模式植物拟南芥遗传应用综述

模式植物拟南芥遗传应用综述

摘要：拟南芥作为一种比较经典的“模式植物”，在研究相关的其他生物的生命活动规律中，因其结构简单，相似性高，而表现出其他生物无法比拟的优越性，成为了科学家们最理想的研究对象。本文分别从问题的提出、历史的发展、现状的分析和前景的预测四个方面对拟南芥在科学界的地位及作用进行了综合性的总结和叙述。

关键词：拟南芥；模式植物；遗传；应用

一、前言

纵观过去和现在，科学界对拟南芥的重视程度以及拟南芥在生物遗传学的地位有着巨大的差异。尤其是近几年来，科学界对拟南芥的热衷程度日渐加深，完全不同于90年代以前的冷淡。而且现在的科学家们对于拟南芥的研究方向是各种各样的，越来越广泛。本文就是对拟南芥在不同研究课题下所起的作用、在遗传应用上所表现的优越性进行一个总结性的综述，探讨产生此种现象的原因，从而得出此种作物在生物学上的大致研究方向，并作出相应的前景预测，让我们对它的研究潜力进行进一步的挖掘，让它的贡献更大化。此外，也希望通过本文，让大家对拟南芥在过去和现在的发展有一个更加清楚的了解，把握住大致的脉络，并对今后的研究提供相应的指导和帮助。

二、历史的发展：

虽然孟德尔以豌豆为实验材料开创了现代遗传学, 后来麦克林托克又研究了玉米, 发现了惊人的“跳跃基因”, 但总的来说, 这些植物都不是研究分子遗传学的良好材料。高等植物通常需要较大的种植面积, 特殊的条件, 而且繁殖周期长。更糟的是, 植物的基因组通常都很大（例如, 玉米的基因组比果蝇的大两个数量级）, 使人们难以分离到特定的基因[1]。因此, 虽然K’Roberts早就认为植物是研究发育的良好系统,但迄今为止, 在研究植物的细胞分化和形态发生等方面一直进展迟缓。长期以来, 分子生物学家们一直希望能在植物中找到象动物中的黑腹果蝇(Drosophila me-lanogaster)那样繁殖快, 易于在实验室中培养,并能用分子生物学和遗传学技术进行广泛研究的实验材料,以便从根本上改变植物遗传学研究的长期落后状况。1985年4月13-19日在美国科罗拉多州召开的植物遗传学UCLA上, 科学家们宣布, 他们终于确定了植物王国中的“果蝇”—拟南芥，而这也奠定了拟南芥在将来时期的地位。

2.1拟南芥的研究进度以及介绍

拟南芥(Arabidopsis thaliana) 是一种极普通的草本植物，常用俗名鼠耳芥，是一种十字花科植物，广泛用于植物遗传学、发育生物学和分子生物学的研究，已成为一种典型的“模式”植物。近年来，植物科学中许多有价值的发现几乎都是以拟南芥为实验材料取得的，因此它被誉为植物界的“果蝇”。拟南芥具有以下主要特点:(1)形态个体小，高度只有30 cm左右;(2)生长周期快，从播种到收获种子一般只需6周左右;(3)种子多，每株每代可产生数千粒种子;(4)形态特征简单;(5)基因组小，只有5对染色体。早在1907年，Strasburger就利用拟南芥研究了染色体的连续性。他的学生Laibach于同年发现拟南芥间期核中的异染色质体的数目与其中期染色体数相同，这种现象在植物界中是比较少见的。拟南芥的染色体数目为2n=10，其

基因组的遗传连锁图总长度为430 cm(分摩)。由于REdei, McKelvie等的工作，至今为止已有75个拟南芥基因座位被定位在5个连锁群中(与，对染色体相符合，其中第1号染色体上有23个基因标记，第2号上有10个，第3号上有6个，第4号上有14个，第5号上有22个)。在拟南芥中，未发现有与功能相关联的基因连锁群。此外，拟南芥形体小，易于在实验室种植(可在简单的合成培养基上生长，也可在培养液中生长，且世代周期短(仅:4-5星期)，其生活史的长短可通过光照周期的化来调节。根据DNA复性动力学分析，拟南芥的基因组仅为7万kb，与果蝇、线虫的基因组大小相仿(作为比较，人的基因组约为20万kb，黑麦的基因组约为790万kb)。还有，拟南芥的基因组中重复顺序很少，这对于染色体分析、基因分离和基因克隆化均很有利。即使从单个基因的水平看，拟南芥基因组仍有明显的优越性。例如，大多数植物的种子蛋白基因是多拷贝的，而Meyerowitz小组发现，拟南芥的种子蛋白基因是单拷贝的。他们以克隆化的拟南芥种子蛋白基因为探针，首次以拟南芥为实验材料用原位杂交技术分析了植物基因的表达。他们发现，仅在胚细抱中才有种子蛋白的mRNA。虽然该结果本身是意料之中的，但重要的是，能够将原位分子杂交技术应用于拟南芥。要知道，适用于该技术的植物种是不多的。

2.2拟南芥早期在细菌能产生有利变异、分子遗传学、探究新的研究方法等方面的应用[2]

A、农杆菌转化

用Ti质粒转化植物叶或茎组织的方法日益广泛地用于植物的DNA转化工作.在烟草已建立了较好的转化系统，并已将这一体系应用于拟南芥。但叶的转化率还较低，近年来发展了转化其根组织的体系。经转化可以将某种功能的基因转人整个植物中，以研究调节基因等，而且可能引人单基因到突变休中使之互补突变位点。如“基因失活引起乙醇脱氢酶缺陷型的突变株，当引人野生型编码乙醉脱氢酶的基因到这个突变基因所在染色体上时，可恢复突变的Adh基因的活性。拟南芥的Ti质粒转化是研究其基因结构和功能的重要手段之一。

B、植物—植物病原菌相互关系的分子遗传学研究

植物的致病与不致病是植物与病原菌之间相互作用的结果。Flor曾提出gene-for-gene

的理论，此学说在许多的植物病原菌—植物致病休系中得到初步证实。要从本质上了解植物的抗病、病原菌的致病过程，还有赖于进行两个方面的分子遗传学研究。近年来植物病原菌的分子遗传学研究有了很大进展，分离到许多有用的突变体川。也分离到一些与致病有关的基因，以及与寄主专一性有关的基因等。对致病过程有了一些了解，但致病过程的分子遗传机理是十分复杂的，仍需要进一步的研究。另外，若只做病原菌分子遗传学单方面的研究，必然不能最终了解致病的遗传机理，因此，开展植物方面的分子遗传学研究是十分必要的，对农业的实际意义也十分巨大。由于拟南芥是黄单胞杆菌X.c.Pv·camPeotris的寄主植物，具有许多适于分子遗传学研究的特点。以拟南芥为寄主植物的植物—植物病原菌分子遗传学研究正在迅速开展。somor，ille研究了黄单胞杆菌在拟南芥上的致病性，对其一般病症进行了描述，同时测定了接种黄单胞杆菌后，叶组织中叶绿素的变化情况。Dav认用拟南芥的细胞培养液做为研究材料，研究了植物保护性反应的诱导特征，测定了培养液中酶学的变化，对了解植物保护反应的诱导产生等方面具有意义。本文作者建立了拟南芥—黄单胞杆菌的植物致病体系，并由此体系出发，克隆了以拟南芥columbia为寄主的无毒基因，并筛选

到columbia的相关突变体，这都证实了所建体系的正确性，并且植物杂交结果也初步证实了这一体系中的gene-for-gene理论式植物—植物病原菌的分子遗传学关系的存在。staskawicz用p·syringae与拟南芥建立Ti相似的体系，也找到了相关菌的无毒基因。对拟南芥的抗性基因定位、克隆的工作正在继续。随着对拟南芥的抗性基因研究的深人，对进一步认识植物抗病、病原菌致病的遗传机理有重要意义。

C、拟南芥基因转移新方法一真空渗入法的研究

以拟南芥(ArabidoPSisth)生态型Landsbet’gerecta为试材，在含有所构建的CaMVBari一1株系基因巩的质粒(pJO530::Bari-1GVI)的根癌农杆菌(Agrobaeteriumtum)菌种Gv3101的介导下，研究了基因转移的新方法一真空渗入法.这种方法简便、快速、可靠且无需经过组织培养阶段即可获得大量转化植株.适宜的转化条件是将生长健壮，除去主苔后4天的成株连同营养钵倒置浸入被渗入培养基稀释的农杆菌抱子悬浮液，其光密度为0.8，在吸力为1.7m/h 的真空泵下断续处理2min/30s，置于24h连续光照下的气候室培养，待种子收获后在含有潮霉素的选择培养基选择转化植株。PCR分析及EUSA检测，该方法的转化效果高达0.71%.

小结：通过以上的事例可以看出，在早期，科学界对于拟南芥的研究由于技术的限制并没有多大的发展，但是却有很多的科学家已经意识到了这种植物的潜在价值，对于一些常规方法不能解决的问题，拟南芥作为一种媒介可以达到很好的效果，尤其是在基因遗传的有关方面。总的来说，此时有关拟南芥的研究均处于初级阶段，大规模应用还没有形成。

三、现状的分析：

经过了科学家们长期的研究，以及现在科技的高速发展，拟南芥在各方面的应用已经去的了长足的进步，比如在基因的调控方面、基因表达的转导研究、在甘油-3-磷酸乙酰转移酶等方面的研究。

3.1拟南芥甘油-3-磷酸乙酰转移酶参与合成甘油脂类

甘油脂类包括甘油三酯或称之为脂酰甘油(triacylglycerol)和甘油磷脂(phospholipids)。甘油三酯最重要的生理功能是贮存能量和供给能量。甘油磷脂是生物膜的重要组成成分，构成疏水性的“屏障”，分隔细胞水溶性成分及将细胞划分为细胞器、核等小的区，保证细胞内同时进行多种代谢活动而互不干扰，维持细胞正常结构与功能[3]。拟南芥甘油-3-磷酸乙酰转移酶1(ATGPAT1)证明参与拟南芥花粉发育过程中的甘油三酯和甘油磷脂的合成。A TGPAT1是一个定位在线粒体膜上的甘油-3-磷酸乙酰转移酶。通过研究ATGPAT1的基因敲除突变体(atgpat1-1和atgpat1-2)，发现突变体相对于野生型花序中的甘油脂类下降10%，说明ATGPAT1参与到甘油脂类的合成。同时突变体的育性严重下降，而导致突变体的不育原因是花粉产量的严重下降。进一步研究表明，导致花粉败育的主要原因是由于花药绒毡层的发育异常。在花粉发育过程中，绒毡层细胞分泌营养物质支持花粉发育。而绒毡层的分泌功能与其中的内质网结构密切相关。通过透射电子显微镜技术对比突变体与野生型的绒毡层细胞发现，突变体的内质网结构异常并且伴随着绒毡层细胞分泌量降低。说明ATG-PAT1的功能缺失导致绒毡层中的磷脂合成异常并进一步导致内质网结构的异常。而花粉在花药中的正常发育，既依赖于花药尤其是绒毡层细胞的供给支持，也取决于花粉自身的分子与细胞功能。研究表明，ATGPAT1同样影响花粉自身的甘油脂类的合成。突变体花粉中的储存类的甘油三酯以及组成内膜系统的甘油磷脂都有一定程度的降低。花粉的脂类内容物被认为在花粉萌发及其后的花粉管生长中提供能量以及生物膜的组成成分，所以突变体花粉的脂类内容物的降低进一步影响了花粉的有效授粉及萌发过程。由此可展望甘油-3-磷酸乙酰转移酶家族在植物生理研究及农作物遗传育种上发挥的作用：

1、甘油-3-磷酸乙酰转移酶家族可能参与植物花粉外壁单体的组合；

2、在相关农作物中过表达GPA Ts可能提高脂类产量及抗逆表现。

3.2拟南芥LOF1基因在赤霉素调控开花过程中的功能

拟南芥侧生器官融合基因LOF1的T-DNA插入突变体lof1-2和p35S:LOF1过表达转基因植株为研究材料，通过观察突变体和过表达转基因植株的表型及其对赤霉素的响应，探讨了该基因在赤霉素调控开花过程中的功能[4]。结果表明，LOF1基因在拟南芥中的过表达导致转基因植物提前开花。突变体lof1-2对施加的外源赤霉素更加敏感，植物提前开花，植株高度明显增加，而p35S:LOF1过表达转基因植株在赤霉素的处理下比野生型抽薹晚，植株高度明显低于相同处理下的野生型。推测LOF1可能在赤霉素调控的开花诱导作用中具有负调控作用。

拟南芥开花途径受到光周期、春化和赤霉素的调控。光周期的改变(短日照)和春化处理没有使突变体lof1-2和过表达转基因植株与野生型植株在开花时间上有所不同，只有施加外源GA3处理后种基因型之间才表现出明显差异。突变体lof1-2对施加的外源赤霉素更加敏感，而过表达转基因植株则在赤霉素的处理下比野生型植株抽薹晚。这些都说明LOF1可能参与赤霉素调控的开花诱导过程在赤霉素调控的开花诱导过程中，有2类相互作用决定茎端分生组织的维持、分化和侧生器官(叶花)的建成。所以，对拟南芥的基因组展开充分的了解，

是科学家们为了对其潜力更进一步地挖掘而必须做的。这也从侧面说明了，拟南芥在基因研究方面不可替代的作用！

3.3多年生黑麦草P5CS基因的定点突变及其在拟南芥中的转化

在前期克隆获得LPP5CS基因的全长cDNA序列基础上，采用PCR扩增技术对多年生黑麦草脯氨酸合成酶基因P5CS的定点突变体系进行了探讨，并运用农杆菌转化技术对突变后的基因进行了功能验证[5]。根据突变位点序列设计一对引物，使用Pfu高保真ＤＮＡ聚合酶和超级感受态细胞DMT，通过PCR扩增，获得含有所要突变位点的LPP5CSF128A，定向克隆入真核表达载体PCAMBIA1300中，转化拟南芥验证基因功能。结果表明，预期位点上发生了突变，LPP5CS编码的第128位密码子已由苯丙氨酸残基（Phenylalanine，简称Phe）变为丙氨酸残基（Alanine），证明用PCR技术已成功地使LPP5CS基因发生定点突变。转基因拟南芥T1代植株进行PCR和RT-PCR检测，获得４个转基因阳性株系。拟南芥T2代植株经100ｍmol／ＬNaCl处理７ｄ后，转基因株系脯氨酸含量分别为

4262和5623μｇ／ｇFW，显著高于野生型株系的2581μｇ／ｇFW。说明转基因株系能积累更多的脯氨酸。大量研究表明，脯氨酸积累与植物对干旱和盐胁迫适应性之间有显著的正相关。将LPP5CSＦ128Ａ基因插入表达载体的35S启动子下游，成功地将LPP5CSＦ128Ａ转入拟南芥中，实现了基因的高效表达，本试验结果表明，在正常和盐处理条件下，Tp1和Tp3转基因株系脯氨酸含量的平均值是野生型的2.72和2.83倍，由于LPP5CSＦ128Ａ基因的转入，明显提高了转基因拟南芥植株脯氨酸的积累速度。脯氨酸含量显著提高，预示着转目的基因LPP5CSＦ128Ａ后，可提高转基因植物抗逆性.目前转基因株系正进行连续自交筛选，将进行抗逆性功能验证。总之，LPP5CS的定点突变为进一步研究多年生黑麦草在渗透胁迫过程中脯氨酸的作用机制奠定了基础。

小结：

通过现阶段的创新，以及科技的大力支持，拟南芥在此方面的研究成果是举世瞩目的，

也再一次奠定了它在植物遗传方面的地位。

四、前景的预测

分析了拟南芥的研究路程，不难发现是科技推动了它的发展进程，但这主要还是归功于它的与众不同的结构特点以及在生长过程中的适应性。作为近几年来，研究较快的比较经典的“模式植物”，拟南芥因为和其他植物的较大的相似性，已经成为了一种比较成熟的研究工具或者媒介。在未来的一段时间里，科学界对拟南芥的研究也许还会进一步的发展，但也都

只会集中在遗传等方面。所以，我们可以继续期待它给我们带来的惊喜，以取得更大的突破。

参考文献：

【1】殷世申（上海实验动物研究中心)等，植物中的“果蝇”—拟南芥【J】，CNKI:SUN:SWXT.0.1986-03-007；

【2】樊妙姬，拟南芥的分子遗传学研究概况【J】，CNKI:SUN:YCZZ.0.1992-03-014；【3】李晓川(上海师范大学生命与环境科学学院）等，拟南芥甘油-3-磷酸乙酰转移酶家族研究进展【J】，0517－6611－2011)08－04443－02；

【4】孙虹，韩月婷，龚建，沈颂东，张春义，姜凌等，拟南芥LOF1基因在赤霉素调控开花过程中的功能【J】，CNKI:SUN:JSNB.0.2011-01-009

【5】曹丽，义鸣放，孙振元，韩蕾，巨关升，马欣荣等，多年生黑麦草Ｐ５ＣＳ基因的定点突变及其在拟南芥中的转化【J】，CNKI:SUN:CYXB.0.2011-01-034