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开发东南亚木薯重要品种的转化体系 - -为有用木薯的育种做出贡献-

2021-11-28  Wsz6868

理化学研究所(理研)环境资源科学研究中心植物基因组表达研究小组的内海好规研究员、关原明小组组长等国际共同研究小组成功开发了利用东南亚的木薯[1]重要品种的“转化植物制作技术[2]”。

  本研究成果对推进东南亚木薯分子育种[3]至关重要,可望为今后的基础研究和有用植物的开发做出贡献。 在迅速进行分子育种的基础上,向植物导入目标基因,赋予该植物新性质的转化植物制作技术是有效的方法之一。 但是,虽然此前在非洲来源的木薯品种中确立了转化植物制作技术,但在东南亚的木薯品种中还没有确立。 这次,国际联合研究组发现,由愈伤组织[4]诱导培养基在东南亚种植最多的木薯品种KU50的小粒状胚形成愈伤组织( Friable Embryogenic Callus; FEC ) [5],向FEC中导入外源基因的转化植物制作技术,这是世界上首次开发。 本研究刊登在科学杂志《Plant Molecular Biology》在线版( 11月26日:日本时间11月26日)上。

GFP遺伝子を導入した東南アジアキャッサバの形質転換体(左)と非形質転換体の図

引入GFP基因的东南亚木薯转化体(左)和非转化体

背景 尽管热带植物木薯是主要作物,但其研究和育种与其他主要作物相比仍处于发展中。 有各种各样的技术可以赋予植物有用的性状。 其中,向植物导入目标基因并赋予该植物新性质的“转化植物制作技术”是加快分子育种的重要技术之一。 木薯转化植物制作技术中效率最高的是小粒状胚形成愈伤组织( Friable Embryogenic Callus ); FEC )的方法。 但是,该方法不仅需要培养愈伤组织(未分化状态的植物细胞块),而且对象仅限于能够有效诱导从木薯组织向愈伤组织脱分化[6]、从愈伤组织向植物体再分化[6]的品种。 因此,迄今为止报道的转化植物制作技术只有使用非洲来源的木薯品种,没有开发出使用东南亚有用木薯品种的转化植物制作技术

研究方法和成果 国际联合研究组使用愈伤组织诱导培养基(限制培养基中氮磷钾的量,过量添加维生素B1的培养基),从东南亚栽培最多的有用木薯品种KU50的腋芽(腋芽:从叶根部长出的芽)成功高效诱导了FEC (下图a )。

  FEC是木薯转化的最佳组织材料。 将FEC和绿色荧光蛋白( GFP ) [7]的基因、土壤细菌的农杆菌[8]共存培养后,从FEC中重新分化植物个体,制作出了GFP基因表达的KU50的转化植物(下图b-f )。

キャッサバKU50のFECとGFP遺伝子を導入した形質転換植物の図

图引入木薯KU50的FEC和GFP基因的转化植物 a是东南亚木薯品种KU50诱导的小粒状胚形成愈伤组织( FEC )。 标尺为5毫米。 b的#7和#18是导入了GFP基因的转化植物。 在转化植物的叶( c )和根( e )中可以看到绿色的GFP荧光,而在非转化植物的叶( d )和根( f )中没有观察到GFP荧光。

今后的期待 本研究开发了东南亚栽培最多的木薯品种KU50的转化植物制作技术。 通过结合本技术和基因组编辑技术[9]等,有可能为高产、高附加值(恶劣环境下也可栽培、耐病、淀粉性状)的木薯快速分子育种做出贡献。 因此,本次研究有望为联合国2016年制定的17个“可持续发展目标( SDGs ) [10]”中的“2 .杜绝饥饿”和“13 .应对气候变化的具体对策”等做出贡献。

补充说明 1 .木薯 学名: Manihot esculenta,英文名: cassava。 在热带、亚热带地区栽培。 通过扦插繁殖,在根上形成块根。 块根中合成的淀粉已成为全球5~10亿人的重要粮食来源和能源,在粮食安全保障和产业利用上占有重要的作物地位。 2 .转化植物制作技术 是指向植物导入目标基因,赋予该植物新性质的技术。 向植物导入基因的方法有农杆菌法、粒子枪法、电穿孔法等方法,作为再现性良好的方法,农杆菌法被广泛使用。 3 .植物分子育种 有效利用基因信息和转化植物制作技术的育种方法。 大体上可以分为利用基因组信息有计划地进行传统交配育种的标记选拔育种和利用转化植物育种技术进行重组育种。 4 .愈伤组织 在固体培养基上等培养的未分化状态的植物细胞块。 植物细胞的分化受几种植物激素的浓度比控制。 利用这一点,可以控制愈伤组织的制作·维持、向植物个体的再分化。 5、小粒状胚形成愈伤组织( Friable Embryogenic Callus ); 足球) 将木薯组织在含生长素的培养基中培养时得到的脱分化的植物细胞块。 木薯愈伤组织的情况下,会呈现松散的细胞形态。 6 .去分化、再分化 分化是指具有全能性的细胞(例如受精卵)的细胞组织器官的形态和功能专门化,特异性的确立。 脱分化是指一旦分化,特异性确立的细胞变成更分化状态的细胞。 再分化是指脱分化的细胞再次分化成承担各自功能的细胞。 7 .绿色荧光蛋白质( GFP ) 吸收蓝色光发出绿色荧光的分子量约为29kDa的蛋白质。 作为能够进行生命现象成像(可视化)的报告蛋白质得到了广泛普及。 GFP是绿色植物保护的缩写。 8 .农杆菌 属于革兰氏阴性菌的土壤细菌溶菌酶属( Rhizobium )中,对植物具有病原性的细菌的总称。 具有将外源DNA输入植物体,发生转化的性质。 用于从外部组装特定基因的转化植物的制作。9 .基因组编辑技术 一种可以通过高精度切断生物所拥有基因中的目标位置等来改良特定基因所承担的性状的技术。 与以往的育种方法相比,可以加快品种改良的速度。 10 .可持续发展目标( SDGs ) 2015年9月联合国峰会通过的《可持续发展2030议程》中列出的2016年至2030年国际目标。 它由实现可持续发展世界的17个目标、169个目标组成,不仅是发展中国家,也是发达国家自身努力的环球之物,作为日本也在积极努力(从外务省主页进行部分改变后转载)。

补充说明 1 .木薯 学名: Manihot esculenta,英文名: cassava。 在热带、亚热带地区栽培。 通过扦插繁殖,在根上形成块根。 块根中合成的淀粉已成为全球5~10亿人的重要粮食来源和能源,在粮食安全保障和产业利用上占有重要的作物地位。 2 .转化植物制作技术 是指向植物导入目标基因,赋予该植物新性质的技术。 向植物导入基因的方法有农杆菌法、粒子枪法、电穿孔法等方法,作为再现性良好的方法,农杆菌法被广泛使用。 3 .植物分子育种 有效利用基因信息和转化植物制作技术的育种方法。 大体上可以分为利用基因组信息有计划地进行传统交配育种的标记选拔育种和利用转化植物育种技术进行重组育种。 4 .愈伤组织 在固体培养基上等培养的未分化状态的植物细胞块。 植物细胞的分化受几种植物激素的浓度比控制。 利用这一点,可以控制愈伤组织的制作·维持、向植物个体的再分化。 5、小粒状胚形成愈伤组织( Friable Embryogenic Callus ); 足球) 将木薯组织在含生长素的培养基中培养时得到的脱分化的植物细胞块。 木薯愈伤组织的情况下,会呈现松散的细胞形态。 6 .去分化、再分化 分化是指具有全能性的细胞(例如受精卵)的细胞组织器官的形态和功能专门化,特异性的确立。 脱分化是指一旦分化,特异性确立的细胞变成更分化状态的细胞。 再分化是指脱分化的细胞再次分化成承担各自功能的细胞。 7 .绿色荧光蛋白质( GFP ) 吸收蓝色光发出绿色荧光的分子量约为29kDa的蛋白质。 作为能够进行生命现象成像(可视化)的报告蛋白质得到了广泛普及。 GFP是绿色植物保护的缩写。 8 .农杆菌 属于革兰氏阴性菌的土壤细菌溶菌酶属( Rhizobium )中,对植物具有病原性的细菌的总称。 具有将外源DNA输入植物体,发生转化的性质。 用于从外部组装特定基因的转化植物的制作。 9 .基因组编辑技术 一种可以通过高精度切断生物所拥有基因中的目标位置等来改良特定基因所承担的性状的技术。 与以往的育种方法相比,可以加快品种改良的速度。 10 .可持续发展目标( SDGs ) 2015年9月联合国峰会通过的《可持续发展2030议程》中列出的2016年至2030年国际目标。 它由实现可持续发展世界的17个目标、169个目标组成,不仅是发展中国家,也是发达国家自身努力的环球之物,作为日本也在积极努力(从外务省主页进行部分修改转载)

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