农杆菌介导的转基因玉米种子的获得?( 九 )


为了减少筛选子代突变体的工作量,可以在构建的转座元件上插入用于筛选转化和切除的标记基因如抗生素抗性基因、除草剂抗性基因等 。Knapp等构建了带潮霉素磷酸转移酶基因的Ds元件DsHPT,并将该元件插入除草剂抗性基因(ABR)中(图2),潮霉素抗性基因用于筛选含Ds元件的转基因植株,BAR基因用于筛选Ds从T-DNA位点切除的转基因植株〔7〕 。
图2 Ds元件的改造
注:BL T-DNA左边界区;BR T-DNA左边界区;
Pnos胭脂碱合成酶启动子;HPT潮霉素磷酸转移酶基因;
BAR抗除草剂基因;P35S烟草花叶病毒35S启动子;
NPTII新霉素磷酸转移酶II 。
3 标签的策略
根据利用转座子标签的目的不同,可以采取两种方式的标签策略:定向标签和随机标签 。
3.1 定向标签(directed tagging):定向标签是用一个稳定遗传的稳性纯合体与一个带有活跃转座元件的显性纯合体杂交,杂交后代可能产生3种表型:跟显性亲本表型一致,新的表型与隐性亲本表型一致,后两种子代是由于转座子插入了显性等位基因座 。这一策略可以在F1代直接“标签”感兴趣的目的基因〔11〕 。
3.2 随机标签(random tagging):随机标签是将带有功能性转位因子的显性纯合系植株与不带转位因子的同种植株杂交,产生的F1子代再自交,在F2代中就可筛选到转座子随机插入引起突变表型的突变株,这一策略的目的是为了发现、鉴定带有多种不同特征的新突变〔11〕 。
4 标签基因的分离和克隆
4.1 Southern-based分离法:这是转座子标签分离克隆“标签”基因的常用方法,它是通过杂交得到纯合突变株,构建该类突变株的核基因文库,以转座子片作作为探针从该基因文库中筛选中同源的转座子,因为转座子已插入目的基因中,于是就筛选得到含突变基因的片段,再将这一片段亚克隆标记作为探针,去筛选另一个正常植株的核基因文库,获得完整的正常目的基因 。为了增加转座子插入特定基因的机率,需要采用高效转座子体系,如玉米的Mu元件,但它的标签群在一个基因组内可达100个拷贝,这又给Southern-based分离法分析突变现象,鉴定特定插入序列的工作带来了相当大的工作量,只能通过多代与含低拷贝数元件的株系杂交来减少每一植株中插入序列的数量〔12〕 。
4.2 PCR-based分离法
4.2.1 反向PCR分离法:Souer等1995年设计了将反向PCR(Inverse polymerase chain reaction, IPCR)和差别筛选结合的方法,从矮牵牛W138中分离了高效转座子标签dTph1标记的基因(图3)〔13〕 。W138中含有200个拷贝以上的内源dTph1元件,自交后代形成大量不稳定的突变本,包括花色素合成、植物和花发育、育性或叶绿素合成等方面的突变体,用常规方法分离新基因需花大量的时间将突变株与含低拷贝数转座元件的株系多次杂交 。Souer等利用反向PCR扩增突变体和野生型的dTph侧翼序列,其中突变体的扩增产物克隆到M13mp18载体上,感染细菌,再以突变体和野生型的扩增片段为探针与噬菌斑复制滤膜杂交,筛选差示克隆,分离dTph1插入的侧翼片段作为探针,再从野生型基因文库中筛选基因 。反向PCR和差别筛选结合的方法不仅仅可以用于分离高拷贝转座子元件标签的基因,而且可以用于克隆基它植物轻微变异株中被标签基因,加速低拷贝转座元件标签基因的分离 。此外,采用嵌套的反向PCR引物可以提高有效扩增dTph1侧翼序列的产量〔13〕 。
图3 特异性克隆突变植株转座元件侧翼序列
4.2.2 TAIL-PCR分离法:刘耀光等设计热不对称交错PCR方法,(Thermal asymmetric interla
ced PCR TAIL-PCR)最初用于YAC和Pl载体克隆基因的分离,后又用于转座子标签基因的分离,取得了成功〔14〕 。其基本原理是利用多个嵌套的转座子插入序列特异性引物和一个短的随机简并引物(Arbitrary degenerate primer AD)组合,以突变体基因组DNA为模板,进行多次PCR反应,特异性引物的Tm值一般在57-62℃间,而AD引物的Tm值则在44-46℃范围,采取高温特异性扩增与低温随机扩增相间进行的方法,最后获得转座子插入侧翼区特异性扩增片段,可作为探针,筛选分离基因(图4) 。
图4 TAIL-PCR特异性扩增插入位点
侧翼基因组序列流程图
TAIL-PCR分离法可以降低非侧翼区特异产物的背景,同时它可以产生2个以上嵌套的目的片段,与其它方法相比TAIL-PCR方法具有简便、特异、高效、快速和灵敏等特点,已经在拟南芥和水稻中获得了成功 。
4.2.3 AIMS分离法:Gierl等建立的插入突变位点扩增法(Amplification of insertion Mutagenised sites AIMS)是以PCR为基础的分离转座子标签基因的方法,用它已经成功地从玉米Mu元件标签系统中分离了Bx1基因〔12〕 。其原理如图5所示,用2种限制性内切酶消化突变植株的基因组DNA,酶切片段一侧加上接头序列,再采用一组嵌套的插入序列特异引物和一个接头序列互补的引物进行PCR反应扩增插入序列的侧翼序列,为了减少扩增产物的复杂性,在与接头互补引物3’末端加上一个碱基(A/T/C/G),分离的侧翼序列可作为探针筛选目的基因 。

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