外源Hpa110—42基因?qū)雽π←溵r(nóng)藝性狀和籽粒品質(zhì)的影響

秦保平 楊敏 王振林等

摘 要：以4個抗性較強(qiáng)的轉(zhuǎn)Hpa110-42基因小麥株系和揚(yáng)麥16（YM16）為試驗材料，對其株高、穗下節(jié)間長度、旗葉長寬、穗長、小穗數(shù)和千粒重等農(nóng)藝性狀和籽粒中淀粉、蛋白質(zhì)含量等品質(zhì)性狀進(jìn)行了測定，以探討外源基因的導(dǎo)入對小麥主要農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀的影響。結(jié)果表明，與對照相比，轉(zhuǎn)基因各株系的株高顯著降低，小穗數(shù)和千粒重顯著上升，而穗下節(jié)間長和旗葉寬無顯著差異；4個轉(zhuǎn)基因株系中，2個株系的直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量高于YM16，1個株系的含量與受體無顯著差異；而所有轉(zhuǎn)基因株系的蛋白質(zhì)含量與對照也無顯著差異。這表明外源Hpa110-42基因的插入對小麥的部分農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀產(chǎn)生了一定影響。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)基因小麥；農(nóng)藝性狀；淀粉含量；蛋白質(zhì)含量

中圖分類號：S512.101文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2013）09-0019-04

轉(zhuǎn)基因技術(shù)已成為作物品種改良的一個重要手段，自1992年第一株轉(zhuǎn)基因小麥誕生以來，轉(zhuǎn)基因技術(shù)在提高小麥抗病蟲、抗逆性、改善品質(zhì)和雄性不育利用等方面展示出良好的應(yīng)用前景。但是，外源基因?qū)牒笤谥参锘蚪M中的隨機(jī)整合及其在細(xì)胞中的拷貝數(shù)均會影響轉(zhuǎn)基因植株的表型性狀和遺傳穩(wěn)定性[1]。除能獲得目的基因控制的性狀外，轉(zhuǎn)基因后代的其它性狀也可能發(fā)生不同程度的變化，這種現(xiàn)象在轉(zhuǎn)基因植物中較普遍[2]。目前，對于小麥中外源基因Hpa110-42的遺傳規(guī)律、遺傳穩(wěn)定性和表達(dá)穩(wěn)定性等方面的研究報道較少，關(guān)于其對農(nóng)藝性狀的研究尚未見報道。

Harpins是植物革蘭氏陰性病原菌產(chǎn)生的一類蛋白激發(fā)子，在植物中可以通過啟動不同信號傳導(dǎo)通路誘導(dǎo)植物抗病蟲、抗旱和促進(jìn)植物生長等多種有益效應(yīng)[3，4]。Chen等[5]對水稻條斑病菌的一個Harpin蛋白HpaGXooc的9個功能片段進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，功能性片段HpaG10-42對水稻防衛(wèi)反應(yīng)基因和生長相關(guān)基因的誘導(dǎo)活性明顯強(qiáng)于HpaGXooc蛋白全長，對水稻白葉枯病菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzae）的抗性誘導(dǎo)效應(yīng)和促進(jìn)水稻的生長效應(yīng)也是最強(qiáng)的。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)董漢松課題組將編碼HpaG10-42蛋白片段的Hpa110-42基因利用基因槍法導(dǎo)入小麥栽培品種揚(yáng)麥16中，并獲得了轉(zhuǎn)基因材料。本課題對轉(zhuǎn)Hpa110-42基因小麥T1、T2代植株進(jìn)行了PCR、Southern blotting、RT-PCR等分子檢測和抗蚜性鑒定，篩選出了抗性較強(qiáng)的轉(zhuǎn)基因株系。

本試驗主要研究了4個轉(zhuǎn)Hpa110-42基因T2代抗性植株及對照的株高、穗下節(jié)間長度、旗葉長寬、穗長、小穗數(shù)、千粒重等主要農(nóng)藝性狀和直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉和蛋白質(zhì)含量等品質(zhì)性狀，旨在探討外源Hpa110-42基因的導(dǎo)入對小麥農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

揚(yáng)麥16（YM16）和轉(zhuǎn)Hpa110-42基因小麥T1代雜合種子由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院董漢松教授提供，轉(zhuǎn)基因T2及T3代種子由本實驗室繁育并保存。本課題組通過前期的分子鑒定和生物抗性鑒定，得到4個抗蚜性較強(qiáng)的T2代轉(zhuǎn)基因株系（T2-9、T2-17、T2-45和T2-48），并單株收獲其T3代籽粒。

1.2 試驗方法

1.2.1 主要農(nóng)藝性狀的調(diào)查 對YM16和各轉(zhuǎn)基因株系進(jìn)行了農(nóng)藝性狀的調(diào)查，主要包括株高、穗下節(jié)間長度、旗葉長寬、穗長、小穗數(shù)、穗密度、千粒重。

株高：測量每株地面到穗頂（不含芒）的長度；

穗下節(jié)間長：測量穗基部節(jié)至旗葉葉鞘基部著生節(jié)的長度；

旗葉長和寬：測量旗葉長度和最大寬度；

穗長：主穗基部小穗節(jié)至頂端（不含芒）的長度；

小穗數(shù)：調(diào)查其主莖穗的小穗數(shù)；

穗密度：麥穗上總小穗數(shù)除以穗長；

千粒重：每株系隨機(jī)選取8株，調(diào)查單株總粒數(shù)并全部稱重，再換算出千粒重。

1.2.2 籽粒品質(zhì)特性的測定 每個轉(zhuǎn)基因株系中隨機(jī)選取8個單株的T3代籽粒，高速振蕩器粉碎，保證全成分均能通過60目篩。參照何照范[6]的雙波長法，測定籽粒中直鏈及支鏈淀粉含量，并計算出總淀粉含量（總淀粉含量為直鏈淀粉和支鏈淀粉含量總和）。按中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《谷類、豆類作物種子粗蛋白質(zhì)測定法（半微量凱氏法）》（GB 2905-82，即NY/T3-1982）進(jìn)行粗蛋白分析，全氮含量乘以5.7即為籽粒蛋白質(zhì)含量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，DPS v 7.05軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源Hpa110-42基因的導(dǎo)入對農(nóng)藝性狀的影響

4個轉(zhuǎn)基因小麥株系和YM16的農(nóng)藝性狀調(diào)查結(jié)果見表1。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因各株系的株高均顯著低于對照，且除株系T2-48外達(dá)極顯著水平；轉(zhuǎn)基因各株系的穗下節(jié)間長和旗葉寬與對照無顯著差異；株系T2-9和T2-17的旗葉長顯著高于對照，而株系T2-45和T2-48與對照差異不顯著；轉(zhuǎn)基因各株系的穗長除T2-45外均顯著高于對照；4個轉(zhuǎn)基因株系的小穗數(shù)均高于對照，且達(dá)極顯著水平；株系T2-9和T2-45的穗密度顯著高于對照，但株系T2-17和T2-48與對照無顯著差異；4個轉(zhuǎn)基因株系的千粒重顯著高于對照，且除株系T2-9外均達(dá)到極顯著水平。這證明目的基因的導(dǎo)入對小麥的部分農(nóng)藝性狀有一定的影響。

2.2 外源Hpa110-42基因的導(dǎo)入對淀粉和蛋白質(zhì)含量的影響

成熟小麥籽粒中，淀粉約占粒重的58%～76%，淀粉含量是小麥產(chǎn)量的決定因素，淀粉的組成、結(jié)構(gòu)和特性則影響小麥加工品質(zhì)[7]。籽粒中淀粉包括直鏈淀粉和支鏈淀粉。由表2可見，株系T2-17和T2-48籽粒直鏈淀粉含量顯著高于對照，而T2-9和T2-45與對照無顯著差異；株系T2-9和T2-17籽粒支鏈淀粉和總淀粉含量均顯著高于對照，且達(dá)極顯著水平，而株系T2-48顯著低于對照，株系T2-45與對照無顯著差異。以上結(jié)果說明，外源基因在小麥基因組中的整合致使小麥籽粒中的淀粉含量及組分發(fā)生了不定向的變化。

籽粒蛋白質(zhì)含量是決定小麥品質(zhì)的主要因素。由表2可知，4個轉(zhuǎn)基因株系T3代籽粒蛋白質(zhì)含量均與YM16無顯著差異。說明Hpa110-42基因的導(dǎo)入對小麥籽粒中的蛋白質(zhì)含量無顯著影響。

3 討論

遺傳轉(zhuǎn)化體農(nóng)藝性狀表現(xiàn)的好壞，決定著轉(zhuǎn)基因作物能否直接應(yīng)用。外源基因的導(dǎo)入和無性變異能夠引起受體植物內(nèi)源基因的表達(dá)與調(diào)控發(fā)生一系列變化[8]，導(dǎo)致表型變異，如株高降低、開花推遲、產(chǎn)量提高等[9，10]。外源基因的整合與表達(dá)打破了植物體內(nèi)原有的能量供給和消耗平衡，影響了生理代謝，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因后代植株農(nóng)藝性狀的變化。而在組織培養(yǎng)過程中，細(xì)胞內(nèi)的染色體可能會發(fā)生數(shù)目變異、結(jié)構(gòu)變異（包括染色體的缺失、重復(fù)、易位、倒位等），核基因的擴(kuò)增、丟失、重排、突變重組等變化，也會造成轉(zhuǎn)基因植物農(nóng)藝性狀的變異[11]。關(guān)于外源基因的導(dǎo)入對受體小麥品種表型性狀的影響，不同學(xué)者觀點不一。徐瓊芳等[12]認(rèn)為轉(zhuǎn)基因植株在株高、小穗數(shù)、穗粒數(shù)方面有變異。而高世慶等[13]認(rèn)為轉(zhuǎn)入外源基因不影響受體的主要農(nóng)藝性狀。丁文靜等[14]研究表明，轉(zhuǎn)基因株系的株高與對照相比有顯著差異。本試驗結(jié)果表明，與YM16相比，轉(zhuǎn)基因各株系的株高顯著降低，穗長（除T2-45外）、小穗數(shù)和千粒重顯著升高，旗葉寬、穗下節(jié)間長差異不顯著，而旗葉長和穗密度變化規(guī)律不明顯。這說明外源Hpa110-42基因的轉(zhuǎn)入在提高小麥抗蚜性的基礎(chǔ)上，對小麥的部分農(nóng)藝性狀產(chǎn)生了影響。

小麥籽粒淀粉和蛋白質(zhì)含量是評價品質(zhì)特性最重要的指標(biāo)。本試驗研究表明，不同轉(zhuǎn)基因株系籽粒中的直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉和蛋白質(zhì)含量有不同的變化。與對照相比，1個轉(zhuǎn)基因株系的直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量顯著上升，1個株系的直鏈淀粉含量上升不顯著，支鏈淀粉和總淀粉含量顯著高于對照，1個株系無顯著變化，1個株系支鏈淀粉和總淀粉含量顯著降低；而所有轉(zhuǎn)基因株系的蛋白質(zhì)含量與對照無顯著差異。說明外源Hpa110-42基因的導(dǎo)入對小麥籽粒中總淀粉及成分含量產(chǎn)生了一定的影響，對蛋白質(zhì)含量無顯著影響。表明，轉(zhuǎn)入的目的基因不但會影響到植株農(nóng)藝性狀，也會影響到籽粒品質(zhì)。因此，在轉(zhuǎn)基因后代的鑒定和篩選過程中，不僅要考慮農(nóng)藝性狀的變化，還要考慮品質(zhì)性狀的改變。

致謝：誠摯感謝南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院董漢松教授提供本試驗所用揚(yáng)麥16和轉(zhuǎn)Hpa110-42基因小麥T1代雜合種子。

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