安徽农业科学, J ou rnal of Anhui Agri . Sci . 2010, 38(36) :20554-20555, 20558责任编辑 姜丽 责任校对 卢瑶
利用基因工程技术提高玉米赖氨酸含量的研究进展
郝秀静, 梁翰文 (1. 宁夏大学, 宁夏银川750001; 2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所, 北京100101)
摘要 玉米是重要的粮食和饲料作物, 但玉米中赖氨酸含量较低, 降低了其营养品质及蛋白利用率。常规育种的方法提高玉米赖氨酸含量收效甚微, 随着生物技术的不断发展, 基因工程技术的不断进步, 为提高玉米赖氨酸含量, 改良玉米品质提供了一条新的技术路线。综述了近年来利用基因工程技术提高玉米赖氨酸含量的研究进展以及对未来的展望。关键词 玉米; 赖氨酸; 基因工程
中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2010) 36-20554-02Stud y o n Imp r ov i n g th e L ysi n e Con ten t of Corn b y Gen e ti c En g i n eer i n g T echn ology HAO X i u 2j i n g e t a l (N ing xia Un iv e rsit y, Yin Chuan, N ing x i a 750001) A b stra ct Co rn is a k ind of key forage and c r op . However, co rn p ro t e i n s are n utritionally i n co mp lete due t o their deficiency in t he am i no acid s lysine . Traditi onal b reed ing app r o ach has been attemp ted t o enhance the l y sine amoun t in corn, bu t has littl e effec t . Recentl y, t he con 2tinu i n g devel opmen t of g enetic engineeri n g o ffers a new technical rou te t o i mp rove t he nu triti ona l quality o f corn grai n s, es p ecially in en han ci ng lysine con t en t . Th is review concen trates on the p rogressmade ov e r the l a st few years to ward enhancing lysi ne con t en t in co rn using g enetic en 2gi n eering techn iques and po i n ts ou t the p ro s pects of co rn b reed ing in the fu t u re. Key wor ds Maize; Ly sine; Genetic engineering
1
2
玉米既是高产粮食作物, 又是畜牧业和养殖业必不可少的主体饲料来源, 但玉米中赖氨酸含量较低, 降低了其营养品质以及蛋白利用率, 因此, 提高玉米赖氨酸含量, 对提高玉米蛋白品质, 增加玉米的利用率具有重大意义。为此, 笔者综述了近年来利用基因工程技术提高玉米赖氨酸含量的研究进展。
1 基因工程技术在玉米蛋白品质改良中的角色
玉米种子储藏蛋白分为醇溶蛋白和非醇溶蛋白。醇溶蛋白为主要的种子储藏蛋白, 但缺少赖氨酸和色氨酸。食物蛋白中的必需氨基酸种类不全或数量不足, 都会影响其他氨基酸的利用, 这两种氨基酸的低含量大大影响了玉米的营养品质, 成为限制性氨基酸。所以提高玉米赖氨酸含量尤为重要。
传统育种方法如辐射育种、远缘杂交育种等培育得到的高蛋白玉米新品种由于种质资源的贫乏和种间差异性的限制, 普遍存在高变异株系不丰产、远缘杂交不亲和以及后代疯狂分离等问题而收效甚微。近些年来, 生物技术的迅猛发展使得利用基因工程的方法改良作物营养品质成为可能。
20世纪70年代以来, 人们对玉米基因转化系统进行了大量的研究, 先后建立了许多高效的转化受体系统, 目前已经能从幼胚、幼穗、芽尖、幼嫩花序、花药和成熟胚等诱导出愈伤组织并再生植株, 其中幼胚是最易诱导也是目前使用最多的外植体
[1]
PGE 介导转化法、电激穿孔转化法和微注射法等方法转化玉米, 并取得了一定的成功。
2 利用基因工程技术提高玉米中赖氨酸含量的几种途径
2. 1 通过人工合成富含赖氨酸的基因以及改造蛋白质的方法提高赖氨酸含量 1997年, Kceler 等利用(MEEKLK A ) n 这样的重复结构设计了一个含赖氨酸31%的基因, 这个基因编码的产物可形成a 2螺旋, 将此基因与种子特异表达的启动子结合转化烟草, 该基因在烟草种子中高效表达, 赖氨酸含量从2. 56%提高到2. 68%～3. 36%。此项研究的成功为提高玉米赖氨酸含量提供了一条可行的途径, 但人工合成蛋白的方法可能存在潜在的危险性发育不会带来不良影响。
1994年, 美国先锋公司发明了一种改造蛋白质的方法, 将需要提高含量的必需氨基酸的编码序列替换天然存在的蛋白编码序列, 这种替换不改变蛋白的疏水性、极性和电荷。此方法获得了赖氨酸含量占14%的蛋白基因并转入玉米, 玉米赖氨酸含量提高。
2. 2 向玉米中引入外源基因提高赖氨酸含量, 改善玉米蛋白品质 利用基因工程技术提高玉米营养品质的一条重要途径是利用优质蛋白基因直接转化玉米, 通过外源基因在玉米籽粒中的表达来改善玉米蛋白品质, 目前这种途径研究的比较多。
1997年, 刘俊起等在研究马铃薯自交不亲和时, 克隆到
了一个花粉特异蛋白基因的cDNA (Sb 401) , 其编码的氨基酸序列中赖氨酸含量高达16. 7%
[7][6]
, 而且在人工合成新基因时
要考虑到合成的蛋白必须能形成稳定结构, 且对植物的生长
。
在玉米的基因转化方法上, 基因枪介导法是最常用的方法, 也是效果比较好的方法。最近几年利用基因枪法转化成功率大大提高, 例如张秀君
[2]
和余云舟等
[3]
均使用基因枪法
; 将此cDNA 与玉米19k Da
[8]
进行玉米遗传转化取得成功。农杆菌介导法具有操作方便、费用低廉和安全稳定等独特魅力, 吸引着各国学者在该领域进行探索30%
[5]
[4]
醇溶蛋白启动子连接后转化玉米, Sb 401表达产物能在玉米籽粒中稳定积累并使籽粒中赖氨酸含量提高10%
。张秀
君等利用基因枪法将该基因的cDNA 克隆导入不同玉米杂交组合的胚性愈伤组织, 也获得了3株赖氨酸含量提高10%以上的转基因玉米材料
[9]
。Is h ida 等以玉米自交系A188的幼胚为材料建
立了一套农杆菌介导的高效转化体系, 转化效率高达
, 被誉为玉米转化史上的里程碑。此外, 人们也应用
。孙学辉等用同样的转化方法将
[10]
作者简介 郝秀静(1978-) , 女, 河北安国人, 助教, 硕士, 从事基因工
程研究。
收稿日期 2010210212
该基因导入玉米自交系材料P12和综3, 获得了赖氨酸含量提高16%的转基因玉米材料
。
2004年, 郎志宏等研究表明, S b 401同源基因SB g LR 可
安徽农业科学, J ou rnal of Anhui Agri . Sci . 2010, 38(36) :20554-20555, 20558责任编辑 姜丽 责任校对 卢瑶
利用基因工程技术提高玉米赖氨酸含量的研究进展
郝秀静, 梁翰文 (1. 宁夏大学, 宁夏银川750001; 2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所, 北京100101)
摘要 玉米是重要的粮食和饲料作物, 但玉米中赖氨酸含量较低, 降低了其营养品质及蛋白利用率。常规育种的方法提高玉米赖氨酸含量收效甚微, 随着生物技术的不断发展, 基因工程技术的不断进步, 为提高玉米赖氨酸含量, 改良玉米品质提供了一条新的技术路线。综述了近年来利用基因工程技术提高玉米赖氨酸含量的研究进展以及对未来的展望。关键词 玉米; 赖氨酸; 基因工程
中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2010) 36-20554-02Stud y o n Imp r ov i n g th e L ysi n e Con ten t of Corn b y Gen e ti c En g i n eer i n g T echn ology HAO X i u 2j i n g e t a l (N ing xia Un iv e rsit y, Yin Chuan, N ing x i a 750001) A b stra ct Co rn is a k ind of key forage and c r op . However, co rn p ro t e i n s are n utritionally i n co mp lete due t o their deficiency in t he am i no acid s lysine . Traditi onal b reed ing app r o ach has been attemp ted t o enhance the l y sine amoun t in corn, bu t has littl e effec t . Recentl y, t he con 2tinu i n g devel opmen t of g enetic engineeri n g o ffers a new technical rou te t o i mp rove t he nu triti ona l quality o f corn grai n s, es p ecially in en han ci ng lysine con t en t . Th is review concen trates on the p rogressmade ov e r the l a st few years to ward enhancing lysi ne con t en t in co rn using g enetic en 2gi n eering techn iques and po i n ts ou t the p ro s pects of co rn b reed ing in the fu t u re. Key wor ds Maize; Ly sine; Genetic engineering
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玉米既是高产粮食作物, 又是畜牧业和养殖业必不可少的主体饲料来源, 但玉米中赖氨酸含量较低, 降低了其营养品质以及蛋白利用率, 因此, 提高玉米赖氨酸含量, 对提高玉米蛋白品质, 增加玉米的利用率具有重大意义。为此, 笔者综述了近年来利用基因工程技术提高玉米赖氨酸含量的研究进展。
1 基因工程技术在玉米蛋白品质改良中的角色
玉米种子储藏蛋白分为醇溶蛋白和非醇溶蛋白。醇溶蛋白为主要的种子储藏蛋白, 但缺少赖氨酸和色氨酸。食物蛋白中的必需氨基酸种类不全或数量不足, 都会影响其他氨基酸的利用, 这两种氨基酸的低含量大大影响了玉米的营养品质, 成为限制性氨基酸。所以提高玉米赖氨酸含量尤为重要。
传统育种方法如辐射育种、远缘杂交育种等培育得到的高蛋白玉米新品种由于种质资源的贫乏和种间差异性的限制, 普遍存在高变异株系不丰产、远缘杂交不亲和以及后代疯狂分离等问题而收效甚微。近些年来, 生物技术的迅猛发展使得利用基因工程的方法改良作物营养品质成为可能。
20世纪70年代以来, 人们对玉米基因转化系统进行了大量的研究, 先后建立了许多高效的转化受体系统, 目前已经能从幼胚、幼穗、芽尖、幼嫩花序、花药和成熟胚等诱导出愈伤组织并再生植株, 其中幼胚是最易诱导也是目前使用最多的外植体
[1]
PGE 介导转化法、电激穿孔转化法和微注射法等方法转化玉米, 并取得了一定的成功。
2 利用基因工程技术提高玉米中赖氨酸含量的几种途径
2. 1 通过人工合成富含赖氨酸的基因以及改造蛋白质的方法提高赖氨酸含量 1997年, Kceler 等利用(MEEKLK A ) n 这样的重复结构设计了一个含赖氨酸31%的基因, 这个基因编码的产物可形成a 2螺旋, 将此基因与种子特异表达的启动子结合转化烟草, 该基因在烟草种子中高效表达, 赖氨酸含量从2. 56%提高到2. 68%～3. 36%。此项研究的成功为提高玉米赖氨酸含量提供了一条可行的途径, 但人工合成蛋白的方法可能存在潜在的危险性发育不会带来不良影响。
1994年, 美国先锋公司发明了一种改造蛋白质的方法, 将需要提高含量的必需氨基酸的编码序列替换天然存在的蛋白编码序列, 这种替换不改变蛋白的疏水性、极性和电荷。此方法获得了赖氨酸含量占14%的蛋白基因并转入玉米, 玉米赖氨酸含量提高。
2. 2 向玉米中引入外源基因提高赖氨酸含量, 改善玉米蛋白品质 利用基因工程技术提高玉米营养品质的一条重要途径是利用优质蛋白基因直接转化玉米, 通过外源基因在玉米籽粒中的表达来改善玉米蛋白品质, 目前这种途径研究的比较多。
1997年, 刘俊起等在研究马铃薯自交不亲和时, 克隆到
了一个花粉特异蛋白基因的cDNA (Sb 401) , 其编码的氨基酸序列中赖氨酸含量高达16. 7%
[7][6]
, 而且在人工合成新基因时
要考虑到合成的蛋白必须能形成稳定结构, 且对植物的生长
。
在玉米的基因转化方法上, 基因枪介导法是最常用的方法, 也是效果比较好的方法。最近几年利用基因枪法转化成功率大大提高, 例如张秀君
[2]
和余云舟等
[3]
均使用基因枪法
; 将此cDNA 与玉米19k Da
[8]
进行玉米遗传转化取得成功。农杆菌介导法具有操作方便、费用低廉和安全稳定等独特魅力, 吸引着各国学者在该领域进行探索30%
[5]
[4]
醇溶蛋白启动子连接后转化玉米, Sb 401表达产物能在玉米籽粒中稳定积累并使籽粒中赖氨酸含量提高10%
。张秀
君等利用基因枪法将该基因的cDNA 克隆导入不同玉米杂交组合的胚性愈伤组织, 也获得了3株赖氨酸含量提高10%以上的转基因玉米材料
[9]
。Is h ida 等以玉米自交系A188的幼胚为材料建
立了一套农杆菌介导的高效转化体系, 转化效率高达
, 被誉为玉米转化史上的里程碑。此外, 人们也应用
。孙学辉等用同样的转化方法将
[10]
作者简介 郝秀静(1978-) , 女, 河北安国人, 助教, 硕士, 从事基因工
程研究。
收稿日期 2010210212
该基因导入玉米自交系材料P12和综3, 获得了赖氨酸含量提高16%的转基因玉米材料
。
2004年, 郎志宏等研究表明, S b 401同源基因SB g LR 可