转IrrE基因甘蓝型油菜农艺性状的分析

摘要:文章主要研究了转IrrE基因T1代甘蓝型油菜在自然条件与Nacl盐胁迫条件下的农艺性状,结果表明:以自然条件下的野生型油菜为对照,自然条件下的转IrrE基因油菜在株高、主花序长度、全株有效角果数差异极显著,而分枝部位高度和分枝个数差异不显著。300mM NaCl高盐胁迫条件下的转IrrE基因油菜,株高、主花序长度、全株有效角果数差异极显著,分枝数差异不显著。

关键词:IrrE基因;甘蓝型油菜;Nacl胁迫

中图分类号:S565.4 文献标识码:A 文章编号:1674-0432(2010)-06-0058-3

油菜属十字花科芸薹属植物,是世界上最重要的油料作物之一。它作为重要的食用油来源及工业原料,在2000年度我国油菜籽进口量一度创下385.5万吨的历史最高纪录,目前我国油菜仍然供不应求。扩大油菜种植面积,提高油菜产量已成为我国油菜生产的当务之急。但是,土壤盐渍化日趋严重,联合国粮农组织的调查结果显示,全球6%的陆地面积遭受着土壤盐渍化的侵蚀,20%的灌溉农业受到不同程度的盐害威胁。当前,全球盐碱地面积已达9.5×108hm2。中国盐渍土总面积约1亿hm2,其中现代盐渍化土壤约0.37亿hm2,残余盐渍化土壤约0.45亿hm2,潜在盐渍化土壤约0.17亿hm2。土壤盐渍化问题可谓触目惊心,正肆无忌惮地吞噬着人类赖以生存的有限的土地资源,成为严重制约农业生产的一个全球性问题。

传统育种方法育成一个新品种,往往需要经过多年多次杂交,育种周期过长,有时还会使某些优良性状难以保持,给某一单一性状的改良带来了极大的不便。而植物基因工程是在基因水平上来改造植物的遗传物质,更具有科学性和精确性,同时育种速度也大大加快,能定向改造植物的遗传性状,提高了育种的目的性与可操作性。目前,植物基因工程中抵抗胁迫的策略主要有:一是在植物体内表达相关信号传导及调控代谢途径的基因;二是表达能直接赋予植物耐受胁迫能力的基因;三是表达维持细胞结构、功能所需代谢物的合成途径中所需酶的基因。

IrrE基因是来源于耐辐射奇球菌的转录因子,能增强耐辐射奇球菌对电离辐射、强氧化剂、紫外线、干燥和一些化学诱变剂的抗性。在我们前期的研究中,该转录因子能显著增强植物的耐盐性。但是,转基因植株农艺性状的好坏直接影响该转基因植物的应用。杜建中的研究表明:转基因手段对油菜植株的角果数、角粒数和千粒重等性状没有太大影响。这与官春云的研究中转基因油菜农艺性状与对照比较变化不大的结果相一致。由此可见,可以通过转基因方法与传统育种方法密切结合来改良现有油菜品种性状,从而培育出油菜新品种是完全可能的。在本研究中,为了掌握转基因油菜的特征特性,明确转入盐胁迫耐受相关IrrE 基因油菜和野生型油菜在盐胁迫与自然条件下有关农艺性状的主要差异,本实验对转IrrE基因甘蓝型油菜(自然条件)、转IrrE基因甘蓝型油菜(300mM NaCl胁迫)、非转基因甘蓝型油菜(自然条件)三者农艺性状进行比较研究,为转基因油菜育种的正确选择提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 植物材料 转基因种子(蜀杂9号恢复系8400-18导入IrrE基因)为本实验室保存,野生型甘蓝型油菜种子(蜀杂9号恢复系8400-18)由四川大学生命科学院生物资源与环境教育部重点实验室杨毅教授惠赠。

1.1.2 转IrrE基因油菜苗和野生型油菜苗的准备 将油菜种子用浓度为2%的次氯酸钠溶液浸泡10min消毒,流水冲洗3-5次后吸胀12h,置于25℃光照培养箱中萌发24h,再用蒸馏水清洗萌发的种子2-3次。将萌发一致的种子插播在装有已灭菌石英砂的瓷盘中,浇上适量水,置于组织培养室 (25±1℃,光照12h)培养,每天补充水2次。待幼苗长至3-4片叶后,对于野生型油菜苗,一部分直接栽种于土壤中,另一部分用含有150-200mmol.L-1 Nacl的1/2 MS溶液对油菜进行盐处理,而对于转IrrE基因油菜苗一部分直接栽种于土壤中,另一部分用含有300mmol.L-1 NaCl的1/2 MS溶液对油菜进行盐处理。

1.2 方法

农艺性状实验主要于绵阳师范学院苗圃基地进行,小区面积约为12m2,采用随机区组设计,重复3次,常规管理。野生型油菜苗在150-200mmol.L-1Nacl的1/2 MS溶液对油菜进行盐处理后七天就全部死亡,其它油菜苗在成熟前每小区随机选取正常生长的15株进行考种,考察株高(cm)、有效分枝部位高度(cm)、主花序长度(cm)、分枝数(个)、全株有效角果数(个)共5个农艺性状。

2. 结果与分析

2.1 盐处理转IrrE基因油菜主要农艺性状变异分析

由表1可知,各性状变异系数从大到小依次为:全株有效角果数>分枝部位高度>分枝数>主花序长度>株高。说明盐处理后的转IrrE基因油菜在性状上变异丰富,性状变异系数都在10%以上,最大为全株有效角果数,其变异系数为33.7%。另外,从极差值看,各性状极差值都达相同性状最小值1倍以上,分枝部位高度最大,达27.5倍。即使极差最小的株高也达最小材料的1.8倍。由此可见,供试的转IrrE基因油菜各具特点,差异较明显,类型较广泛。

表1 盐处理转基因油菜主要农艺性状情况

项目 株高(cm) 分枝部位高度(cm) 主花序长度(cm) 分枝数(个) 全株有效角果数(个)

最小值 41 2 10 2 96

最大值 115 57 42 9 299

极差 74 55 32 7 203

平均值 98.86 40.9 27.2 6.07 193.87

标准差 18.1 13.46 7 1.98 65.43

变异系数% 18.3 32.9 25.7 32.6 33.7

2.2 非盐处理转IrrE基因油菜主要农艺性状变异分析

由表2可知,各性状变异系数从大到小依次为:全株有效角果数>分枝数>主花序长度>分枝部位>株高。全株有效角果数的变异系数最大为31.35%,株高的变异系数最小为5.49%,其余性状的变异性在这两者之间,但变异性状都在10%以上。从极差上看,全株有效角果数极差值达相同相同性状最小值的1.33倍,而株高仅为21.09%。从以上数据看出,供试材料各性状之间差异不是很明显,类型一般广泛。

表2 非盐处理转基因油菜农艺性状情况

项目 株高(cm) 分枝部位高度(cm) 主花序长度(cm) 分枝数(个) 全株有效角果数(个)

最小值 128 55 31 4 165

最大值 155 83 51 9 384

极差 27 28 20 5 219

平均值 144.13 68.87 42.00 6.87 226.73

标准差 7.92 7.99 4.98 1.36 71.09

变异系数% 5.49 11.6 11.85 19.8 31.35

2.3 野生型油菜主要农艺性状变异分析

由表3可知,各性状变异系数从大到小依次为:全株有效角果数>分枝部位高度>主花序长度>分枝数>株高。说明非转基因油菜在性状上变异丰富,性状变异系数都在10%以上,最大为全株有效角果数,其变异系数为51.82%,最小为株高,变异系数为13.03,其余性状介于两者之间。另外,从极差值看,各性状极差值与相同性状最小值之比,最大为全株有效角果数,达5.56倍,最小为株高,达49.25%。由此可见,供试的转非基因油菜各具特点,差异较明显,类型较广泛。

表3 野生型油菜农艺性状情况

项目 株高(cm) 分枝部位高度(cm) 主花序长度(cm) 分枝数(个) 全株有效角果数(个)

最小值 134 32 43 6 161

最大值 200 104 85 10 1057

极差 66 72 42 4 896

平均值 174 71.93 62.83 7.40 453.33

标准差 22.67 17.44 12.14 1.18 234.92

变异系数% 13.03 24.24 19.32 15.95 51.82

2.4 转基因盐处理油菜和转基因非盐处理主要农艺性状的差异分析

盐处理转基因油菜与非盐处理转基因油菜农艺性状差异见表4。由表四可知转基因非盐处理材料与转基因盐处理材料的主要农艺性状在株高、主花序长度、分枝部位高度、全株有效角果数极显著,分枝个数不显著。说明盐处理对转基因油菜的分枝数影响不大,但对其余各性状的影响是极显著的。

表4 处理转基因油菜和非盐处理转基因油菜的比较

项目 P值 显著性

株高 P

分枝部位高度 P

主花序长度(cm) P

分枝数(个) P=0.103 不显著

全株有效角果数(个) P=0.0035 极显著

2.5 转基因非盐处理油菜和野生型油菜主要农艺性状的差异分析

非盐处理转基因油菜与野生型油菜农艺性状差异见表5。由表5可知转基因非盐处理油菜和野生型油菜的分枝部位高度和分枝数的差异不显著,表明IrrE基因对油菜的这两个性状的影响不大,但株高,主花序长度,主花序长度和全株有效角果数的差异极显著,说明IrrE基因对油菜生长的农艺性状有一定的影响。

表5 转基因非盐处理油菜与非转基因油菜的比较

项目 P值 显著性

株高 P

分枝部位高度 P=0.2705 不显著

主花序长度(cm) P

分枝数(个) P=0.1305 不显著

全株有效角果数(个) P=0.003 极显著

3 讨论

IrrE又叫PprI,是近年来在耐辐射球菌(Deinococcus radiodurans DR)中发现的一个极其重要的DNA修复开关基因。研究表明,该基因表达的蛋白是DNA修复及保护途经的总开关,在植物中能促进DNA修复和保护植物免受氧化损伤。据以前的推测,细菌和植物细胞对渗透胁迫响应有着惊人的相似,因为在相同的高渗透条件下,来自植物类和细菌类的两个物种都积累了相同的细胞质溶质。因此,植物和细菌似乎存在极为类似的机制来调节不同的胁迫响应。在我们前期的研究中,将IrrE基因通过弄农杆菌介导法转入油菜,该转基因油菜能表达IrrE基因,并能够耐受350mM NaCl的胁迫长达六周,转移到大田后,该植株能正常开花、结实,这进一步证实了微生物基因可用于改良植物农艺性状的潜在价值,也表明了IrrE基因可能能够作为盐胁迫耐受性作物基因工程中一个潜在而有效的目标基因。

将外源基因导入油菜获得转基因植株,目的之一是培育转基因油菜品种,并将之应用到农业生产中。因此考虑转基因植株农艺性状的好坏是一个重要问题。前人在外源基因的导入对植物农艺性状的影响上研究结果不尽一致,可能与研究的条件、选择的植物种类及导入的基因等有一定的关系。崔海瑞等报道,将转Bt基因水稻与对照相比,转基因抗虫株系的农艺性状发生了明显变化。在大田生长的条件下,转基因抗虫植株的株高、穗长、育性、单株产量和千粒重明显降低,Lynch、Hayashinoyo、Peng J的研究也发现了类似的现象。在本文的研究中转基因非盐处理油菜和非转基因油菜分枝部位平均高度分别为68.87cm和71.93cm,两者之间的差异不显著,但株高、主花序长度和全株有效角果数的差异极显著。本研究与上面的结果一致。在唐柞舜的研究中,转基因植株后代在株高、穗数、穗长、穗粒数、结实率和千粒重等6个农艺性状与对照相比都不同程度发生变异。在我们的研究中,以自然条件下的野生型油菜作为对照,对转IrrE基因油菜(自然条件)、转IrrE基因油菜(300mM NaCl胁迫),结果表明:转IrrE基因盐处理甘蓝型油菜和转IrrE基因自然条件下甘蓝型油菜分枝数的差异不显著,株高、主花序长度、全株有效角果数差异显著。而转IrrE基因非盐处理油菜与野生型油菜之间的农艺性状在株高、主花序长度、全株有效角果数差异极显著,而分枝部位高度和分枝个数差异不显著。因此,外源IrrE基因的导入、NaCl高盐胁迫对T1代的转IrrE基因甘蓝型油菜主要的农艺性状会产生不同程度的影响,而对于T2、T3甚至纯合以后这些主要的农艺性状是否会回复到正常的水平还有待进一步的研究。

参考文献

[1]Kovda VA.Loss of productive land due to salinazation[J].Ambio(XII),1983,2:91-93.

[2]吕贻忠,李保国.土壤学[M].北京:中国农业出版社,2006:356-357.

基金项目:本研究由转基因生物新品种培育重大专项(2009ZX08009-091B),国家自然科学基金(30871555),教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-08-0940)和四川省教育厅(09ZA034)资助。

作者简介:奉斌(1980-),女,西南科技大学植物生物技术研究中心在读硕士研究生,研究方向:植物遗传学。