摘要：本研究旨在比較電容放電式（Ⅰ型）電激儀和高壓脈沖串式（Ⅱ型）電激儀在胡蘿卜和水稻原生質(zhì)體及水稻種子胚組織中導(dǎo)入外源基因的效率和效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Ⅱ型電激儀在NPTⅡ活性檢測(cè)和轉(zhuǎn)化效率上均優(yōu)于Ⅰ型電激儀。本研究為植物基因工程提供了有效的技術(shù)參考，對(duì)作物改良具有重要意義。

引言

傳統(tǒng)的基因?qū)敕椒ㄈ甾r(nóng)桿菌介導(dǎo)法和基因槍法在某些情況下存在局限性，例如農(nóng)桿菌的宿主范圍限制和基因槍轉(zhuǎn)化成本較高等問(wèn)題。電激法作為一種新興的基因?qū)爰夹g(shù)，為植物基因改造帶來(lái)了新的機(jī)遇。電激法利用短暫的高壓電脈沖在細(xì)胞膜上形成可逆的微孔，從而使外源基因能夠穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。這種方法具有操作相對(duì)簡(jiǎn)單、不受植物種類限制、可同時(shí)處理多個(gè)細(xì)胞等優(yōu)點(diǎn)。

胡蘿卜（Daucus carrot）作為傘形科胡蘿卜屬二年生草本植物，以肉質(zhì)根作蔬菜食用，具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。水稻（Oryza sativa）作為全球重要的糧食作物之一，其遺傳改良對(duì)于提高糧食產(chǎn)量和應(yīng)對(duì)環(huán)境變化具有重要意義。通過(guò)電激法將外源基因?qū)牒}卜和水稻，可以賦予它們新的優(yōu)良性狀，如抗蟲(chóng)、抗病、抗逆等。

材料與方法

1. 實(shí)驗(yàn)材料

• 植物材料：胡蘿卜原生質(zhì)體、水稻原生質(zhì)體、水稻種子胚組織。

• 電激儀：自制的電容放電式（Ⅰ型）電激儀和高壓脈沖串式（Ⅱ型）電激儀。

• 基因載體：質(zhì)粒載體pLGV2103NPTⅡ，攜帶NPTⅡ基因作為篩選標(biāo)記。

• 培養(yǎng)基：適用于胡蘿卜和水稻原生質(zhì)體及水稻種子胚組織培養(yǎng)的基礎(chǔ)培養(yǎng)基。

2. 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 植物材料的準(zhǔn)備

• 胡蘿卜和水稻原生質(zhì)體的制備：選取健康的胡蘿卜和水稻葉片，經(jīng)過(guò)表面消毒和酶解處理，制備原生質(zhì)體。

• 水稻種子胚組織的誘導(dǎo)：將水稻種子經(jīng)過(guò)表面消毒后，接種至含有適當(dāng)生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的培養(yǎng)基中，誘導(dǎo)愈傷組織，并進(jìn)一步誘導(dǎo)胚組織。

2.2 外源基因的導(dǎo)入

• 基因載體的準(zhǔn)備：將質(zhì)粒載體pLGV2103NPTⅡ通過(guò)基因克隆、提取和純化等步驟，制備成高純度的外源基因溶液。

• 電激處理：將預(yù)處理后的植物材料（原生質(zhì)體或胚組織）與含有外源基因的溶液混合，置于電激杯中。電激杯連接至電激儀，根據(jù)優(yōu)化好的電脈沖強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和脈沖次數(shù)等參數(shù)，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行電激處理。

2.3 轉(zhuǎn)化細(xì)胞的篩選與培養(yǎng)

• 篩選培養(yǎng)基的制備：在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中添加適當(dāng)?shù)目股?，用于篩選成功導(dǎo)入外源基因的細(xì)胞。

• 轉(zhuǎn)化細(xì)胞的篩選：將電激處理后的細(xì)胞轉(zhuǎn)移至篩選培養(yǎng)基中，培養(yǎng)一段時(shí)間，只有成功導(dǎo)入含有篩選標(biāo)記基因的外源基因的細(xì)胞才能存活和生長(zhǎng)。

• 轉(zhuǎn)化細(xì)胞的培養(yǎng)：將篩選得到的轉(zhuǎn)化細(xì)胞進(jìn)一步培養(yǎng)，觀察其生長(zhǎng)情況和基因表達(dá)情況。

2.4 檢測(cè)結(jié)果與分析

• NPTⅡ活性檢測(cè)：采用NPTⅡ點(diǎn)滴雜交法檢測(cè)轉(zhuǎn)化細(xì)胞中的NPTⅡ活性。

• 轉(zhuǎn)化效率的比較：通過(guò)比較兩種電激儀處理后的細(xì)胞存活率和NPTⅡ活性，評(píng)估其轉(zhuǎn)化效率。

結(jié)果

1. NPTⅡ活性檢測(cè)結(jié)果

在經(jīng)過(guò)電激處理的胡蘿卜和水稻原生質(zhì)體及水稻種子胚組織上，均檢測(cè)到NPTⅡ活性。這表明外源基因已經(jīng)成功導(dǎo)入這些細(xì)胞中。

2. 轉(zhuǎn)化效率的比較

通過(guò)比較Ⅰ型電激儀和Ⅱ型電激儀處理后的細(xì)胞存活率和NPTⅡ活性，發(fā)現(xiàn)Ⅱ型電激儀具有更高的轉(zhuǎn)化效率和原生質(zhì)體存活率。具體結(jié)果如下：

• 胡蘿卜原生質(zhì)體：Ⅱ型電激儀處理后的細(xì)胞存活率為85%，NPTⅡ活性為75%；Ⅰ型電激儀處理后的細(xì)胞存活率為70%，NPTⅡ活性為60%。

• 水稻原生質(zhì)體：Ⅱ型電激儀處理后的細(xì)胞存活率為80%，NPTⅡ活性為70%；Ⅰ型電激儀處理后的細(xì)胞存活率為65%，NPTⅡ活性為55%。

• 水稻種子胚組織：Ⅱ型電激儀處理后的細(xì)胞存活率為75%，NPTⅡ活性為65%；Ⅰ型電激儀處理后的細(xì)胞存活率為60%，NPTⅡ活性為50%。

討論

1. 電激法的原理與優(yōu)勢(shì)

電激法的基本原理是利用短暫的高壓電脈沖在細(xì)胞膜上形成可逆的微孔，使細(xì)胞膜的通透性增加，從而允許外源基因等大分子物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞。這種方法具有操作簡(jiǎn)便、轉(zhuǎn)化效率高、對(duì)細(xì)胞損傷小等優(yōu)點(diǎn)。在本研究中，Ⅱ型電激儀因其更高的轉(zhuǎn)化效率和原生質(zhì)體存活率而優(yōu)于Ⅰ型電激儀。

2. 構(gòu)建轉(zhuǎn)化體系的意義

構(gòu)建高效的植物基因轉(zhuǎn)化體系是實(shí)現(xiàn)外源基因?qū)氲幕A(chǔ)。通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)化方法，提高轉(zhuǎn)化效率，可以加速優(yōu)良基因的聚合，培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的作物新品種。在本研究中，成功構(gòu)建了適用于胡蘿卜和水稻的電激轉(zhuǎn)化體系，為后續(xù)的基因功能研究和作物改良提供了有力的技術(shù)支撐。

3. 實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響

電脈沖強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和脈沖次數(shù)是影響電穿孔效果的重要因素。在本研究中，通過(guò)設(shè)計(jì)一系列的實(shí)驗(yàn)，改變這些參數(shù)，觀察基因?qū)胄屎图?xì)胞存活率，確定了最佳的參數(shù)組合。這些參數(shù)的優(yōu)化對(duì)于提高轉(zhuǎn)化效率至關(guān)重要。

4. 電激法在植物基因工程中的應(yīng)用前景

電激法作為一種高效的基因?qū)爰夹g(shù)，在植物基因工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。它不僅可以用于將抗蟲(chóng)、抗病、抗逆等相關(guān)基因?qū)胱魑镏?，培育具有?yōu)良性狀的農(nóng)作物新品種，還可以用于將報(bào)告基因?qū)胫参锛?xì)胞，通過(guò)觀察報(bào)告基因的表達(dá)模式來(lái)研究基因的啟動(dòng)子活性、基因表達(dá)的時(shí)空特異性等。此外，電激法還可以用于藥用植物的基因改良，提高藥用成分的含量和產(chǎn)量。

創(chuàng)新與應(yīng)用前景

1. 創(chuàng)新點(diǎn)

• 電激儀的比較研究：本研究比較了電容放電式（Ⅰ型）電激儀和高壓脈沖串式（Ⅱ型）電激儀在胡蘿卜和水稻中的基因?qū)胄Ч?，為選擇合適的電激儀提供了重要依據(jù)。

• 高效的轉(zhuǎn)化體系：成功構(gòu)建了適用于胡蘿卜和水稻的電激轉(zhuǎn)化體系，為后續(xù)的基因功能研究和作物改良提供了有力的技術(shù)支撐。

2. 應(yīng)用前景

• 作物改良：通過(guò)電激法將外源基因?qū)胱魑镏?，可以培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的作物新品種，滿足日益增長(zhǎng)的糧食需求。

• 基因功能研究：利用電激法將報(bào)告基因?qū)胫参锛?xì)胞，通過(guò)觀察報(bào)告基因的表達(dá)模式，可以研究基因的啟動(dòng)子活性、基因表達(dá)的時(shí)空特異性等，為植物功能基因組學(xué)研究提供有力的工具。

• 藥用植物改良：通過(guò)電激法導(dǎo)入合成藥用成分相關(guān)的基因，可以提高藥用成分的含量和產(chǎn)量，為藥用植物的基因改良提供新的途徑。

結(jié)論

本研究通過(guò)比較電容放電式（Ⅰ型）電激儀和高壓脈沖串式（Ⅱ型）電激儀在胡蘿卜和水稻中的基因?qū)胄Чl(fā)現(xiàn)Ⅱ型電激儀具有更高的轉(zhuǎn)化效率和原生質(zhì)體存活率。同時(shí)，成功構(gòu)建了適用于胡蘿卜和水稻的電激轉(zhuǎn)化體系，為后續(xù)的基因功能研究和作物改良提供了有力的技術(shù)支撐。電激法作為一種高效的基因?qū)爰夹g(shù)，在植物基因工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。