离子束植物遗传工程研究室

离子束植物遗传工程研究室简介

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,进行新品种的选育、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、大豆新品种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、研究目标:

本研究方向瞄准国家粮食、能源方面的需求,实施突变体战略,创制具有重要应用潜力的农作物种质。集成物理诱变、遗传育种和分子生物学技术方法,对某些重要农艺性状的突变基因进行分子标记、基因定位、克隆、功能解析和应用。

二、研究内容:

离子束诱变机理研究:研究辐射诱导的远程遗传、表观遗传效应,识别辐射损伤信号分子的化学本质以及损伤信号产生、传递和下游转导的生物学通路,以进一步阐明离子束诱变的作用机理。

突变体的高通量筛选技术平台体系:创建基于近红外光谱的定向筛选平台,对经过诱变的农作物种子进行单籽粒突变体的高通量筛选。

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、黄连木新品种(系)。 

能源植物综合利用研究:对能源植物黄连木含有的多酚、黄酮等高附加值成分的提取和生物学效应进行研究;建立黄连木饼粕开发利用技术体系;实现基于黄连木的生物柴油-高附加值产品联产。

三、项目支持:

1、中国科学院知识创新工程重要方向项目:“重离子诱变植物新种质创制及机理研究/重

   离子诱变机理研究”(2011.1-2014.12)。

2、中国科学院知识创新工程重要方向项目:“重离子与生物体相互作用的微观过程及效应

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

3、中国科学院知识创新工程重要方向性项目:“离子束创建黄连木功能突变体及遗传改良

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

4、中国科学院方向性项目:“主要作物新品种优质高产高效技术集成与示范”

   (2008-2010)。

5、中科院知识创新工程重要方向性项目子课题《重离子诱变植物新种质创制及机理研究》

  (2010-2012)

6、中科院知识创新工程重要方向性项目子课题《显性半矮秆基因在超级水稻选育中的

   利用研究》(KJCX2-YW-N34-3)(2009-2012)

7、中科院青年人才创新项目《离子注入植物突变的高通量分子检测平台的研究》

  (2008-2010)

8、国家自然科学基金面上项目:“低能离子诱导拟南芥菜体细胞重组GUS报告

   系基因组不稳定性研究”(2008.1-2010.12)。

9、国家自然科学基金面上项目:“离子束创建黄连木短童期突变体及开花诱导

   机制研究”(11075178)。执行时间2011.1-2013.12

10、安徽省科研和学术带头人专项基金:“低能离子诱导拟南芥菜突变体tc243的

   茉莉酸信号转导”(2006.1-)。

11、国家科技重大专项子课题《DEP基因的优异等位变异创制和鉴定》

   (2009ZX08009-105B)(2009-2011)

12、安徽自然科学基金《水稻新矮源Sdd基因效应分析及育种应用潜力

   的初步评价》(2011-2012)

13、国家自然科学基金面上项目:“离子束溅射生物活体靶刻蚀作用

   的物理机制研究”(10975153)(2010--2012)

四、取得进展:

在机理研究方面的进展如下:

1、以alpha粒子辐照拟南芥菜根部分,在未辐照的地上部分检测到增加的DNA链断裂,增加的同源重组诱导和上调的AtRAD54基因的表达,证明植物个体辐射远程诱变效应的存在,从一个新的角度解释了低能离子的诱变机制。

2、以低能离子从四个方向对拟南芥菜种子进行辐照,在未辐照的生长点发育的成的地上部分检测到同源重组频率的提高和AtRAD54基因表达水平的上调,证实休眠的植物种子中辐射远程效应的存在,并且不同的种子部位有不同的辐射敏感性。

3、根据植物可以嫁接的生理特性,创建了一个拟南芥菜根的微嫁接实验体系。利用该实验体系,阐明了辐射损伤信号产生、传递和诱导远程生物效应的时间、空间特性。结果表明辐射损伤信号在远程部分的积累有8个小时的延迟,该延迟与信号分子在根茎中的传递速度无关,也不是信号在受辐照根中的延迟产生所致。辐射后不同时期产生的多个辐射损伤信号协同诱导了远程生物效应的产生。进一步的研究表明,活性氧自由基(ROS)不涉及辐射信号的产生,而是参与了非辐射区对辐射信号的反应过程。

4、研究了甲醛暴露对拟南芥菜基因组同源重组的诱导作用,明确了植物中DNA-Protein crosslink 损伤是同源重组修复机制的底物。

利用遗传定位群体,通过图位克隆技术将水稻显性半矮秆突变基因Sdd精细定位于水稻第6染色体一个110Kb的区间里,并通过离子束诱变的方法分离了Sdd基因的株高回复突变体,为阐述该基因的功能创建了材料基础。建立了Sdd基因的分子育种体系,培育了多个Sdd基因的优良品系,部分组合已经参加区域试验,为该基因的应用打下根基。相关的结果发表在《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种中优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。

利用离子介导将高光合效率的C4植物玉米的总DNA导入光合效率较低的C3植物水稻品种中,并在其后代中筛选到具有高光合效率的“玉米稻”新种质。该研究开创了离子束介导转基因技术的先河,为植物的远缘杂交奠定了基础。相关研究结果发表在《Plasma Science Technology》等刊物。

离子注入植物在损伤较低的情况下可以获得较高的突变效果,对于大规模创建植物突变体有很大的应用潜力。通过离子束诱变水稻获得数个有重要应用价值和遗传研究的突变体,包括水稻耐储藏近等基因系、秸秆高效利用突变体、穗型株型发育突变体、多种细胞凋亡突变体等,以及大豆多复叶突变体的分离与鉴定。这些突变体不仅丰富了作物的种质资源,也为离子束诱变机理的研究提供了材料基础。相关的研究结果发表在《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B》(2007,255; 265)、《Plasma Science Technology》(2006,2009)等刊物。

五、近几年发表的代表性研究论文:

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、专利:

1、一种水稻显性半矮秆材料的选育方法及应用(ZL 00112084.0)。

2、作物脂肪氧化酶同功酶LOX-1、LOX-2、LOX-3的检测方法(ZL 00112539.7)。 

3、对环境对环境友好的杀虫、除草物质及利用环境友好材料杀虫、

   除草的方法(ZL 200410065014.8)。

4、一种早晚直播连作水稻品种选育方法(ZL 200510037715.5)。 

5.黄连木无损剥胚及无休眠发苗技术,(201010242900.9)

6.黄连木茎段快速繁殖方法,(201110003067.7)

7.一种基于拟南荠菜的辐射旁效应早期过程验证实验方法 (CN201010132810.4)。