桉树CAD、COMT基因的RNAi载体构建及烟草转化研究

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桉树是我国南方主要造纸树种,但在制浆造纸过程中,桉树木材的木质素去除需消耗大量化学品,并带来严重环境污染。因而,通过转基因技术培育低木质素桉树造纸树种,可从源头上降低木质素含量、减少化学品消耗和降低污染,具有重大的经济效益、社会效益和生态效益。本文以桉树木质素合成调控的2个关键基因:肉桂醇脱氢酶(CAD)和咖啡酸-O-甲基转移酶(COMT)为对象,采用RNA干扰技术,分别构建了桉树CAD、COMT基因的RNA干扰载体pRi-Ec-CAD和pRi-Ec-COMT,并通过烟草转基因实现功能验证,为低木质素桉树转基因育种研究提供理论依据和物质基础。获得了以下主要结果:(1)桉树CAD及COMT基因的RNA干扰片段的获得。在已克隆的桉树CAD、COMT全长cDNA序列的基础上,设计特异引物,通过高保真扩增技术克隆了桉树CAD及COMT的正义、反义基因干扰片段,大小分别为:CAD550bp, COMT616bp。(2)桉树CAD及COMT基因的RNA干扰载体构建。采用现代分子生物学手段,以pRi35s与pCAMBIA2301作为桥梁载体,分别成功构建了含有CaMV35S启动子、过氧化氢酶内含子(catalase intron)及具有抗生素(Kan)选择标记基因的CAD及COMT基因的RNAi载体:pRi-Ec-CAD和pRi-Ec-COMT,并通过冻融法将其成功导入农杆菌LBA4404中。(3)桉树CAD及COMT基因的RNA干扰载体的烟草转基因。通过农杆菌介导的叶盘法转化技术,将RNAi载体pRi-Ec-CAD和pRi-Ec-COMT分别转入到模式植物烟草中,并获得了经抗Kan筛选的RNAi片段的候选转基因植株,对候选植株的基因组DNA进行卡那霉素基因扩增检测,筛选出桉树CAD及COMT基因RNA干扰载体导入的阳性转基因烟草植株。(4)桉树CAD基因的RNA干扰效果分析。对不同时期生长的转桉树CAD基因干扰片段的烟草植株进行表型观察,与野生型烟草植株相比,转基因烟草植株的形态和生长发育未见异常;对培养了6个月的转基因植株进行Klason木质素分析,与野生型烟草植株相比,转基因烟草植株木质素含量降低了12.3%~14.5%,表明桉树CAD基因的RNA干扰载体在不影响烟草植株正常生长发育情况下,能有效降低烟草植株的木质素含量。(5)桉树COMT基因的RNA干扰效果分析。.对不同时期生长的转桉树COMT基因干扰片段的烟草植株进行表型观察,与野生型烟草植株相比,转基因烟草植株在整个生长时期都表现出较大差异,叶片较大,植株矮小,茎段柔软细小,易倒伏,生长缓慢且成活率低;对培养了6个月的转基因烟草植株进行K1ason木质素分析,与野生型烟草植株相比,转基因烟草植株木质素含量分别降低2.4%~3.0%,结果表明,桉树COMT基因的RNA干扰载体对烟草的木质素下调效果不明显,同时还影响转基因烟草植株的正常生长发育。上述转基因烟草植株表型变化及抑制木质素合成能力的结果初步表明,本文所构建的桉树CAD基因RNA干扰载体可在不显著影响烟草植株正常生长的情况下有效降低了植株木质素含量,可作为降低桉树木质素合成代谢的RNA干扰目标载体,为低木质素桉树转基因育种研究提供物质基础和技术支撑。
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