王樹軍 王果 李煥苓 孫進(jìn)華 李芳 王家保

摘? 要? 為了尋找一種高效的荔枝果實(shí)瞬時(shí)基因表達(dá)方法，本研究以荔枝品種‘新球蜜荔（Litchi chinensis Sonn. var. ‘Xinqiumili）為試材，利用農(nóng)桿菌注射法對(duì)荔枝果實(shí)組織進(jìn)行轉(zhuǎn)化，研究了果實(shí)發(fā)育時(shí)期、菌株種類、注射部位、取樣時(shí)間、菌液濃度等對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響。結(jié)果表明：選擇果肉已完全包裹種子的Ⅱb期果實(shí)進(jìn)行連體注射，在果柄、果皮、種子、果肉分別注入OD600值為2.4的農(nóng)桿菌菌株GV3101，4 d后取樣進(jìn)行檢測(cè)，4個(gè)組織的GUS染色率較高。本研究成功建立了適用于荔枝果實(shí)的基因瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)，為今后快速鑒定荔枝果實(shí)相關(guān)基因功能提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞? 農(nóng)桿菌注射;‘新球蜜荔果實(shí);瞬時(shí)表達(dá);GUS檢測(cè)

中圖分類號(hào)? S667.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? A

Transformation of Tissues of Litchi Fruit with Injection of Agrobacterium

WANG Shujun， WANG Guo， LI Huanling， SUN Jinhua， LI Fang， WANG Jiabao*

Environment and Plant Protection Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China

Abstract? To find an efficient transient gene expression method for litchi， the fruits of ‘Xinqiumili were used as the material to transform fruit tissues by Agrobacterium in this study. The effects of fruit developing stage， bacterium strains， injection sites， sampling time， bacteria solution concentration on the transformation efficiency were studied. The results showed that the GUS staining rates were better in four tissues under the condition that Agrobacterium strain GV3101 with OD600 of 2.4 was injected into the stalk， peel， seed and pulp of the stage Ⅱ b fruit with the pulp completely wrapped in the seed in vivo， and the fruits were sampled for detection after four days of injection. The transient gene expression system of litchi fruits was successfully established， which laid a foundation for the rapid identification of related genes of litchi fruits in the future.

Keywords? injection of Agrobacterium; ‘Xinqiumili fruit; transient expression; GUS detection

DOI? 10.3969/j.issn.1000-2561.2019.12.013

荔枝（Litchi chinensis Sonn.）是華南重要的特色水果，荔枝產(chǎn)業(yè)在區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。培育荔枝優(yōu)良新品種是進(jìn)行品種結(jié)構(gòu)調(diào)整、解決產(chǎn)業(yè)重大問題的基礎(chǔ)?；蚬こ逃N具有可定向改良荔枝性狀、縮短育種周期、提高育種效率的優(yōu)勢(shì)。獲得重要功能基因及其調(diào)控元件如啟動(dòng)子等是基因工程育種的基礎(chǔ)，近年來逐漸成為荔枝生物學(xué)研究的熱點(diǎn)[1-2]。前期人們通常以擬南芥和煙草等模式植物來研究荔枝基因及其啟動(dòng)子功能[3-4]，但是利用這些轉(zhuǎn)化系統(tǒng)所獲得的研究結(jié)果都無法完全真實(shí)反映出與果實(shí)性狀有關(guān)的基因功能[5]。荔枝離體再生困難[6]，限制了利用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系開展荔枝基因功能研究的效率。因此需要尋求一種新的快速高效技術(shù)體系用于荔枝果實(shí)基因及其啟動(dòng)子的功能研究。果實(shí)注射法是一種以肉質(zhì)果實(shí)為轉(zhuǎn)化材料的基因瞬時(shí)表達(dá)驗(yàn)證新方法，操作簡(jiǎn)單、周期短。前人利用該方法已在蘋果、梨、番茄、桃、草莓、橙等肉質(zhì)果實(shí)中成功開展了基因功能研究[7]，但是在荔枝果實(shí)中的應(yīng)用還未見報(bào)道。本研究對(duì)影響荔枝果實(shí)注射法的多種因素進(jìn)行探索，建立了瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)，以期為快速鑒定荔枝果實(shí)相關(guān)基因功能提供基礎(chǔ)。

1? 材料與方法

1.1? 材料

本研究在中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地果園進(jìn)行，選取‘新球蜜荔（Litchi chinensis Sonn. var. ‘Xinqiumili）品種為材料。注射方式為連體注射和離體注射。連體注射是在果實(shí)發(fā)育期，選擇無病蟲害的果實(shí)，不摘離果樹直接在樹上進(jìn)行，果面不做消毒及其他處理。離體注射是將果實(shí)采摘回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，所需果實(shí)采后3 h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，挑選無病蟲害和無機(jī)械損傷的果實(shí)，先用0.1% HgCl2溶液消毒1 min，再用滅菌蒸餾水沖洗3次，將沖洗好的果實(shí)用吸水紙吸干水分后用于注射實(shí)驗(yàn)。

農(nóng)桿菌菌株選用GV3101和EHA105，植物表達(dá)載體選用包含GUS基因的pCAMBIA1301質(zhì)粒。

1.2? 方法

1.2.1? 農(nóng)桿菌注射液的準(zhǔn)備? 用熱激轉(zhuǎn)化法將質(zhì)粒pCAMBIA1301分別轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌EHA105和GV3101感受態(tài)細(xì)胞，恢復(fù)培養(yǎng)后涂板在添加了卡那霉素（Kan）100 mg/L和利福平（Rif）100 mg/L的LB固體培養(yǎng)基上，利用菌落PCR方法鑒定出陽性單菌落后搖菌培養(yǎng)，液體培養(yǎng)基為L(zhǎng)B+Kan 100 mg/L+Rif 100 mg/L，在200 r/min，28 ℃條件下，振蕩培養(yǎng)至OD600值為0.8。再取1 mL菌液于含有Kan 100 mg/L+Rif 100 mg/L+乙酰丁香酮（AS）100 ?mol/L的100 mL LB液體培養(yǎng)基中在相同條件下擴(kuò)大培養(yǎng)至OD600為0.8，收集菌液轉(zhuǎn)入50 mL離心管中，5000 r/min離心收集菌體，去上清后以添加了AS（100 ?mol/L）的MS液體培養(yǎng)基為重懸液重懸菌體備用。

1.2.2? 轉(zhuǎn)化效率影響因素研究? 依據(jù)李建國(guó)等對(duì)荔枝果實(shí)發(fā)育時(shí)期的新劃分標(biāo)準(zhǔn)[8]，分別取果實(shí)發(fā)育Ⅰ期（雌花授粉后35 d左右）、Ⅱa期（雌花授粉后55 d左右）和Ⅱb期（雌花授粉后70 d左右）的果實(shí)，研究不同發(fā)育時(shí)期注射對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響。選取農(nóng)桿菌菌株GV3101和EHA105進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究不同菌株種類對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響。為了最大限度減少注射傷口損傷，選擇使用針頭較細(xì)的1 mL無菌注射器將菌液分別注入果柄、果皮、種子、果肉，其中果柄注射是橫向刺穿后注入，果皮注射時(shí)刺穿外果皮但不刺透內(nèi)果皮，果肉和種子注射時(shí)分別從果蒂和果頂部位注入，研究注射部位對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響。分別在注射后2、4、6、8 d摘果取樣進(jìn)行GUS染色，研究注射后取樣時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響。將菌液分別重懸至OD600值為 0.8、1.6、2.4、3.2進(jìn)行注射，研究菌液濃度對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響。

選取相同發(fā)育時(shí)期的連體和離體果實(shí)，分別在果柄、果皮、種子、果肉部位，采用1 mL的無菌注射器將菌液注入，至有菌液溢出為止，每次注射完后要去除果實(shí)表面多余的菌液，研究離體注射和連體注射2種方式對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響。

每個(gè)處理選取8個(gè)果實(shí)為1組重復(fù)，重復(fù)3次。

1.2.3? GUS組織化學(xué)染色? 取注射后2、4、6、8 d的連體注射果實(shí)和離體注射果實(shí)，分別取注射的果皮、果柄、果肉、種子，切成小塊，用無菌水清洗之后置于GUS染液[50 mmol/L pH 7.0磷酸鈉緩沖液，0.1 mmol/L K3[Fe（CN）6]，0.1 mmol/L K4[Fe（CN）6]，1 mmol/L Na2EDTA，0.1% Triton-100，20%甲醛，0.5mg/mL X-Gluc]中，37 ℃染色過夜，酒精脫色后觀察染色結(jié)果并統(tǒng)計(jì)GUS染色率。GUS染色率=（顯色的果實(shí)數(shù)量/總注射果實(shí)數(shù)量）×100%。

1.3? 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用Duncan法進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 荔枝果實(shí)發(fā)育時(shí)期的選取

依據(jù)李建國(guó)等[8]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)育Ⅰ期荔枝果實(shí)以果皮與種皮生長(zhǎng)為主，還未長(zhǎng)果肉;發(fā)育Ⅱa期的荔枝果實(shí)以胚快速生長(zhǎng)為主，其他部分也有發(fā)育，至果肉逐漸包滿種子;發(fā)育Ⅱb期的荔枝果實(shí)指果肉已完全包裹種子至果實(shí)成熟。不同發(fā)育時(shí)期的果實(shí)注射農(nóng)桿菌懸液后，雌花授粉后35 d左右的Ⅰ期和授粉后55 d左右的Ⅱa期果實(shí)均會(huì)停滯生長(zhǎng)并落果;雌花授粉后70 d左右的部分Ⅱb期果實(shí)注射后會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)發(fā)育一段時(shí)間，對(duì)農(nóng)桿菌的耐受性明顯好于Ⅰ期和Ⅱa期，可進(jìn)行取樣檢測(cè)，適用于本研究的瞬時(shí)表達(dá)研究。因此本實(shí)驗(yàn)選取雌花授粉后70 d左右的Ⅱb期果實(shí)開展后續(xù)研究。另外，選取的果實(shí)成熟度不宜太高，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)使用針頭較細(xì)的1 mL無菌注射器，果實(shí)成熟度越高則種子硬度越大，針頭難以刺入。

2.2? 農(nóng)桿菌菌株的選擇

農(nóng)桿菌懸液被注入荔枝果實(shí)后，會(huì)對(duì)果實(shí)造成傷害導(dǎo)致落果。注射菌株EHA105和GV3101后，統(tǒng)計(jì)坐果率分別為37.50%和54.17%，二者間無顯著差異（圖1）。對(duì)取樣的果實(shí)進(jìn)行果肉部分GUS染色，EHA105和GV3101的染色率分別為20.83%和37.50%，二者間無顯著差異（圖2）。結(jié)果表明，雖然EHA105對(duì)果實(shí)的傷害可能高于GV3101，轉(zhuǎn)化率可能低于GV3101，但2種菌株不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)效率產(chǎn)生顯著差異。最終，我們選擇農(nóng)桿菌菌株GV3101開展以下荔枝果實(shí)注射瞬時(shí)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。

2.3? 荔枝果實(shí)注射部位的選擇

本研究以果實(shí)的果柄、果皮、種子、果肉4個(gè)組織為目標(biāo)進(jìn)行注射，荔枝果實(shí)的結(jié)構(gòu)特征（圖3）決定了種子和果肉部分的注射可同時(shí)進(jìn)行，而果柄和果皮的注射要分別進(jìn)行。注射農(nóng)桿菌后觀察發(fā)現(xiàn)，果柄和果皮的注射口部位會(huì)結(jié)痂，但不影響果實(shí)正常發(fā)育。此外，果皮注射部位顏色在第5天左右會(huì)變紅（圖4），這可能是注射部位傷乙烯迅速增加促進(jìn)果皮轉(zhuǎn)色的結(jié)果[9]。針對(duì)種子和果肉的研究，選擇分別從果蒂和果頂2個(gè)部位注入農(nóng)桿菌懸液，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從果頂部位注射后，菌液會(huì)迅速聚集在注射口位置，有大量菌液溢出，果實(shí)內(nèi)的菌液實(shí)際注入量少，且分布不均勻，菌液在果頂部位的局部富集導(dǎo)致果實(shí)易腐爛開裂。從果蒂部位注射后，少有菌液溢出，且果實(shí)完好。因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)均選擇從果蒂處注入果肉和種子。

2.4? 果實(shí)取樣時(shí)間的選擇

分別在注射后2、4、6、8 d取樣進(jìn)行GUS染色檢測(cè)，分析發(fā)現(xiàn)：果柄、果皮、種子、果肉的GUS染色率均因取樣時(shí)間的不同而產(chǎn)生顯著差異。注射后2 d的果柄、果皮、種子、果肉4個(gè)組織經(jīng)GUS染色后均可檢測(cè)到藍(lán)斑，但是GUS染色率分別只有37.50%、33.33%、8.33%、29.17%;注射后4 d的GUS染色率最高，分別是83.33%、45.83%、33.33%、37.50%;注射6 d后的部分果實(shí)表現(xiàn)出腐爛癥狀，各組織的GUS染色率也呈下降趨勢(shì);注射8 d后雖可在極少數(shù)果實(shí)的果柄和種子部分檢測(cè)到藍(lán)斑，但是大多數(shù)果實(shí)的腐爛程度比較嚴(yán)重，不宜進(jìn)行取果（圖5）。因此，注射后4 d是最佳的取樣時(shí)間。

不同字母表示同一組織在不同時(shí)間取樣的GUS染色率差異顯著（P<0.05）。

2.5? 菌液濃度的選擇

室外連體注射實(shí)驗(yàn)中不同濃度的農(nóng)桿菌懸液注射荔枝果實(shí)組織4 d后取樣進(jìn)行GUS染色檢測(cè)，分析發(fā)現(xiàn)：果柄、果皮、種子、果肉的GUS染色率均因菌液濃度的不同而產(chǎn)生顯著差異。但果柄、果皮、種子、果肉的GUS染色率都以O(shè)D600值為2.4時(shí)最高，分別為54.17%、41.67%、29.17%、37.50%;其中果皮、種子、果肉的GUS染色率均隨著菌液濃度增大呈先上升后下降的趨勢(shì)。OD600值達(dá)到3.2的農(nóng)桿菌注射果實(shí)后表現(xiàn)出腐爛加快且GUS染色率降低，農(nóng)桿菌懸液OD600值為0.8時(shí)，果皮、種子、果肉3個(gè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化效率不理想（圖6）。綜上，OD600值為2.4的菌液濃度最佳。4種組織在注射OD600值為2.4的農(nóng)桿菌GV3101重懸液4 d后進(jìn)行GUS染色，均能顯色（圖7）。

不同字母表示同一組織在不同時(shí)間取樣的GUS染色率差異顯著（P<0.05）。

2.6? 連體注射和離體注射的對(duì)比

除了在田間開展連體注射，本研究還在室內(nèi)進(jìn)行了離體注射，結(jié)果表明，摘取的荔枝離體果實(shí)容易失水和褐變，而采取人工補(bǔ)水保濕方法，果實(shí)會(huì)發(fā)霉腐爛，影響取樣和檢測(cè)，可見離體實(shí)驗(yàn)對(duì)果實(shí)的消毒等處理?xiàng)l件要求高。而且室內(nèi)離體實(shí)驗(yàn)中果柄、果皮、種子、果肉的GUS染色率較連體注射均不理想，其中注射的果柄部位在離體注射實(shí)驗(yàn)中未能觀察到染色藍(lán)斑，染色率為0。由此可知，荔枝果實(shí)注射法宜采取連體注射。

3? 討論

在植物中開展基因的功能研究，可以借助傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)，但前提是要有穩(wěn)定、高效的離體再生技術(shù)體系。荔枝作為木本果樹，離體再生困難限制了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用。而且，前人以胚性愈傷組織為外植體，通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)或基因槍法建立起來的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系均表現(xiàn)出周期長(zhǎng)、轉(zhuǎn)化率低、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)[10-12]，這嚴(yán)重制約了其應(yīng)用于基因功能驗(yàn)證的效率。因此，基因瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)逐漸被開發(fā)，并被廣泛地應(yīng)用于植物分子生物學(xué)研究[13]。其中，基因槍轟擊是常用的方法，常被用于在荔枝葉片、花、果皮等部位進(jìn)行組織特異表達(dá)基因啟動(dòng)子調(diào)控規(guī)律研究[14-16]。但是基因槍法對(duì)于荔枝果肉卻效果不理想，因?yàn)檗Z擊果肉，必須先破壞外層致密的果皮結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致果肉短期內(nèi)就腐爛變質(zhì)，無法開展后續(xù)研究。因此，需要尋找一種保持荔枝果實(shí)完整性的基因瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)。Spolaore等[7]開發(fā)出一種針對(duì)成熟肉質(zhì)果實(shí)的快速高效的農(nóng)桿菌注射法，成功在蘋果、梨、番茄、桃、草莓、橙等果實(shí)細(xì)胞中開展了研究。借鑒Spolaore等人的研究經(jīng)驗(yàn)，本研究成功建立了適用于荔枝的果實(shí)注射法，為后期研究荔枝果肉特異表達(dá)基因及其啟動(dòng)子功能奠定了基礎(chǔ)。

果實(shí)注射法是利用注射器將農(nóng)桿菌懸浮液注入果實(shí)中，然后進(jìn)行定性或定量分析的方法[7]。應(yīng)用此方法首先要排除農(nóng)桿菌自身造成的檢測(cè)干擾。例如，本研究選擇載體pCAMBIA1301中含有內(nèi)含子的GUS基因作為報(bào)告基因，因?yàn)檗r(nóng)桿菌等原核生物細(xì)胞在基因轉(zhuǎn)錄過程中沒有剪接內(nèi)含子的能力，所以含有內(nèi)含子的基因只能在真核生物細(xì)胞中表達(dá)而不能在原核生物細(xì)胞中表達(dá)[17]，從而避免農(nóng)桿菌自身的GUS染色干擾。其次，由于農(nóng)桿菌的注入會(huì)對(duì)果實(shí)產(chǎn)生有毒害的副作用，可能導(dǎo)致其生長(zhǎng)停滯、腐爛等[18]，因此要盡量保持果實(shí)在好的生理狀態(tài)和適宜的條件下開展實(shí)驗(yàn)，選擇對(duì)菌液耐受力較強(qiáng)的發(fā)育階段果實(shí)為材料，在合適的部位注入適宜濃度的農(nóng)桿菌，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)取果進(jìn)行檢測(cè)，方可提高實(shí)驗(yàn)成功率。本研究通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)選擇雌花授粉后70 d左右的、果肉已完全包裹種子的Ⅱb期果實(shí)進(jìn)行連體注射，在果柄、果皮、果蒂部位注入 OD600值為2.4的農(nóng)桿菌GV3101，4 d后取果實(shí)進(jìn)行檢測(cè)，GUS染色率較高，在果柄、果皮、種子、果肉均可見藍(lán)斑（圖7），且藍(lán)斑多出現(xiàn)在注射口附近，這可能與荔枝果實(shí)各組織結(jié)構(gòu)致密，農(nóng)桿菌懸液不易滲透擴(kuò)散有關(guān)。

連體注射法最大限度保持了荔枝果實(shí)的完整性，直至檢測(cè)環(huán)節(jié)才會(huì)進(jìn)行果實(shí)結(jié)構(gòu)分離，而且該方法未改變果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育所需的外部自然環(huán)境，因此可以真實(shí)、快速地反映果實(shí)的基因表達(dá)情況或啟動(dòng)子調(diào)控規(guī)律，具有廣闊的荔枝分子生物學(xué)應(yīng)用前景。

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