RUBY—可见光下裸眼无损观察植物遗传转化和基因表达

来源：植物科学最前沿

报告基因（reporter gene）是生物学研究的重要元件，广泛应用到遗传转化、组织表达、转录调控以及蛋白互作等研究领域。目前，已有多种报告基因系统，如荧光蛋白（GFP、RFP和CFP等）、β-葡糖醛酸糖苷酶（GUS）以及荧光素酶（LUC）被开发出来。需要指出的是，这些系统一方面必须借助特殊仪器设备（荧光激发器）或昂贵的底物（X-Gluc和萤光素等）才得以观察，另一方面难以较好应用到对大型植物的研究中。
近日，南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室作物基因编辑创新团队与美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）赵云德教授在Horticulture Research杂志发表了题为“A reporter for noninvasively monitoring gene expression and plant transformation”的封面文章。报道了一种新的、裸眼可见的植物通用性便捷报告系统RUBY。
近年来，我们团队探索发现某些植物色素可以作为报告分子。甜菜红素是一类可以由酪氨酸为底物经三种酶（CYP76AD1、DODA、GT）催化合成的植物天然产物。甜菜、火龙果和其他植物中见到的鲜红色就是甜菜红素积累的结果。众所周知，酪氨酸是各类生物最常用的氨基酸之一，因此若能使用酪氨酸作为底物来合成甜菜红素，并以甜菜红素作为报告分子，就可以避免外源底物的添加。因此，我们设计了一种全新的报告系统，将CYP76AD1，DODA和GT偶联到一个开放的阅读框中，将其名为RUBY（红宝石）。我们推测利用RUBY报告系统，可以从产生的红色推断出特定基因的表达情况。
随后我们根据设计方案，成功在双子叶模式植物拟南芥和单子叶模式植物水稻中分别验证了我们新创制的RUBY报告系统能有效发挥预期的功能（图1）。在拟南芥中，我们分别通过组成型启动子35S和UBQ、组织特异表达基因At2S3和YUC4的启动子驱动RUBY表达，得到了与前期研究相一致的结果（图1a-d）。 在水稻中，我们利用RUBY产生的颜色即可区分转基因（红色）和非转基因愈伤组织（淡黄色）（图1e）。此外，我们发现RUBY报告系统也可以用于荧光蛋白报告系统无法较好观察的叶片等绿色组织（图1g，1h）。图1. RUBY报告基因用于检测基因表达和指示植物遗传转化。本研究开发的RUBY报告系统不依赖专用设备或昂贵的耗材，有望应用于无法较好使用抗生素或除草剂筛选的转化体系以及大型植物的研究。此外，RUBY报告系统可以进行原位观察，不用进行取样或试剂处理，有效规避了无菌材料被污染的风险，并且能避免因为取样时的机械外力刺激使相关基因的表达模式受到干扰。因此RUBY报告系统是一种天然无害、观察方便、节省成本的报告系统，是现有植物遗传转化及基因表达报告系统的优良替代方案。
本研究得到了国家转基因生物新品种培育重大专项、南京农业大学科研启动经费以及塔塔遗传与社会研究所博士后基金的支持。南京农业大学和玉兵博士与UCSD张涛博士为共同第一作者，赵云德教授与和玉兵博士为论文共同通讯作者。