離子束植物遺傳工程研究室

離子束植物遺傳工程研究室简介

利用低能离子辐照和单离子束精确定位辐照等物理平台,结合现代分子生物学技术,进行离子束诱变的分子机制研究,创造粮食和能源植物新种质,进行新品種的选育、优良植物基因的发掘、克隆及利用研究,服务国家粮食安全和可再生绿色能源开发和利用等国家重大战略问题。近年来先后承担有多项国家自然科学基金面上、中科院知识创新项目、中科院“百人”计划项目等。从植物远程效应的角度解释了低能离子的诱变机理,明确了低能离子诱导植物损伤信号转导的时空关系;对水稻、小麦、黄连木等重要粮食和能源植物进行突变体诱导,获得了一批有应用前景的突变材料;育成并审定水稻、大豆新品種4个,在生产上大面积应用;获得发明专利7项,发表相关研究论文近30篇,培养博士硕士研究生20余人。 

一、研究目標:

本研究方向瞄准國家糧食、能源方面的需求,實施突變體戰略,創制具有重要應用潛力的農作物種質。集成物理誘變、遺傳育種和分子生物學技術方法,對某些重要農藝性狀的突變基因進行分子標記、基因定位、克隆、功能解析和應用。

二、研究內容:

離子束誘變機理研究:研究輻射誘導的遠程遺傳、表觀遺傳效應,識別輻射損傷信號分子的化學本質以及損傷信號産生、傳遞和下遊轉導的生物學通路,以進一步闡明離子束誘變的作用機理。

突變體的高通量篩選技術平台體系:創建基于近紅外光譜的定向篩選平台,對經過誘變的農作物種子進行單籽粒突變體的高通量篩選。

植物功能突变体的创建和利用研究:建立和完善水稻、小麦、黄连木的突变体库;重点筛选抗逆、高产、优质、高效利用等重要农艺性状基因相关的突变体;对水稻显性半矮秆基因、耐储藏基因进行定位、克隆与应用;分离和转化抗旱、耐寒、耐盐碱、早熟、高产、抗病虫等基因,对以上三种植物进行遗传改良;选育水稻、小麦、黄连木新品種(系)。 

能源植物綜合利用研究:對能源植物黃連木含有的多酚、黃酮等高附加值成分的提取和生物學效應進行研究;建立黃連木餅粕開發利用技術體系;實現基于黃連木的生物柴油-高附加值産品聯産。

三、項目支持:

1、中國科學院知識創新工程重要方向項目:“重離子誘變植物新種質創制及機理研究/重

   离子诱变机理研究”(2011.1-2014.12)。

2、中國科學院知識創新工程重要方向項目:“重離子與生物體相互作用的微觀過程及效應

   研究/重离子辐照生物效应及机理”(2009.7-2012.6 30)。

3、中國科學院知識創新工程重要方向性項目:“離子束創建黃連木功能突變體及遺傳改良

   研究”(KJCX2-YW-N47)。执行时间2009.5-2012.4

4、中國科學院方向性项目:“主要作物新品種优质高产高效技术集成与示范”

   (2008-2010)。

5、中科院知識創新工程重要方向性項目子課題《重離子誘變植物新種質創制及機理研究》

  (2010-2012)

6、中科院知識創新工程重要方向性項目子課題《顯性半矮稈基因在超級水稻選育中的

   利用研究》(KJCX2-YW-N34-3)(2009-2012)

7、中科院青年人才創新項目《離子注入植物突變的高通量分子檢測平台的研究》

  (2008-2010)

8、國家自然科學基金面上項目:“低能離子誘導擬南芥菜體細胞重組GUS報告

   系基因组不稳定性研究”(2008.1-2010.12)。

9、國家自然科學基金面上項目:“離子束創建黃連木短童期突變體及開花誘導

   机制研究”(11075178)。执行时间2011.1-2013.12

10、安徽省科研和學術帶頭人專項基金:“低能離子誘導擬南芥菜突變體tc243的

   茉莉酸信号转导”(2006.1-)。

11、國家科技重大專項子課題《DEP基因的優異等位變異創制和鑒定》

   (2009ZX08009-105B)(2009-2011)

12、安徽自然科學基金《水稻新矮源Sdd基因效應分析及育種應用潛力

   的初步评价》(2011-2012)

13、國家自然科學基金面上項目:“離子束濺射生物活體靶刻蝕作用

   的物理机制研究”(10975153)(2010--2012)

四、取得進展:

在機理研究方面的進展如下:

1、以alpha粒子輻照擬南芥菜根部分,在未輻照的地上部分檢測到增加的DNA鏈斷裂,增加的同源重組誘導和上調的AtRAD54基因的表達,證明植物個體輻射遠程誘變效應的存在,從一個新的角度解釋了低能離子的誘變機制。

2、以低能離子從四個方向對擬南芥菜種子進行輻照,在未輻照的生長點發育的成的地上部分檢測到同源重組頻率的提高和AtRAD54基因表達水平的上調,證實休眠的植物種子中輻射遠程效應的存在,並且不同的種子部位有不同的輻射敏感性。

3、根據植物可以嫁接的生理特性,創建了一個擬南芥菜根的微嫁接實驗體系。利用該實驗體系,闡明了輻射損傷信號産生、傳遞和誘導遠程生物效應的時間、空間特性。結果表明輻射損傷信號在遠程部分的積累有8個小時的延遲,該延遲與信號分子在根莖中的傳遞速度無關,也不是信號在受輻照根中的延遲産生所致。輻射後不同時期産生的多個輻射損傷信號協同誘導了遠程生物效應的産生。進一步的研究表明,活性氧自由基(ROS)不涉及輻射信號的産生,而是參與了非輻射區對輻射信號的反應過程。

4、研究了甲醛暴露對擬南芥菜基因組同源重組的誘導作用,明確了植物中DNA-Protein crosslink 損傷是同源重組修複機制的底物。

利用遺傳定位群體,通過圖位克隆技術將水稻顯性半矮稈突變基因Sdd精細定位于水稻第6染色體一個110Kb的區間裏,並通過離子束誘變的方法分離了Sdd基因的株高回複突變體,爲闡述該基因的功能創建了材料基礎。建立了Sdd基因的分子育種體系,培育了多個Sdd基因的優良品系,部分組合已經參加區域試驗,爲該基因的應用打下根基。相關的結果發表在《Plant Breeding》(2008)、《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B》(2008)等期刊。

应用自主研发的农作物耐储藏检测和评价专利技术,筛选了水稻、玉米等作物的耐储藏种质资源,通过对储藏机理的进一步研究,揭示了脂肪酶和脂肪氧化酶是影响储藏特性的关键因素。发现Lox3基因缺失与仓储害虫的危害有关,并开展了植物挥发物分子与害虫的关系研究。通过发掘的耐储藏水稻种质资源,培育了一个新杂交水稻优良新品種中优1671,于2010年通过安徽省品种审定。研究结果先后在国际权威储藏物研究期刊《The Journal of Stored Products Research》(2007,1;4)和《Entomologica Fennica》等上发表。

利用離子介導將高光合效率的C4植物玉米的總DNA導入光合效率較低的C3植物水稻品種中,並在其後代中篩選到具有高光合效率的“玉米稻”新種質。該研究開創了離子束介導轉基因技術的先河,爲植物的遠緣雜交奠定了基礎。相關研究結果發表在《Plasma Science Technology》等刊物。

離子注入植物在損傷較低的情況下可以獲得較高的突變效果,對于大規模創建植物突變體有很大的應用潛力。通過離子束誘變水稻獲得數個有重要應用價值和遺傳研究的突變體,包括水稻耐儲藏近等基因系、稭稈高效利用突變體、穗型株型發育突變體、多種細胞凋亡突變體等,以及大豆多複葉突變體的分離與鑒定。這些突變體不僅豐富了作物的種質資源,也爲離子束誘變機理的研究提供了材料基礎。相關的研究結果發表在《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B》(2007,255; 265)、《Plasma Science Technology》(2006,2009)等刊物。

五、近幾年發表的代表性研究論文:

1.Ting Wang, Fanghua Li, Shuyan Xu, Po Bian*, Yuejin Wu, Lijun Wu and 

  Zengliang Yu. (2011)The time course of long-distance signaling in 

  radiation-induced bystander effect in vivo in Arabidopsis 

  thalianademonstrated using root micro-grafting, Radiation Research,

  (in press).

2.Fanghua Li, Ting Wang, Shuyan Xu, Hang Yuan, Po Bian*, Yuejin Wu,

  Lijun Wu and Zengliang Yu. (2011) Abscopal Mutagenic Effect of 

  Low-energy-ions in Arabidopsis Thaliana Seeds, International 

  Journal of Radiation Biology, 87:1-10.

3.Fanghua Li, Ping Liu, Ting Wang, Po Bian*, Yuejin Wu, Lijun Wu 

  and Zengliang Yu. (2010)The Induction of Bystander Mutagenic 

  Effects in vivo by alpha- irradiation in Whole Arabidopsis 

  thaliana Plants, Radiation Research, 174:228-237。

4.Fanghua Li, Ping Liu, Ting Wang, Po Bian*, Yuejin Wu, Lijun Wu 

  and Zengliang Yu. (2010)Genotoxicity/mutagenicity of Formal

  dehyde Revealed by the Arabidopsis thaliana Plants Transgenic 

  for Homologous Recombination Substrates, Mutation Research/Genetic 

  Toxicology and Environmental Mutagenesis,699: 35-43. 

5.Po Bian, Min Xu and Zengliang Yu*. (2007) The Isolation and 

  Characterization of an Arabidopsis Mutant Mutagenized by 

  Low-energy Ion Beam. Surface and Coating Tech. 201, 8014–8019.

6.Peng Wang, xiaoni Zhang, Li wang, Mingli Tang * Subinhibitory 

  concentrations of Ciprofloxacin induce SOS response and 

  mutations of antibiotic resistance in bacteria. Annals of 

  Microbiology,  (2010)60:511-517. 

7.MingLi Tang, Pingping Zhang, ShiGuang Zhao. Use Pgal agarose 

  minimal plate to screen lac constitutive mutation. Annals of 

  Microbiology, (2009)59 (1) 1-4.

8.Tang, Mingli   Zhang, pingping  Xu, Dejun  Wang, Li  Yuan.

  SOS induction by vacuum, desiccation and the control treatment 

  of low-energy ion beam irradiation in bacteria. Annals of 

  Microbiology, (2009) 59 (4) 1-7. (SCI收录)

9.Lifang Wu, Mei Ling Goh, Chellamma Sreekala and Zhongchao Yin. 

  XA27 Depends on an Amino-Terminal Signal-Anchor-Like Sequence to 

  Localize to the Apoplast for Resistance to Xanthomonas oryzae pv 

  oryzae. Plant Physiology, 2008, Vol. 148, pp. 1497–1509 

10.Srinivasan, R, M Mishra, L Wu, Z Yin and MK Balasubramanian: 

   The Bacterial Cell DivisionProtein FtsZ Assembles into Cytoplasmic 

   Rings in Fission Yeast, Genes and Development, 2008, 22: 1741-1746 

11.Shiguang Zhao, Mingli Tang, Zengliang Yu. Purification and 

   properties of a new L-sorbose dehydrogenase accelerative protein 

   from Bacillus megaterium strain in the two-step fermentation of 

   2-keto-L-gulonic acid. Plasma Science and Technology 2008,10: 398-402

12.Zhang Pingping,Yin Ruochun,Chen Zhiyou,Wu Lifang, Yu Zengliang.

   Genotoxic effects of superconducting static magnetic fields (SMFs) 

   on wheat (Triticum aestivum) pollen mother cells (PMCs),Plasma 

   Science & Technology.2007,9(2):241-247.

13.Mingli Tang, Zengliang Yu. Bioeffects of low energy ion beam 

   implantation: DNA damage, mutation and gene transfer. Plasma 

   Science and Technology. 2007,9(4):513-519. (SCI收录)

14.Shiguang Zhao, Mingli Tang, Jun Wang, et al. Mutagenic 

   effects of BM302:GO112 induced by low-energy ion beam 

   implantation. Plasma science & technoloty. 2007,9(4): 508-512

15.Ming Li Tang,Shun Chang Wang,TaoWang,Shi Guang Zhao,

   Yue Jing Wu,Li Jun Wu,Zeng Liang Yu Mutational spectrum 

   of the lacI gene in Escherichia coli K 12 induced by 

   low-energy ion beam.  Mutation Research/Fundamental and 

   Molecular Mechanisms of Mutagenesis  602 (2006) 163-169

16.Keyu Gu﹡, Bing Yang﹡, Dongsheng Tian﹡, Lifang Wu﹡, 

   Dongjiang Wang, Chellamma Sreekala,Fan Yang, Zhaoqing Chu, 

   Guoliang Wang,Frank F. White, and Zhongchao Yin. R gene 

   expression induced by a type-III effector triggers disease 

   resistance in rice. Nature, 2005, 435:1122-1125(共同第一作者) 

17.C. Sreekala﹡, L. Wu﹡, K. Gu, D. Wang, D. Tian and Z. Yin. 

   Excision of a selectable marker in transgenic rice 

   (Oryza sativa L.) using a chemically regulated Cre/loxP 

   system. Plant Cell Reports, 2005, 24: 86-94 (共同第一作者)

18.Lifang Wu, Zengliang Yu. Radiobiological effects of low 

   energy ion beam on wheat. Radiation and Environmental 

   Biophysics, 2001, 40:53-57 

19.Ying Zhang, Zengliang Yu, Yixuan Lu, Yu Wang, Dehong She, 

   Mei Song, Yuejin Wu. Effect of the absence of lipoxygenase 

   isoenzymes on the storage characteristics of rice grains. 

   The Journal of Stored Products Research, 43(1):87-91, 2007.

20.Jinku Li, Ying Zhang, Yujuan Wang, Jiayue Jiang, Mei Song, 

   Zengliang Yu, Yuejin Wu. Superior storage stability in 

   low lipoxygenase maize varieties. The Journal of Stored 

   Products Research, 43(4):530-534, 2007.

21.Jiabao Wang, Yuejin Wu, Zengliang Yu. A new soybean 

   [Glycinemax (L.) Merr.] mutant with multifoliolate compound 

   leaf acquired by ion beam irradiation. Nuclear Instruments 

   and Methods in Physics Research Section B, 255:326-330, 2007.

22.Yuejin Wu, Ying Zhang, Jide wu, Jiping Tong, Hong Li, 

   Mei Song, Zengliang Yu. Study on the variation of the distant 

   crossing rice by ion implantation. Plasma Science Technology, 

   7:2785-2788, 2005.

23.Binmei Liu, Yuejin Wu, Xiangdong Fu, Qian Qian. 

   Characterizations and molecular mapping of a novel dominant 

   semi-dwarf gene Sdd(t) in rice (Oryza sativa L). Plant 

   Breeding, 127:125-130, 2008.

24.Binmei Liu, Yuejin Wu, Xue Xu, Mei Song, Meng Zhao, 

   Xiangdong Fu. Plant height revertants of Dominant 

   Semidwarf mutant rice created by low-energy ion 

   irradiation. Nuclear Instruments and Methods in 

   Physics Research Section B, 266:1099-1104, 2008.

25.Mei Song, Yuejin Wu, Ying Zhang, Binmei Liu, Jiayue 

   Jiang, Xue Xu, Zengliang Yu. Mutation of rice 

   (Oryza sativa L.) LOX-1/2 near-isogenic lines with 

   ion beam implantation and study of their storability. 

   Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 

   Section B, 265:495-500, 2007.

26.Qingfeng Tang, Yuejin Wu, Binmei Liu, Zengliang Yu. 

   Infochemical-mediated preference behavior of the maize

   weevil, Sitophilus zeamais Motschulsky, when searching 

   for its hosts. Entomologica Fennica, 19:257-267, 2008.

27.Huan Ma, Weiwei Liu, Xing Chen, Yuejin Wu, Zengliang Yu. 

   Enhanced enzymatic saccharification of rice straw by 

   microwave pretreatment. Bioresource Technology, 

   100:1279-1284, 2009. 

28.Jiang Jiayue, Wu Jinhua, Wu Yuejin, Song Mei, Wang Xiangqin, 

   Liu Binmei, Yu Zengliang. Storage stability in reversion 

   mutation of a rice line null LOX-1, 2 acquired by ion beam 

   irradiation, Plasma Science and Technology, 2009.

六、專利:

1、一種水稻顯性半矮稈材料的選育方法及應用(ZL 00112084.0)。

2、作物脂肪氧化酶同功酶LOX-1、LOX-2、LOX-3的檢測方法(ZL 00112539.7)。 

3、對環境對環境友好的殺蟲、除草物質及利用環境友好材料殺蟲、

   除草的方法(ZL 200410065014.8)。

4、一種早晚直播連作水稻品種選育方法(ZL 200510037715.5)。 

5.黃連木無損剝胚及無休眠發苗技術,(201010242900.9)

6.黃連木莖段快速繁殖方法,(201110003067.7)

7.一種基于擬南荠菜的輻射旁效應早期過程驗證實驗方法 (CN201010132810.4)。