煙草突變體篩選與鑒定方法篇：5.煙草耐低鉀突變體的篩選與鑒定

王 倩

（中國農業科學院煙草研究所，青島 266101）

煙草是喜鉀作物。除了作為重要的營養元素發揮作用外，鉀與煙草的抗逆性、抗病蟲害能力密切相關；鉀含量也是煙葉品質評價的重要指標之一。基于鉀素的重要性和我國土壤普遍低鉀的國情及國內煙葉鉀含量低的現狀，開展煙草鉀營養基礎研究、選育耐低鉀/鉀吸收高效型煙草品種等工作極為迫切[1]。為此，煙草基因組計劃重大專項 2012年研究項目“煙草突變體篩選與鑒定”建立了煙草耐低鉀突變體的高通量篩選方法，并開展了煙草耐低鉀突變體的大量篩選工作。

1 煙草耐低鉀突變體的高通量篩選方法的建立

可見表型突變體通過外觀表型可較為容易地獲得；與之不同，植物營養突變體的篩選相對復雜。篩選體系需要一個明確的篩選指標和合適的篩選條件，使得目標突變體具備明顯的性狀，從而區別于其他非突變植株。遵循高通量、快速、簡易的篩選原則，耐低鉀突變體篩選采用負篩選的策略，即利用組織培養技術，減少生長所必需的鉀元素[2]。因耐低鉀突變體比正常煙草更具有生長優勢，從而被篩選獲得。擬南芥、小麥等植物的營養性狀突變體篩選過程中均采用了類似的篩選體系[3-4]。

1.1 低鉀培養基的配制

低鉀培養基的配制參照擬南芥鉀營養突變體的篩選方法[5]。以正常MS培養基為基礎，去除KNO3以NH4NO3部分替換，去除 KH2PO4以等濃度 NH4H2PO4替換。其大量元素的具體組成如下：2300 mg/L NH4NO3，370 mg/L MgSO4·7H2O，144 mg/L NH4H2PO4，440 mg/L CaCl2·2H2O。微量元素、鐵鹽、瓊脂、蔗糖的加入量保持不變。經測定，不外加鉀的MS培養基（無鉀培養基）的鉀本底含量為50 μM。試驗中培養基的鉀濃度根據需要用KNO3調節。

1.2 煙草耐低鉀突變體篩選時期的確定

耐低鉀突變體的篩選條件可簡單劃分為兩方面：突變體的篩選時期和生長環境中的鉀濃度。對煙草而言，煙草種子具有體積小、易于消毒、發芽時間短等特點，因此選擇煙草幼苗進行突變體篩選比較合理。同時，成株期煙苗由于種植面積大、中間環節多，不適合用于高通量篩選。

1.3 煙草耐低鉀突變體篩選指標的確定

本體系選取對環境中鉀濃度變化較為敏感的煙草性狀作為篩選指標。在篩選壓力下，突變體具有忍受鉀脅迫的能力可以正常生長，而非突變體則生長受到抑制。野生型煙草種子消毒后單粒點種于1/2 MS培養基，將6 d苗齡的煙草幼苗轉移至不同鉀濃度的低鉀培養基中，對其生長狀況進行觀察發現，煙草幼苗的根部生長對外部鉀濃度變化較為敏感，而其冠部生長受鉀濃度變化影響相對較小。隨著培養基中鉀濃度的降低，煙草根系生長速度減慢。因此，選擇幼苗的根系生長作為篩選指標。為便于觀察，將幼苗根尖向上倒立豎直培養，在向地性的作用下，如果根伸長則向下彎曲生長。把根發生彎曲的個體挑選出來作為可能的突變體。以根的向地性彎曲生長為篩選指標的方法已在擬南芥和其它作物鉀、鈉、鎘、銨等營養突變體的篩選中得到成功應用[6-9]。

1.4 煙草耐低鉀突變體篩選壓力（臨界鉀濃度）的確定

合適的篩選壓力是篩選順利的關鍵。煙草耐低鉀突變體篩選臨界鉀濃度是指可維持煙草幼苗生存且能較好地體現植株缺鉀性狀的鉀濃度，也即能夠完全抑制野生型煙草幼苗主根生長的最高鉀濃度。

野生型煙草種子消毒后單粒點種于1/2 MS培養基，待主根伸長至1 cm左右時，將幼苗轉移至不同鉀濃度低鉀培養基上，根尖向上倒立豎直培養。在向地性的作用下，如果根伸長則向下彎曲生長。定期測量不同鉀濃度下幼苗的彎根長度。經多次重復試驗與統計分析，確定煙草外加鉀濃度為75 μM時，野生型煙草幼苗主根生長完全被抑制。因此，選取125 μM 鉀濃度（無鉀MS培養基本底鉀濃度50 μM + 外加鉀濃度75 μM）為煙草耐低鉀突變體的篩選壓力。

2 煙草耐低鉀突變體的高通量篩選

2.1 煙草耐低鉀突變體的高通量初步篩選

將EMS（甲基磺酸乙酯）處理的煙草突變體二代種子消毒后，單粒點播于1/2 MS培養基。每份材料點播40～50粒。以未經EMS處理的野生型煙草種子作對照。待主根生長至1 cm左右時，將幼苗轉移至外加鉀濃度為75 μM的低鉀培養基上，根尖向上倒立豎直培養，10～20 d內觀察記錄各突變體主根生長情況。根出現明顯彎曲生長的幼苗為可能的耐低鉀突變體。將篩選到的可能的耐低鉀突變體幼苗轉移至MS培養基中培養。待根系生長茁壯后，移栽于營養土中，種子成熟后采收第3代種子。期間對突變體的田間表型進行觀察和描述。

2.2 煙草耐低鉀突變體的進一步篩選

為剔除試驗誤差、保證篩選結果的準確性，利用2.1中的篩選方法對耐低鉀突變體3代種子進行復篩。100%表現為上一代耐低鉀性狀的株系為耐低鉀突變體。該部分工作可大幅度降低后續鑒定環節的工作量。

3 煙草耐低鉀突變體的獲得及突變基因功能鑒定

3.1 突變體的生理性狀分析

篩選所獲得的耐低鉀突變材料需對其性狀進行更加細致的分析測定，包括突變體的植株生物量、根冠生物量、根冠鮮重、植株鉀含量、主側根長度、根系鉀吸收速率及利用率等，也可通過改變培養基中的鈣、磷等營養成分，觀察其生長變化，為后續的功能研究提供信息[10-11]。

3.2 突變基因功能鑒定

突變體的表型變化是由一個或多個基因的突變導致的，因此，耐低鉀突變體研究最終要定位到具體的突變基因。以野生型為父本，性狀穩定的突變體為母本，進行雜交，通過對F1代耐低鉀性狀檢測，確定突變性狀的顯隱性。通過低鉀篩選統計F2代的耐低鉀表型，分析其分離比例。建立遺傳分離群體，篩選與目標基因緊密連鎖的分子標記，采用正向遺傳學方法獲得突變基因。過表達或干擾該基因在煙草中的表達，通過檢測植株的耐低鉀性狀，確定基因的功能。在擬南芥的鉀營養研究中，利用上述策略成功克隆并解析了蛋白激酶 CIPK23、AtKC1的功能，通過對上下游互作研究，提出了擬南芥低鉀脅迫反應通路，即Ca2+-CBL-CIPK23信號通路[4,12-13]。

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