双Bt基因对杨树的遗传转化及外源基因表达研究

【摘要】：为鉴定并筛选出转双Bt基因741杨对鳞翅目和鞘翅目害虫同时具有较强抗性的株系，明确联合使用两种或两种以上的抗虫基因的抗虫效果。以8个转三基因双Bt （Cry3Aa+Cry1Ac+API）741杨株系、1个转双抗虫基因（Cry1Ac+API）741杨株系和3个转单抗虫基因（Cry3Aa）741杨株系为实验材料，未转基因741杨为对照，进行了外源基因表达测定和抗虫性对比试验。同时借助农杆菌介导，采用共转化法，用构建在同一表达载体pCAMBIA1305-Cry1Ac-Cry3Aa上的双Bt基因对巨霸杨进行遗传转化，获得了4株潮霉素抗性植株。经过PCR初步检测，表明双Bt基因已经整合进了巨霸杨基因组中。主要研究结果如下： 1.转抗虫基因741杨分别为：单转Bt Cry3Aa基因741杨pCC系列3个株系pCC11、pCC53、pCC84；转双抗虫基因（Cry1Ac+API）741杨1个株系pB29；在pB29基础上通过二次转化法将Cry3Aa基因转入获得的转三基因双Bt（Cry3Aa+Cry1Ac+API）741杨pCCA系列8个株系pCCA1、pCCA2、pCCA3、pCCA4、pCCA5、pCCA6、pCCA7和pCCA9。对各转基因株系及对照进行组培快繁，筛选确立了诱导741杨分化和生根的适宜培养基。分化培养基为：MS+6BA1.0mg·L~(-1)+NAA0.1mg·L~(-1)；生根培养基为：1/2MS+IBA0.3mg·L~(-1)。 2.转双Bt基因741杨等13个参试材料经特异引物PCR扩增Cry1Ac基因和Cry3Aa基因： pB29和转双Bt基因pCCA系列均扩增得到了Cry1Ac基因特异条带，对照741和pCC系列基因组未出现扩增条带。pCC系列和转双Bt基因pCCA系列均得到了Cry3Aa基因特异条带，对照741和pB29基因组未出现扩增条带。说明pB29中Cry1Ac基因和pCC系列中的Cry3Aa基因稳定存在。在pB29基础上，通过二次介导法外源Cry3Aa基因已整合到pCCA各无性系基因组中。 3.通过RT-PCR和荧光定量PCR结合，在转录水平对外源基因的表达进行了检测。实时荧光监测表明：8个双Bt株系即检测到了Cry1Ac荧光扩增信号又检测到了Cry3Aa基因的荧光扩增信号。pCC~(-1)1、53、84只有Cry3Aa基因的荧光信号表达，而pB29只有Cry1Ac基因的荧光信号表达，对照741没有显现双Bt基因的荧光扩增信号。根据测得的Ct值，计算出了各样品中Cry1Ac基因和Cry3Aa基因在mRNA转录本中的表达量。双Bt株系pCCA系列及pB29中Cry1Ac基因的起始表达量在3.26×104~7.50×105之间；双Bt株系pCCA系列及pCC系列Cry3Aa基因的起始表达量在1.79×108~6.05×109之间。数据显示Cry3Aa基因的起始表达量在108~109数量级，比Cry1Ac的起始表达量（104~105数量级）高出了一万倍。 4.用Bt-Cry1Ab/1Ac和Bt-Cry3A ELISA蛋白检测试剂盒，检测Cry1Ac蛋白：双Bt741杨pCCA系列的8个系号和pB29呈现蓝色阳性反应，蛋白含量在16.44~60.32ng·g~(-1)（FW）；pCC系列和对照741无显色反应。检测Cry3Aa蛋白：双Bt741杨8个系号及pCC系列呈现黄色阳性反应，蛋白含量在2.24~13.30μg·g~(-1)（FW）；pB29和对照741无显色反应。检测结果表明，双Bt株系能同时表达两种Bt毒蛋白，单Bt株系也表达了与各自所含基因相应的蛋白。从毒蛋白表达量看Cry3Aa蛋白表达量远远高于Cry1Ac蛋白表达量。Cry3Aa蛋白表达量在微克级，Cry1Ac蛋白表达量在纳克级。 5.用转基因株系新鲜叶片进行柳蓝叶甲（Plagiodera versicolora）1~3龄幼虫和成虫及美国白蛾（Hyphantria cunea）1龄和4龄幼虫室内饲虫实验表明：转入不同抗虫基因的杨树对昆虫的抗性具有选择性，对非靶标昆虫没有毒杀作用。转双Bt基因741杨对鳞翅目的美国白蛾和鞘翅目的柳蓝叶甲具有双抗性，不同转基因株系表现出高中低的抗性水平。pCCA~(-1)、2、5、6、9对柳蓝叶甲表现高抗，pCCA-3、4、7表现中低抗性。5个高抗株系的抗性水平明显比单Bt Cry3Aa基因的3个高抗株系（pCC~(-1)1、53、84）的抗虫性高，用这5个系号饲喂的柳蓝叶甲成虫3天时60%以上死亡，5天时死亡率达到85%~100%；而pCC的3个系号3天时死亡率在50%以下，5天时也只有60%~70%。在对美国白蛾的抗性上，有7个双Bt株系（pCCA2-7和pCCA9）的抗性水平与pB29表现一致，4龄幼虫在第7~9天时死亡率达100%；只有1个系号pCCA1对美国白蛾表现出了极低的抗性，4龄幼虫在第7天和第9天时的死亡率分别只有7%和23%。pCC系列不含抗鳞翅目的Bt Cry1Ac基因，对美国白蛾未表现抗虫性。 6.饲虫结果还表明无论是柳蓝叶甲还是美国白蛾，1龄幼虫对Bt毒蛋白的耐受性比较差，取食2~3天全部死亡；柳蓝叶甲成虫及美国白蛾4龄幼虫耐受性明显增强，取食可延长到7~11天。通过对取食叶片实时拍照记录的取食危害面积来看，转基因株系同对照比，即使中低抗株系也能对叶片起到很好的保护作用。 7.对美国白蛾4龄幼虫的总排粪量和体长调查表明：低抗株系pCCA1的总排粪量是高抗株系pCCA2-7、pCCA9和pB29的7~23倍，但跟对照的总排粪量比，只有对照的25%。从体长来看，未转基因741杨上的美国白蛾幼虫体长达到了19mm，pCCA2-7、pCCA9和pB29的体长在10~12mm之间，而取食低抗株系pCCA1的最后体长也只有13mm（为对照的68%）。从虫粪和体长这两个指标分析来看，充分说明了转基因植株对昆虫的生长发育起到了明显的抑制作用。 8.采用农杆菌介导法，以潮霉素做筛选标记，用构建在同一表达载体上的双Bt基因（Cry3Aa+Cry1Ac）对巨霸杨进行遗传转化。实验对诱导叶片分化适宜培养基和适宜潮霉素浓度这两个影响转化的关键因素进行了深入研究。确定诱导叶片分化不定芽的最佳培养基为MS+6BA0.25mg·L~(-1)+IBA0.1mg·L~(-1)。通过潮霉素在0mg·L~(-1)~15mg·L~(-1)范围内不同浓度梯度对叶片分化和茎尖生长影响的实验，确定诱导抗性芽分化的潮霉素临界筛选浓度为5mg·L~(-1)。经过对再生抗性芽的多次潮霉素筛选，获得抗性稳定的转双Bt基因巨霸杨无性系4个，编号为JB1、JB2、JB3和JB4。 9.用特异引物分别对获得的转双Bt基因巨霸杨无性系进行PCR检测，结果显示：JB1、JB2、JB3和JB4均扩增得到一条与阳性质粒作模板PCR扩增条带大小相同的749bp（Cry1Ac基因）和612bp（Cry3Aa基因）的特异条带，而对照未转化巨霸杨基因组未出现PCR扩增特异条带。初步证明双Bt基因已经整合进了巨霸杨基因组中。