能源植物小桐子胚的表达序列标签(EST)分析为其功能基因鉴定和分子育种研究提供重要基因资源

        小桐子(Jatropha curcas)又名小油桐、麻疯树、膏桐等,属于大戟科麻疯树属的多年生木本油料植物。种子含油率一般可达40%,能够在干旱、贫瘠的荒山和坡地种植,不与粮争地,目前被认为是最有希望的能源植物之一。然而,由于目前小桐子缺乏优良品种和高产栽培技术,种子产量较低,生产成本较高,严重制约了小桐子的产业化发展。因此,利用基因工程技术,对小桐子进行分子改良,与传统育种技术相结合培育优良品种对于小桐子产业化具有重要意义。

         中国科学院西双版纳热带植物园热带植物资源开放实验室的在职博士研究生陈茂盛等人在徐增富研究员和宋松泉研究员(现在中国科学院植物研究所任职)的指导下,与华大基因的王俊博士合作,对3个不同发育阶段的小桐子胚cDNA文库进行测序,共获得9844个高质量的表达序列标签(expressed sequence tags,EST)序列, 组装后得到4665个unigenes。经生物信息学分析,共找到59个unigenes可能参与小桐子的种子发育,61个unigenes参与脂肪代谢过程。获得了一些对小桐子种子发育和脂肪代谢起关键作用的基因,为小桐子的生长发育、脂肪代谢调控机制研究以及转基因分子育种等工作提供了非常重要的遗传信息资源。这些小桐子胚EST序列已经提交到GenBank数据库 (accession numbers:FM887038-FM896881),相关研究结果已在国际专业期刊“植物科学”(Plant Science) 在线发表。

        该研究得到了中国科学院知识创新工程重要方向项目和云南省高端科技人才引进计划项目的资助。

       全文网址: http://dx.doi.org/10.1016/j.plantsci.2011.08.003

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小分子热激蛋白在小桐子种子成熟后期可能起到重要作用

        小分子热激蛋白(small heat shock proteins,sHSPs) 是一类分子量为15–42 kD的热激蛋白,在植物体中作为分子伴侣具有抵抗高温、低温、盐害、干旱和氧化胁迫等各种逆境胁迫的功能,在植物的花粉和胚胎发育、种子成熟等发育过程中也具有一定的作用。

        我园能源植物分子育种组博士生Samar A. Omar在徐增富研究员和宋松泉研究员的指导下,从能源植物小桐子(Jatropha curcas) 种子中克隆到两个小分子热激蛋白基因JcHSP-1JcHSP-2。研究发现,随着小桐子种子的成熟和自然干燥,这两个小分子热激蛋白基因的表达水平呈现增加的趋势;其中JcHSP-2在小桐子种子自然干燥过程中的表达水平急剧增加。此外,小桐子种子自然干燥过程中JcHSP-1JcHSP-2的蛋白积累动态与它们的基因表达谱一致。这两个小分子热激蛋白在小桐子种子成熟和脱水过程中可能具有保护种子活性的作用。该研究基础为今后进一步开展小桐子抗逆分子育种提供候选功能基因。相关研究结果近期已在国际专业期刊Plant Science在线发表(全文网址:http://dx.doi.org/10.1016/j.plantsci.2011.03.004 )。

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利用转基因植物悬浮细胞高效生产基因工程重组人血清白蛋白

        人血清白蛋白(HSA)是一种极为重要的医药蛋白。在临床上,HSA主要用于血液透析、利尿剂抗性浮肿和一些烧伤或者外伤导致的缺血等的治疗。在工业上,HSA主要作为其它医药蛋白质产品的保护剂和载体。HSA的市场需求量大,每年约需要500吨,其市场价值可达15亿美元。由于血浆来源的HSA存在着被病原物(如艾滋病毒、乙肝病毒等)污染的风险,采用基因工程方法生产重组HSA (rHSA)越来越受到人们的重视。由于采用植物细胞不仅可以完全避免人和动物来源的病原物污染,并且具有生长周期短,生产成本低廉等优点,所以采用植物悬浮细胞重组蛋白表达系统生产rHSA是一个非常有吸引力的研究方向。但是,长期以来植物悬浮细胞表达系统存在的主要问题在于其重组蛋白产量较低,一般均不超过总可溶性蛋白的0.1%,产量大部分在1 μg/mL左右。

        中山大学生命科学学院和中国科学院西双版纳热带植物园合作培养的博士研究生孙侨阳等人在导师徐增富教授的指导下,与英国John Innes Centre 的George P. Lomonossoff教授和香港中文大学姜里文(Liwen Jiang)教授合作, 近期成功地建立了稳定、高效表达rHSA的转基因植物细胞系。该研究小组采用基于非复制型缺失豇豆花叶病毒(cowpea mosaic virus, CPMV) RNA-2构建的高效表达载体系统pEAQ-HT,该表达载体含有可抑制基因沉默的番茄丛矮病毒(tomato bushy stunt virus, TBSV)基因P19;同时利用大麦的半胱氨酸蛋白酶前体(proaleurain)的信号肽与rHSA融合,将rHSA蛋白分泌到植物细胞培养基中。采用农杆菌介导的转化方法获得了稳定表达rHSA的转基因烟草BY-2细胞系。研究发现在pH 8.0的植物培养基培养转基因BY-2细胞可显著减少rHSA的降解,与在常规的pH 5.8的植物培养基中相比rHSA的产量可提高一倍,达到22.1 µg/ml。该研究还发展了一种简单高效的从植物悬浮细胞培养基中纯化rHSA的方法,包括70度处理培养物上清、连续两步柱层析和超滤脱盐,可获得纯度达95%以上的rHSA,得率达到48.4%。基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(Matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry, MALDI-TOF MS)分析和Edman蛋白质N-端测序分析结果显示从转基因植物细胞所得到的纯化rHSA与人血清来源的HSA完全一致。该研究成果将进一步推动采用转基因植物悬浮细胞表达系统生产rHSA等重组医药蛋白的相关研究。该研究结果近期已在国际学术期刊Journal of Biotechnology 在线发表(下载全文网址http://dx.doi.org/10.1016/j.jbiotec.2011.06.033)。该研究得到了国家高技术研究发展计划(”863″计划,2007AA02Z102)的资助。

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小桐子种子产量的提高取得重要进展

         目前世界 范围内小桐子的种子产量普遍较低,生产上缺乏优良品种和高产栽培技术。小桐子产业的研发现状是“产业超前,研发滞后”,因而大幅度提高小桐子产量是目前我国生物能源产业发展过程中亟待解决的瓶颈问题。

        针对小桐子产量普遍较低的突出问题,能源植物分子育种组近几年系统地开展了有关的研究工作,最近在利用植物生长调节剂处理提高小桐子产量研究方面取得重要进展。博士研究生潘帮珍在导师徐增富教授的指导下,研究发现采用植物激素细胞分裂素类的苄基氨基嘌呤(benzyladenine)处理小桐子,可以显著增加总花数和雌花的比例,同时可诱导出两性花,从而显著提高结果数量,最终可将每个果序的种子产量提高3倍以上。该项研究成果近期已在国际专业期刊“植物生长调节杂志”Journal of Plant Growth Regulation在线发表。

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小桐子遗传转化技术取得进展

        小桐子外植体对卡那霉素等筛选试剂较为敏感,致使其很难获得转基因再生植株,能源植物分子育种组近期成功地建立了农杆菌介导的小桐子基因转化方法。长期以来的研究发现,以小桐子成熟种子的子叶作为农杆菌感染的受体,与农杆菌共培养后先接种在无筛选剂的培养基上进行愈伤诱导培养4周后,再继代到以卡那霉素作为筛选剂的选择培养基上,可成功筛选到抗性芽,并获得转基因植株。该小桐子转基因方法的建立,为今后进一步转化新的功能基因培育小桐子优良品种提供了有效的方法。相关研究结果近期已在国际学术期刊African Journal of Biotechnology 上发表(下载全文网址http://www.academicjournals.org/AJB/PDF/pdf2010/27Sep/Pan%20et%20al.pdf), 有关研究结果图片被选为该期刊今年第9卷38期的封面;相关技术也已申请中国和国际专利。
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洪焰博士报告:能源植物小桐子的传统育种和分子育种

2009年12月20日下午三点,新加坡淡马锡生命科学院(Temasek Life Sciences Laboratory, National University of Singapore, Singapore)洪焰博士在版纳植物园3楼会议室给我们做了题目为“能源植物小桐子的传统育种和分子育种”精彩报告, 继续阅读

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