因T0种子的粗蛋白中检测不到Ara h2,转基因种子的IgE 结合能力显着降低,显示了利用 RNA 干扰技术缓解花生过敏性反应的可行性。
Chu 等 (2008b)还用基因枪法同时沉默了花生蛋白过敏原 Ara h2 和 Ara h6,获得 3 个独立的转化系,其中 2 个是单拷贝转基因整合,1 个含多拷贝转基因。Ara h2 的表达在 3 个系中均被抑制,Ara h6 的表达只在2个系中降低.转基因和非转基因分离后代的种子粒重和发芽率没有显着差异,转基因系与对照的黄曲霉侵染及真菌生长状况也无显着差异.
2.8提高油酸含量
李桂民(2005)利用hpRNA介导的基因沉默技术抑制花生FAD2B基因的表达,T1种子的油酸含量由38%提高到77%.陈占宽等(2006)构建了花生FAD2基因hpRNAi载体并进行了农杆菌介导的遗传转化;经检测分析,转化后代油酸亚油酸比值(油亚比)显着提高(黄冰艳等, 2008)。Yin 等(2007)利用农杆菌介导的RNA 干扰技术也获得油酸含量达 70%的白沙1016转化后代,但结实率偏低。山东省花生研究所将FAD2B 反义载体通过花器注射法转入花生品种花育22 号,T0代种子油亚比也得到显着提高(王传堂和张建成, 2013, 花生遗传改良, pp.172)。
3 讨论
虽然花生基因工程近年来取得了较大进展,但其较低的转化再生效率依然是主要的限制因素.各种转化方法各有优势及缺陷,基因枪法转化胚性组织,诱导再生率低,稳定遗传转化后代比例高,但组培再生周期长,而且多拷贝现象严重,影响转基因的表达(Chu et al., 2008b; 2013);农杆菌介导子叶或茎尖转化法,形态建成方式一般为器官再生途径,诱导再生率高,组培再生周期短,转基因拷贝数低,但稳定遗传转化后代比例低,假阳性率高,嵌合体较多,影响转基因的稳定遗传(Swathi Anuradha et al., 2006)。
受体基因型是决定遗传转化效率的另一个关键因素,不同基因型对诱导、再生的响应存在显着差异。
国外研究报道中多数基因型为Georgia Green,JL24和TMV-2,国内使用的受体基因型大多为各地推广品种(徐平丽等, 2003; 黄冰艳等, 2008; Bhatnagar etal., 2010)。
不同基因型及外植体的诱导再生率及基因转化率变异范围很大,诱导频率变幅为 4%~100%,再生效率 1%~85%,转化率 0.3%~75% (Sharma andAnjaiah, 2000;苗利娟等, 2012; Chu et al., 2013)。扩展转化受体的基因型范围对利用基因工程技术改良现有优良品种的特定性状具有重要意义.外植体的类型不仅影响组培再生能力和效率,也决定了筛选剂的应用效果。花生叶片及子叶富含蛋白质或脂肪,花生种子的胚轴、胚小叶基本分化完全,子叶外植体或胚轴外植体均较大,都会影响分化再生、农杆菌的侵染效率及筛选剂的选择效果。胚性愈伤是目前较理想的转化受体,进一步探索可重复诱导的胚性愈伤再生技术体系,不仅将对花生遗传转化效率的提高起到巨大的推动作用,而且可为花生建立正向筛选体系提供技术支撑.目前的花生转化体系对引入特定目标性状的个别基因具有一定效果,但仍不能满足高通量的功能基因组研究需要,转基因技术需要在转化效率和基因型范围方面进一步提高和拓展,建立起稳定、高效的诱导、再生和转化体系,才能真正推动花生功能基因组学研究及在特异种质创新中发挥作用.作者贡献黄冰艳和苗利娟是本文的方案设计和执行人,完成资料分析、论文初稿的写作;张新友是项目的思路设计负责人,指导论文写作;齐飞艳和石磊参与数据统计;董文召和汤丰收参与论文修改。全体作者都阅读并同意最终的文本。