转基因水稻研究的现状与展望.ppt

转基因水稻的现状与未来姓名 专业 方向 时间 主要内容 1水稻遗传转化的现状 20世纪80年代末 水稻的遗传转化首获成功1988年 3个不同的研究小组以水稻原生质体为受体 采用 电击法 或 PEG介导法 等方法将外源基因导入到水稻中并获得再生植株 第一个研究小组 日本东北大学的Toriyama等以水稻原生质体为材料 利用电击法获得了水稻再生植株ToriyamaK ArimotoaY UchimiyaaH etal Transgenicriceplantsafterdirectgenetransferintoprotoplasts NatureBiotechnology 1988 6 1072 1074 第二个研究小组 英国诺丁汉大学的Zhang等以水稻原生质体为材料 利用电击法获得了水稻再生植株ZhangHM YangH RechEL Transgenicriceplantsproducedbyelectroporation mediatedplasmiduptakeintoprotoplasts PlantCellRep 1988 7 379 384 第三个研究小组 美国康乃尔大学学的Zhang等以水稻原生质体为材料 利用PEG介导法获得了水稻再生植株ZhangW WuR Efficientregenerationoftransgenicplantsfromriceprotoplastsandcorrectlyregulatedexpressionoftheforeigngeneintheplants TheorApplGenet 1988 76 835 840 Diagram 1水稻遗传转化的现状 1991年 Christou等使用基因枪转化的方法在水稻中获得成功 随后成为水稻遗传转化的常用方法之一ChristouP FordT KofronM ProductionoftransgenicRice OryzaSativaL plantsfromagronomicallyimportantindicaandjaponicavarietiesviaelectricdischargeparticleaccelerationofexogenousDNAintoimmaturezygoticembryos NatureBiotechnology 1991 9 957 962 Diagram 1993年 台湾中央研究院生物农业研究所的Chan等人首先采用农杆菌介导的方法获得了转基因水稻 ChanMT ChangHH HoSL etal Agrobacterium mediatedproductionoftransgenicriceplantsexpressingachimericalpha amylasepromoter beta glucuronidasegene PlantMolBiol 1993 22 491 506 1994年日本的Hiei等以水稻成熟种子诱导的愈伤为受体 建立了农杆菌介导的粳稻高效转化体系 使得农杆菌介导法逐渐成为了水稻转化最常用的方法 此后 粳稻的转化方法被进一步优化 使粳稻的遗传转化周期大幅缩短 HieiY OhtaS KomariT etal Efficienttransformationofrice OryzasativaL mediatedbyAgrobacteriumandsequenceanalysisoftheboundariesoftheT DNA PlantJ 1994 6 271 282 Diagram 2006年Hiei等对籼稻的转化体系进行了一些优化 使得籼稻的转化效率得到了一定的提高 HieiY KomariT ImprovedprotocolsfortransformationofindicaricemediatedbyAgrobacteriumtumefaciens PlantCellTissueOrganCult 2006 85 271 283 2008年Hiei等发表了一个粳稻和籼稻均适用的农杆菌高效转化的方法 根据他们的结果 采用幼胚作为外植体 籼稻的转化可以在两个半月内完成 且转化效率非常高 一个幼胚可以得到5 13个独立的转化植株 该转化体系的主要缺点是对于籼稻品种必须以幼胚为受体材料 而幼胚的采集和分离比较麻烦 且受生长季节的限制 HieiY KomariT Agrobacterium mediatedtransformationofriceusingimmatureembryosorcalliinducedfrommatureseed NatProtoc 2008 3 824 834 分类关系图表 2转基因抗虫水稻研究 转Bt基因抗虫水稻 转植物来源抗虫基因水稻 转动物来源的抗虫基因水稻 Diagram 2转基因抗虫水稻研究 2 1转Bt基因抗虫水稻研究来自于苏云金芽胞杆菌 Bacillusthuringiensis Bt 的Bt毒蛋白基因是目前世界上应用最为广泛的抗虫基因之一 曾千春等 2002 将cry1Ac基因导入籼稻明恢81获得抗虫纯合系 Tu等 2000 将cry1Ab Ac融合基因水稻进行了大规模的田间实验 在大田种植全生育期不喷施杀虫剂的条件下 发现转cry1Ab Ac的水稻二化螟 三化螟和稻纵卷叶螟高度的杀虫活性 Ghareyazie 2009 将cry1Ab 2A基因转化水稻发现其转基因的水稻对二化螟 三化螟和稻纵卷叶螟高度的杀虫活性 曾千春 吴茜 周开达 等 修饰的cry1Ac基因导入籼稻明恢81获得抗虫纯合系 遗传学报 2002 29 519 524TuJ ZhangG DattaK etal Fieldperformanceoftransgenicelitecommercialhybridriceexpressingbacillusthuringiensisdelta endotoxin NatBiotechnol 2000 18 1101 1104GhareyazieB AliniaF MenguitoCA etal EnhancedresistancetotwostemborersinanaromaticricecontainingasyntheticcryIA b gene MolBreed 2009 3 401 414 Diagram cry1Ab Ac 1Ab 2A Diagram 2转基因抗虫水稻研究 2 2转植物来源抗虫基因水稻研究植物来源的抗虫基因主要有植物凝集素基因和蛋白酶抑制剂基因等 其中雪花莲凝集素基因 GNA 是使用较为广泛的基因 Maqbool等 2001 Foissac等 2002 Nagadhara等 2004 Nagadhara等 2004 将GNA基因转入到水稻中 获得了纯合的转基因水稻家系 该转基因纯合家系可以显著降低稻飞虱的存活率和繁殖力 延缓稻飞虱发育进度并减少稻飞虱进食量 Diagram 2转基因抗虫水稻研究 除了植物凝集素基因外 蛋白酶抑制剂基因是另一大类常用的植物来源抗虫蛋白 目前已导入水稻的蛋白酶抑制剂基因有马铃薯蛋白酶抑制剂基因pin 丁玉梅等 2003 大豆胰蛋白酶抑制剂基因SKTI Lee等 1999 大麦胰蛋白酶抑制剂基因BTI Cme Alfonso等 2003 这些转基因植株对褐飞虱 二化螟 稻纵卷叶螟以及线虫等有一定抗性 Diagram 2 3转动物来源的抗虫基因水稻研究动物来源的抗虫基因在转基因植物中应用的不多 2001年黄建秋等将蜘蛛来源的杀虫基因SpI转入水稻品种秀水11和春江11中 发现转基因植株对二化螟 稻纵卷叶螟具有抗虫性 2转基因抗虫水稻研究 分类关系图表 3转基因抗病水稻研究 抗白叶枯病 抗稻瘟病 抗纹枯病 Diagram 3 1转基因抗水稻白叶枯病的研究水稻白叶枯病由白叶枯病菌 Xanthomonasoryzaepv Oryzae Xoo 引起 是世界水稻生产中最严重的细菌性病害 水稻遭受白叶枯病危害后 一般减产20 30 严重时甚至绝收 1998年张世平等将广谱抗白叶枯病主效基因Xa21转入到水稻中获得了抗白叶枯病菌水稻 翟文学等 2000 用农杆菌介导法将Xa21转入栽培稻包括生产上大面积推广的杂交稻恢复系MH63中 所有这些转基因植株都表现出Xa21的抗性 2008年吴家道等利用基因枪的方法将Xa21转入到籼稻恢复系明恢63和保持系皖B中获得了无选择标记的转基因抗白叶枯病水稻 其所配的杂交组合对白叶枯病的抗性也显著增强了 3转基因抗病水稻的研究 3 2转基因抗水稻稻瘟病的研究稻瘟病由稻瘟病菌 Magnapothegrisea 引起 可发生在水稻的各生育期和各个部位 2003年彭昊等将Pib基因转入粳稻品种日木晴 发现该转基因水稻对稻瘟病具有良好抗性 2010年陈德西将Pi d2基因转入水稻 发现其对稻瘟病有很好的抗性 3转基因抗病水稻的研究 1 2 急性型3 慢性型 中期 4 慢性型 后期 5 白点型6 褐点型 水稻稻瘟病 3 3水稻纹枯病纹枯病由纹枯病菌 Rhizoctoniasolani 引起 水稻纹枯病可造成水稻白穗 结实率下降 粒重减轻 一般减产10 30 发生严重时可减产50 以上 2003年汉城国立大学的Kim等将核糖体失活蛋白基因 RIP 转入水稻发现可以增强水稻对纹枯病的抗性 2009年中山大学生物工程中心袁红旭等将几丁质酶基因转入水稻发现 转入几丁质酶基因的水稻对纹枯病的抗性显著高于非转基因的 3转基因抗病水稻的研究 1 初期症状2 茎和叶鞘症状及菌核3 5 叶部症状6 穗部症状 水稻纹枯病 Diagram 4转基因抗除草剂水稻研究 对草丁膦抗性的转基因水稻 对草甘膦抗性的转基因水稻 对阿特拉津 西玛津 异丙甲草胺抗性的转基因水稻 4转基因抗除草剂水稻 4 1转Bar基因水稻抗草丁膦 phosphinothricin PPT 除草剂对草丁膦 phosphinothricin PPT 抗性的转基因水稻来自吸水链霉菌 Streptomyceshygroscopicus 的bar基因是转基因抗除草剂水稻用得最早 也是最常用的一个抗除草剂基因 导入bar基因 Bar基因编码PPT乙酰转移酶 因而可以解除PPT的活性 可以使转基因植物特异性地获得对草丁膦的抗性 目前 转Bar基因水稻抗草丁膦 phosphinothricin PPT 除草剂的报道较多 Oard等 1996 吴发强等 2006 富昊伟等 2001 于恒秀等 2008 4转基因抗除草剂水稻 4 2转EPSPS基因水稻抗草甘膦 Glyphosate 除草剂草甘膦是孟山都公司除草剂农达的有效成分 由于其具有高效 低毒和广谱等特点 已经成为世界上使用面积最大的除草剂品种 草甘膦作用的靶酶是5 烯醇丙酮莽草酸 3 磷酸合成酶 EPSPS EPSPS是细菌和植物体内芳香氨基酸合成过程中的一个关键酶 草甘膦就是通过抑制EPSPS的活性来抑制植物体内芳香族氨基酸的合成从而使植物死亡 抗草甘膦基因工程主要的策略是通过转EPSPS基因而EPSPS基因超量表达 从而达到抗草甘膦 1999年Ohkawa等 2002年张宏等 2006年胡利华等 2008年苏军等 将EPSPS基因转入水稻发现 转入EPSPS基因的水稻对草甘膦除草剂具有抗性 4转基因抗除草剂水稻 4 3转细胞色素P450单加氧酶基因水稻抗除草剂植物体内过量表达细胞色素P450单加氧酶可以提高植物对除草剂的抗性 且这种抗性是广谱性的 即可对多种不同的除草剂产生抗性 日本学者在这方面做了比较多的研究 他们将哺乳动物甚至人类来源的P450单加氧酶导入水稻中获得了抗除草剂水稻 Inui等 2001 Kawahigashi等 2005a b 2006 Sakiko等 2008 另外 这种过量表达P450单加氧酶的水稻除了可以抗除草剂外 还可以清除环境中的杀虫剂或其他有害有机物质的残留 InuiH ShiotaN IdoY etal HerbicidemetabolismandtoleranceinthetransgenicriceplantsexpressinghumanCYP2C9andCYP2C19 PesticBiochemPhysiol 2001 71 156 169KawahigashiH HiroseH OhkawaHetal TransgenicRicePlantsExpressingHumanCYP1A1RemediatetheTriazineHerbicidesAtrazineandSimazine J Agric FoodChem 2005a 53 8557 8564KawahigashiH HiroseH OhkawaHetal PhytoremediationofMetolachlorbyTransgenicRicePlantsExpressingHumanCYP2B6 J Agric FoodChem 2005b 53 9155 9160KawahigashiH HiroseH OhkawaHetal PhytoremediationoftheHerbicidesAtrazineandMetolachlorbyTransgenicRicePlantsExpressingHumanCYP1A1 CYP2B6 andCYP2C19 J Agric FoodChem 2006 54 2985 2991 Atrazine阿特拉津 Simazine西玛津 Metolachlor异丙甲草胺 N X2 X4 Atrazine阿特拉津 Metolachlor异丙甲草胺