植物功能基因组学及其研究技术_崔兴国
PBJ中国农科院作物所叶兴国实验室利用CRISPRCas9编辑MS2基因实现矮败小麦育性完全...
PBJ中国农科院作物所叶兴国实验室利用CRISPRCas9编辑MS2基因实现矮败小麦育性完全...近日,中国农业科学院作物科学研究所叶兴国实验室在植物学权威期刊《Plant BiotechnologyJournal》在线发表了题为《Fertility recovery of wheat male sterility controlled by Ms2 usingCRISPR/Cas9》的研究论文,首次报道了利用CRISPR/Cas9技术编辑Ms2基因完全恢复矮败小麦不育群体育性的研究结果,为从优良矮败小麦群体和太谷核不育小麦群体中培育新品种奠定了基础。
不育系是选育小麦新品种和利用小麦杂种优势的重要材料。
太谷核不育小麦是40多年前由我国山西省太谷县农民育种家高忠丽在田间发现的特殊种质资源,没有花药和花粉,自交不结实(Deng et al., 1982)。
太谷核小麦接受外来小麦花粉后,杂交后代中总是分离出一半可育株、一半与母本不育类型完全相同的不育株。
后经中国农科院作科所邓景扬先生和刘秉华先生鉴定,太谷核不育小麦的育性由位于4DS染色体上的Ms2基因控制,表现为完全显性(Liu et al.,1986)。
为了在小麦生长早期阶段区分不育株和可育株,刘秉华先生将4DS染色体上的不育基因Ms2与矮秆基因Rht10连锁,育成了矮败小麦(Liu et al., 1991)。
目前为止,利用矮败小麦进行轮回选择育种,已经培育了多个优良小麦品种(Zhai et al., 2009))。
但是在基于矮败小麦的轮回选择育种程序中,小麦新品种只能从矮败群体衍生的优良可育材料中选择,优良矮败群体由于育性分离不能选育成为新品种。
2017年,中国农科院作科所孔秀英团队和山东农业大学付道林团队同时克隆了小麦Ms2基因(Ni et al., 2017; Xia et al., 2017),为编辑矮败小麦和太谷核不育小麦中的Ms2基因提供了保障。
植物基因功能研究方法的新进展
植物基因功能诠释研究方法的新进展(东北农业大学,150030)摘要:本文通过阅读大量的文献,总结了植物基因功能注释研究方法的最新进展。
对每种方法的原理及优缺点做了综述,拟供初学者和作相关研究者参考。
关键词:基因功能;研究方法;新进展基因组研究应该包括两方面的内容:以全基因组测序为目标的结构基因组学(struc tural genomics)和以基因功能鉴定为目标的功能基因组(functional genomics)。
结构基因组学代表基因组分析的早期阶段,以建立生物体高分辨率遗传、物理和转录图谱为主。
功能基因组学代表基因分析的新阶段,是利用结构基因组学提供的信息系统地研究基因功能,它以高通量、大规模实验方法以及统计与计算机分析为特征。
功能基因组学(functional genomics)又往往被称为后基因组学(postgenomics),它利用结构基因组所提供的信息和产物,发展和应用新的实验手段,通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能,使得生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转向多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。
[1,2]这是在基因组静态的碱基序列弄清楚之后转入基因组动态的生物学功能学研究。
研究内容包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。
基因的功能包括:生物学功能,如作为蛋白质激酶对特异蛋白质进行磷酸化修饰;细胞学功能,如参与细胞间和细胞内信号传递途径;发育上功能,如参与形态建成等采用的手段包括经典的减法杂交,差示筛选,cDNA代表差异分析以及mRNA差异显示等,但这些技术不能对基因进行全面系统的分析。
新的技术应运而生,包括基因表达的系统分析,cDNA微阵列,DNA芯片等。
鉴定基因功能最有效的方法是观察基因表达被阻断或增加后在细胞和整体水平所产生的表型变异,因此需要建立模式生物体。
自华大基因启动“千种动植物基因组参考序列谱构建计划”和“千种植物转录组研究”以来,已完成水稻、黄瓜、马铃薯、白菜等植物的基因组序列图谱绘制,并通过对大豆的重测序研究建立了高密度分子标记图谱。
植物基因组学中的基因功能研究
植物基因组学中的基因功能研究植物基因组学是一门关于植物基因组结构、组成和功能的学科,它的发展不仅为植物遗传学、生理学、生态学等领域提供了新的研究思路和方法,也为人们了解植物基因的功能及其调控机制提供了重要的途径。
而其中的一个重要研究方向便是基因功能研究。
基因是指植物细胞中能够编码蛋白质或RNA分子的DNA序列,是植物生命活动的基础单元。
在植物基因组学中,基因功能研究就是研究这些基因如何协同工作,调控植物的生长发育、适应环境、抵御病害等生物学过程的。
其研究方法主要有靶向基因编辑技术、基因表达谱分析、蛋白质组学等。
靶向基因编辑技术是目前植物基因功能研究中最受关注的技术之一。
它能够通过人工设计并导入DNA序列,精准地对植物基因组进行修改,进而验证基因的生物学功能和调控机制。
其原理是通过RNA导向的核酸水平控制技术(CRISPR-Cas)实现。
例如,科学家们可以利用CRISPR-Cas技术针对植物中的一些关键基因进行剔除或修饰,以此来研究基因的功能和作用途径。
除了基因编辑技术外,基因表达谱分析也是植物基因功能研究中的关键技术之一。
由于基因表达是蛋白质合成的前提和基础,因此运用基因表达谱分析技术来探究不同环境下植物基因的表达模式,可以为探究基因调控机制、寻找植物分子标记和激素生物合成提供帮助。
同时,在植物对外在环境的响应中,这一技术也被广泛使用。
比如,科学家们可以利用基因表达谱分析技术研究植物在缺水和寒冷等环境中的应答机制,为实现植物的高效生长提供参考依据。
除了上述两种技术之外,还有一种重要技术是蛋白质组学。
其原理是通过分离、纯化、鉴定和定量植物中的蛋白质,并研究蛋白质的功能、特性和相互作用,来探究植物生产中的蛋白质互作网络及调控机制,进而研究复杂的生命过程。
近年来,随着蛋白质组学技术的逐步完善,其在植物基因功能研究中的应用也越来越广泛。
例如,在研究植物对特定病原体的抗性机制时,科学家们可以通过利用蛋白质组学技术来鉴定并研究植物中参与抗菌的蛋白质,进而为植物抗病育种提供技术支持。
植物功能基因组学的研究现状
植物功能基因组学的研究现状随着基因组学和转录组学技术的不断发展与进步,植物学研究正不断进入一个新的时代。
植物功能基因组学作为植物学研究中的一个重要方面,在研究植物基因功能与调控机制、挖掘特异的基因与代谢途径等方面发挥着越来越重要的作用。
一、植物功能基因组学的基本概念植物功能基因组学是在植物物种的基因组水平、转录水平以及蛋白质互作网络水平上进行的全面系统分析。
通过研究不同植物基因组的序列、结构、功能、表达及调控机制,探究植物基因、基因组及其相互作用的结构和功能,以及它们参与生长发育、逆境响应等生命活动的机制,是植物学研究的一个重要分支。
二、植物功能基因组学的研究方法随着基因组学、转录组学技术的发展,植物功能基因组学的研究方法也不断丰富和完善。
目前,主要的研究方法有基因组测序、转录组测序和代表基因表达分析等。
1. 基因组测序基因组测序是整个功能基因组学研究的基础。
通过对植物基因组序列的分析,可以探究植物基因组的结构、功能和演化。
与此同时,植物基因组的比较和进化分析也是当前研究的重点。
比如,研究植物基因组的大小、纯合性、基因家族、可变序列、卫星DNA等。
2. 转录组测序转录组测序是研究植物基因表达的有效手段,可以帮助研究人员快速全面地了解植物基因表达的特征和规律。
通过转录组测序,可以探究植物基因组中高度表达和特异性表达的基因功能。
此外,还可以研究基因的转录本、可变剪接、信号通路、调控因子作用等。
3. 代表基因表达分析对于重要基因和代表性基因进行表达分析,可以帮助研究者快速筛选出更加关键的基因调控因子。
此外,研究特定基因的表达,也可以揭示植物逆境响应机制和其他适应性途径。
三、植物功能基因组学的研究进展随着研究的深入,植物功能基因组学的应用范围也逐渐扩展。
以下是几个热点研究方向的探讨。
1. 植物基因组结构和功能首字母缩写词LRR-RLK(LRR-RLKs)是植物基因组和蛋白质互作背景下的新颖受体激酶。
这些关键蛋白质在植物生长与发育,病原物抵抗和逆境应答等方面扮演着非常重要的角色。
【HorticRes】PvWOX3a在柳枝稷中的过表达可促进茎的发育并增加株高
【HorticRes】PvWOX3a在柳枝稷中的过表达可促进茎的发育并增加株高文章信息题目:Overexpression of PvWOX3a in switchgrass promotes stem development and increases plant height 刊名:Horticulture Research作者:Ruijuan Yang, Chunxiang Fu et al.单位:Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology日期:01 December 202101摘要柳枝稷 ( Panicum virgatum L.) 是一种重要的多年生、非侵入性、高大的观赏草,可为花园和景观增添色彩和质感。
此外,柳枝稷因其生长旺盛、投入要求低和地域广阔而被认为是一种饲料和生物能源作物。
在这里,我们从柳枝稷中鉴定出PvWOX3a,它编码WUSCHEL 相关的转录因子。
柳枝稷中PvWOX3a的转基因过表达增加了茎长、节间直径和叶片长度和宽度,与对照植物相比,所有这些都导致生物量平均增加95%。
酵母单杂交和瞬时双荧光素酶测定表明PvWOX3a 可以通过与它们的启动子序列直接相互作用,从而抑制赤霉素2-氧化酶和细胞分裂素氧化酶/脱氢酶。
这些结果表明,过表达PvWOX3a可以增加转基因柳枝稷植物中赤霉素和细胞分裂素的水平,从而促进细胞分裂、伸长和维管束发育。
我们还在过表达miR156转基因柳枝稷株系过度表达了PvWOX3a,该株系特征性地表现出更多的分蘖、更薄的节间和更窄的叶片。
双转基因柳枝稷植物在节间长度和直径、叶片宽度和株高方面表现出显着增加,但保留了与单独表达miR156 的植物相当的分蘖数。
最终,与对照植物相比,双转基因柳枝稷植物产生的干重增加了174%,溶解的糖量增加了162%。
这些发现表明,PvWOX3a是一种可行的潜在遗传靶标,可用于改造园艺、饲料和生物燃料作物的枝条结构和生物量产量。
植物生长发育相关基因的功能与调控研究
植物生长发育相关基因的功能与调控研究从种子萌发到生长发育,植物是如何完成自身的生命之旅的?在这个过程中,植物如何识别环境变化和内部信号,调控基因表达,从而完成自身的进化和生长?这就需要了解植物生长发育相关基因的功能与调控。
植物生长发育相关基因功能的发现早期,通过对植物形态变异和杂交后代的分析,人们发现了许多植物性状的遗传性,并推测出了许多与植物发育和生长相关的基因存在。
随着分子生物学和基因工程技术的发展,越来越多的植物生长发育相关基因被鉴定和克隆,使我们对植物生长发育的理解更加深入。
植物生长发育中,植物激素是一个重要的调节因子。
例如,生长素(Auxin)可以调控植物细胞生长和分化,参与种子萌发和发芽,控制植物器官的形成和整体生长方向。
众所周知的GH3基因家族就是最早被证实参与生长素代谢和信号传导的基因家族。
除此之外,赤霉素(Gibberellins或GA)、细胞分裂素(Cytokinins 或CK)、脱落酸(Abscisic acid或ABA)和乙烯(Ethylene)等植物激素也都对植物生长发育有着不同层次和模式的调节。
除了植物激素调节,植物基因调控网络中还包括许多特异的转录因子和信号转导通路。
例如,AP2/ERF基因家族是植物中最大和最广泛的转录因子家族之一。
它们参与全年龄组植物的生长和逆境响应调节,每个成员基因具有多样性的功能和表达模式。
另外,MPK基因家族在植物中广泛存在,它们与多种生长发育信号调节通路紧密联系,参与调控植物生长发育和逆境适应。
在研究中也发现许多植物生长发育相关基因具有复合功能,不仅对植物生长发育具有调控作用,同时还可以影响植物对环境逆境因素的响应。
例如,DF1(DEFECTIVE IN F1, 黄化基因1)是拟南芥中广泛研究的基因之一,拟南芥中的两个DF1同源基因At1g63790(DF1a)和At3g46800(DF1b)参与调控植物生长发育和逆境响应。
其中DF1a主要与生长素信号通路相关,参与果实的发育和营养物质分配;而DF1b则主要参与脱落酸(ABA)调控环境胁迫响应的途径。
中国农业科学科学院生物技术研究所科研方向简介
中国农业科学科学院生物技术研究所科研方向简介植物基因工程植物营养代谢和代谢工程植物抗逆分子生物学植物功能基因组学基因表达体系和生物反应器农业微生物基因工程环保微生物基因工程农业转基因生物安全性评价∙植物基因工程∙主要学术带头人:郭三堆、王志兴∙主要研究内容:转基因抗虫、抗病棉花、水稻、马铃薯等农作物的研究开发;抗除草剂棉花、玉米研究;棉花纤维品质改良基因工程。
∙主要研究进展:从微生物和植物中克隆了Bt的Cry1A和CpTI抗虫基因,合作育成了具有独立我国自主知识产权的单价和双价转基因抗虫棉,并实现了大规模产业化。
研究实现了杂交棉的三系配套,育成了优质、高产、抗虫转基因杂交棉新品系。
合作育成转Xa21基因抗白叶枯病水稻已被批准进入生产性试验。
将分离克隆的具有自主知识产权的新型EPSP合成酶基因导入烟草、油菜和棉花,培育高抗草甘膦转基因植株。
利用RNA干涉和过量表达技术证明纤维合成相关基因对细胞伸长具有重要作用,可望用于棉花纤维品质改良。
∙基因表达体系和生物反应器∙主要学术带头人:张志芳、刘德虎∙主要研究内容:植物叶绿体、家蚕和酵母等新型高效基因表达体系的建立。
利用转基因植物生产口服疫苗;利用植物油体体系生产鲑鱼降钙素。
∙主要研究进展:研究改进了叶绿体基因表达体系,通过叶绿体转化获得了可育的抗除草剂水稻植株。
先后获得转乙肝膜中蛋白基因的马铃薯和番茄工程植株、转产肠毒素大肠杆菌热敏毒素B亚基及其定居因子CS6 B亚基基因的马铃薯植株,动物实验证实可诱导保护性抗体产生,已获批准进入田间生产性实验。
还研究获得了婴幼儿腹泻轮状病毒抗原蛋白转基因马铃薯。
建立了稳定、高效的植物油体表达体系,在棉花和油菜油体中成功表达了鲑鱼降钙素蛋白,表达量达到种子总蛋白的0.2%。
∙农业微生物基因工程∙主要学术带头人:黄大昉∙主要研究内容:苏云金芽孢杆菌新型杀虫功能基因的发掘和分子机理研究;联合固氮、农药降解微生物及饲料、食品用酶制剂的分子生物学和基因工程。
ipt基因在植物基因工程中的应用
ipt基因在植物基因工程中的应用作者:陈梦莹陈祥福崔萌魏娟娟潘阳露潘宇李金华张兴国来源:《长江蔬菜·学术版》2014年第08期摘要:异戊烯基转移酶IPT是细胞分裂素生物合成过程中的限速酶,其编码基因ipt已被克隆并得到广泛应用。
简要介绍了在植物遗传转化中控制ipt表达的启动子,综述了ipt在植物基因工程中的应用,并分析了目前ipt基因在植物基因工程应用中存在的一些问题。
关键词:异戊烯基转移酶基因(ipt);植物基因工程中图分类号:Q943.2 文献标识码:A 文章编号:1001-3547(2014)16-0009-05细胞分裂素(Cytokinin,CTK)是促进细胞分裂的激素,在植物生长发育过程中行使重要功能,如参与细胞分裂、光合作用、衰老及营养代谢等过程。
1963年,Letham从未成熟的甜玉米中发现并纯化得到细胞分裂素,俗称玉米素(Zeatin),这与先前报道Miller从玉米中分离但未完全纯化的细胞分裂物质相同[1]。
细胞分裂素从化学角度看主要分为两类,一类是在天然细胞分裂素异戊烯腺嘌呤N6位上进行取代,侧链通常为芳香环衍生物或类异戊二烯基,包括6-呋喃甲基腺嘌呤(KT)、6-苄基腺嘌呤(6-BA)等,称嘌呤型细胞分裂素;另一类为苯基脲型细胞分裂素,即N,N'-二苯基脲(DPU)以及一些苯基脲的衍生物,如噻重氮苯基脲、N-(4-吡啶基)N'-苯基脲、N-苯基-N'-(2-氯-4-吡啶基)脲等。
目前,在细胞分裂素生物合成过程中起关键作用的一些酶的特性已得到研究,有些还被克隆出了对应的基因[2]。
其中,异戊烯基转移酶(Isopentenyl-transferase,IPT)是植物细胞分裂素生物合成中的限速酶。
异戊烯基转移酶基因最初在根癌农杆菌中得到鉴定,命名为tmr,后称为ipt,IPT酶的活性也逐步在多种植物的粗提取物中被检测到[3,4]。
随着拟南芥(Arabidopsis)基因组测序工作的完成,编码IPT的基因家族也被证实,包括9个成员AtIPT1~AtIPT9。
葫芦科作物功能基因组学研究进展
关键词 : 功能基因组 ; 西瓜 ; 甜瓜 ; 黄 瓜
Pr o g r e s s o f F u n c t i o n a l Ge n o mi c s Re s e a r c h i n Cu c u r b i t a c e a e
c u c u mb e r . Ke y wo r d s :F u n c t i o n a l Ge n o mi c s ;W a t e me r l o n; Me l o n; Cu c u mb e r
功 能 基 因组 学 ( f u n c t i o n a l g e n o mi c s ) . 又 被 称 为
现 。西 瓜 、 甜 瓜 和 黄瓜 是 葫芦 科 重 要 的经 济 作 物 , 其 功能 基 因组 学 研 究 虽 然 起 步 较 晚 , 但 也 取 得 了初 步 成 果 。综 述 了
近 几年 植 物 功 能 基 因 组 学 主要 研 究 方 法 如 表 达 序 列 标 签 ( E S T ) 、 T I L L I N G技术 、 D N A芯 片 和 R N A干 涉 ( R N A i ) 等 在
Z H AO S h e n g - j i e , L U X u - q i a n g , Z HU Ho n g - j u , HE N a n , UU We n — g 。
( K e y L a b o fH e n a nF r u i t s a n dC u c u r b i t s B i o l o g y, Z h e n g z h o uF r u i t R e s e a r c hI n s t i t u t e, C AA S, Z h e n g z h o u , H e n n4 a 5 0 0 0 9, C h i n a )
植物基因功能研究新进展
植物基因功能研究新进展随着科技的发展和人类的探索,对于生命的认知也越来越深刻。
而植物基因功能研究则是此过程中的一个非常重要的领域。
最新的研究不仅促进了我们对植物健康和食品安全等方面的理解,也拓展了基因工程和遗传育种等领域的应用。
本文将探讨植物基因功能研究的新进展。
1. 基因编辑技术的应用公共基因组研究项目(1000 Genomes Project)和植物基因组计划(1001 Genomes Project)是基因编辑技术得以实现的基础。
通过利用基因编辑技术例如CRISPR-Cas9等,科学家们已经成功地进行了一系列的基因组编辑操作,进一步探索了植物基因的功能。
例如,美国科学家们利用CRISPR-Cas9技术,成功编辑了拟南芥的CLAVATA3基因,从而研究了植物生长和生殖的分子机制。
在实验室条件下,编辑后的拟南芥具有更多的分枝、更厚的茎、更多的花和更多的微酸鲜果等。
2. RNA干扰技术的发展RNA干扰技术是一种通过RNA分子作为介质介导特定基因去除或抑制的技术。
近年来,这个技术在植物基因研究领域中得到广泛的应用。
瑞典科学家利用RNA干扰技术研究了拟南芥的镁离子运输相关基因,从而揭示了拟南芥高温下抗初期干旱的机理。
研究发现,在高温下,该基因会被抑制,从而调节镁及离子在植物体内的运输,确保了植物对干旱的适应性。
3. epigenetics的应用epigenetics是指遗传学中探究基因表达、修饰和遗传变异的遗传现象。
通过epigenetics的应用,对于植物基因功能的理解又向前迈进了一步。
以芥子为例,科学家发现在芥子中的50%基因是父母特异性染色质标记的,即基因表达因为其留下了遗传父母的印记而有所不同。
这些印记可能受到耕作和环境变化的影响,而这种发现有助于我们更好地了解植物繁殖和表型之间的相互关系。
4. 新型代谢组学技术的发展代谢组学技术是一种以代谢产物为研究对象的技术,可以帮助我们了解植物代谢过程中关键的分子,并深入研究其作用和调节机制。
植物功能基因组学的研究进展及应用前景
植物功能基因组学的研究进展及应用前景随着生物技术的不断发展,植物基因组学逐渐成为了生物学研究的热门领域之一。
而其中,植物功能基因组学的研究内容和研究方法也在不断地更新和进化。
功能基因组学可以帮助我们更好地理解基因的功能,预测基因在其所处生境中的生物学性状,更深入地探索物种的生命本质。
本文将探讨植物功能基因组学的研究进展及其应用前景。
一、植物功能基因组学的研究内容植物功能基因组学,是通过基因组信息来研究植物的功能和调控机制。
早期研究人员主要使用基因芯片技术,但近年来,全基因组测序技术和交互组学、系统生物学等方法的不断发展,使得功能基因组学的研究从单个基因转化为了更高层次的研究。
近年来,研究人员在功能基因组学方面的研究中借助了许多工具和平台,从而推进了研究进程,比如Gene Ontology (GO),KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) ,TAIR(The Arabidopsis Information Resource)等等。
这些工具和平台可以帮助研究人员理解基因在代谢途径、信号转导和生物特性调控方面的功能。
二、植物功能基因组学的研究进展随着全基因组测序技术和高通量测序技术的不断发展,植物功能基因组学也在不断进步。
经过多年细致的研究,许多植物物种的基因组已经测序完成,如拟南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻(Oryza sativa)、红豆杉(Taxus chinensis)等。
这些研究成果为各领域的研究人员提供了更为丰富、详细的基因组信息,推动了研究的深入探究。
同时,代谢组学和蛋白组学的发展也为植物功能基因组学的研究提供了新的思路。
这些技术使得研究人员能够更加全面地评估植物基因组中的功能。
例如,基于蛋白质测序技术,研究人员可以鉴定出植物基因组中的特定蛋白质,并研究它们在不同条件下的表达模式及其功能;同时,通过代谢组学技术,可以定量分析植物细胞中的代谢产物变化,推断相关代谢通路的调控机制。
植物功能基因组学及其研究技术
面通过所获得的 S G A E标签与已知基因进行对 比分 析, 若发现标签没有同源序列 , 则这个标签就有可能 与新基因对应 , 此时用 S , 通过对不同 状态下表达图谱 的比较会发现基因表达上的差异 , 这些 差异往 往是 由于 细胞 或 组织 所 处 的状 态 所 致 ,
育及响应环境变化 的遗传机制, 在基因组序列与细 胞学行为之问起到桥梁作用 , 同承担起从整体水 共 平上解析生命现象的重任. 1 植 物功 能基 因组学研 究 植 物 的生长 和发 育是一 个有 机体 或有 机体 的一 部分形态建成和功能按一定次序而进行 的一系列生
化代谢反 应 的总合 , 反应 在分 子水 平上 , 它要 求相 应
维普资讯
第 9卷
第1 期
衡水学 院学报
Ju n lo n su iest o r a fHe gh iUnv ri y
Vo . 1 9.No 1 .
Ma . 0 7 r2 0
20 07年 3月
植 物 功 能 基 因组 学及 其研 究技 术
关键 词 : 植物; 功能基因组学; 研究技术
中图分类 号 :3 3 Q —
文 献标识 码 : A
文章 编号 : 7 — 0520)l 02 —4 1 3 26(070 一03 0 6 因组 水平 的实 验方 法来研 究和 鉴别 基 因组 序列 的作 用 ; 究 基 因组 的结 系 以 及 基 因 与 基 因 间 的调 控 关
崔 兴 国
( 衡水学 院 生命科学 系 , 河北 衡水 0 3 0 ) 50 0
摘 要 : 植物基因组的研究已经由以全基因组测序为 目标的结构基因组学转向以基因功能鉴定为 目标的功能基 因组学研
研究植物基因功能的策略和方法_3110
研究植物基因功能的策略和方法研究植物基因功能主要有两种策略:正向遗传学(forward genetics)和反向遗传学(reverse genetics)策略。
正向遗传学即通过生物个体或细胞基因组的自发突变或人工诱变,寻找相关表型或性状改变,然后通过图位克隆并结合一些基因差异表达筛选技术(如差减杂交、差异显示PCR、差异显示分析等)从这些特定性状变化的个体或细胞中找到对应的突变基因,并揭示其功能,例如遗传病基因的克隆。
反向遗传学的原理正好相反,人们首先是改变某个特定的基因或蛋白质,然后再去寻找与之有关的表型变化,例如基因剔除技术或转基因研究。
简单地说,正向遗传学是从表型变化研究基因变化,而反向遗传学则是从基因变化研究表型变化。
研究植物体内基因功能的方法主要有以下几种:(1)基因功能丧失或减少,即筛选目的基因功能部分丧失或全部丧失的突变体,比较其与野生型的表型差异来确定该基因功能;(2)基因功能增加或获得,即筛选目的基因高水平表达的植株,比较其与相应对照植株(野生型植株,功能丧失突变体或模式植物植株)差异,观察其表型性状变化来鉴定基因功能;(3)基因异位表达(Ectopic expression),通过定向调控靶基因的时空表达模式来研究基因功能;(4)微阵列(Microarray)是一种在全基因组水平对基因表达进行高通量检测的技术;(5)酵母双杂交技术(Yeast two-hybrid system)用于分析基因产物即蛋白质之间的互作。
1 基因功能丧失或减少以前,通常通过筛选自然突变体来获得基因功能部分或全部丧失的突变体,但概率较低;现在一般通过各种人工方法来获得合适突变体。
人工产生基因功能丧失的方法有插入突变、反义抑制(antisense suppression)、共抑制(cosuppression)、双链RNA干扰(double-stranded RNA interference, dsRNAi)。
转基因植物的检测与鉴定
转基因植物的检测与鉴定宫雪超于丽杰高金秋哈尔滨师范大学环境与生命科学院黑龙江哈尔滨摘要对植物转基因过程中报告基因的种类和应用范围转基因植物的检测和鉴定方法转基因植物检测和鉴定方法的评价进行了综述关键词转基因植物检测鉴定评价中图分类法文献标识码文章编号植物转基因实验因受体系统的限制外源基因的转化频率较低为了达到转化目的必然要获得大量的转化材料如何在数以千万计的转化植株或细胞中快速有效地检测出转基因阳性植株或细胞外源基因是否整合到植物染色体上整合的方式如何整合到染色体上的外源基因是否正确表达等问题就成为重要的研究课题根据外源基因表达的不同水平对外源基因的检测和鉴定可以分为三个水平进行整合水平转录水平和翻译水平本文从外源基因表达的不同水平阐述转基因植物的检测与鉴定外源基因整合水平的鉴定检测外源基因是否转化成功首先是对报告基因进行检测必要时再进行目的基因的检测检测目的基因需要采用分子杂交方法报告基因报告基因必须具有两大特点一是表达产物和产物的类似功能在未转化的植物细胞内并不存在二是便于检测目前植物基因工程中使用的报告基因一般是编码酶的基因大致分为两类抗性基因和编码催化人工底物产生颜色变化的酶基因现在常用的报告基因主要有基因基因冠瘿碱合成酶基因H基因基因基因荧光素酶基因二氢叶酸还原酶基因等近年来绿色荧光蛋白基因作为一种新型的报告基因在植物基因转化及基因表达调控中得到应用并显示出较其他几个报告基因更大的优越性基因的检测基因具有以下优点①适用于各种生物的基因转化②检测方法简便无需底物酶辅因子等物质只要有紫外光或蓝光照射其表达产物就可以发出绿色荧光这对转化细胞的检测极为有利③便于活体检测十分有利于活体内基因表达调控的研究④检测时可获得直观信息有利于转基因植物安全性问题的研究及防范若此报告基因通过自然杂交扩散到其他栽培植物或杂草中时很容易通过光照获得直观信息基因的检测基因也是广泛用作转基因植物细菌和真菌的报告基因尤其是在研究外源基因瞬时表达的转化试验中基因应用的最多基因端与其他结构形成的融合基因能正常表达所产生的融合蛋白仍具有活性这为研究外源基因表达的具体细胞部位及组织部位提供了条件这是它的一大优点但是需要注意的是有一些植物在胚胎状态时能产生内源活性在转基因和代的子叶花粉和胚珠中检测到活性随着组织的成熟衰老表达逐渐停止在实验过程中要设定严格的阴性对照活性的检测方法有很多包括组织化学法色谱法荧光法等其中植物切片组织化学定位分析是分辨组织中不同细胞个体和不同的细胞类型基因表达差异的一种有效方法转基因植株的检测聚合酶链式反应是首选的转基因产品检测方法技术能够有效地扩增低拷贝的靶片段可以检测到每克样品含有~的转化基因成分对转基因产品大分子量检测的灵敏度可以达到样品含量的因为的高度特异性及检测所需的模板量仅为以内所以为外源基因整合的检测提供了便利条件尤其是在转化材料少又需及早检测的时候现在已经利用该技术对欧美杨番茄辣椒葡萄豆瓣菜小麦等转基因植物进行鉴定是转基因植物鉴定中最简单最常用的方法检测具有用量少操作简单成本低耗时少不需要同位素等优点但检测也存在缺点由于扩增十分灵敏有时会出现假阳性扩增因此检测只能作为初步结果杂交证明外源基因在植物染色体上整合情况的最可靠方法是杂交只有经过分子杂交鉴定为阳性的植株才可以称为转基因植物年第期牡丹江师范学院学报自然科学版总第期收稿日期利用杂交~可以确定外源基因在植物中的组织结构和整合位置~拷贝数以及转基因植株世代外源基因的稳定性]分子杂交是进行核酸序列分析~重组子鉴定及检测外源基因整合表达的强有力手段~它具有灵敏性高~特异性强的特点~是当前鉴定外源基因整合及表达的权威方法杂交可以清除操作过程中的污染以及转化愈伤组织中质粒残留所引起的假阳性信号~准确度高~但杂交程序复杂~成本高~且对实验技术条件要求较高根据杂交时所用的方法~核酸分子杂交又可分为印迹杂交<>~斑点<>杂交或狭缝<>杂交和细胞原位<>杂交等现在已在水稻]~玉米~大白菜]~豆瓣菜]~马铃薯~杏~烟草等植物中得到广泛应用外源基因转录水平的鉴定转录水平上的检测方法主要就是杂交~它以和探针杂交的技术检测基因在转录水平上的表达杂交杂交和杂交相比~更接近性状表现~更具有现实意义~被广泛用于转基因植物的检测~]~现已用于杨树~豆瓣菜~马铃薯~草莓~烟草等转基因植物的检测中但提取条件严格~在材料内含量不如高~不适于大批量样品的检测检测<>也是检测外源在植物体内转录表达的一种方法如果从细胞总提取物中得到特异的扩增条带~则表明外源基因实现了转录此法简单~快速~但对外源基因转录的最后决定~还需与杂交的实验结果结合外源基因表达蛋白的检测外源基因编码的蛋白在转基因植物中能够正常表达并表现出应有的功能是植物基因工程的最终目的杂交杂交是集蛋白质电泳~印迹和免疫测定为一体的检测方法它具有很高的灵敏性~可以从植物细胞总蛋白中检出的特异蛋白质~若是提纯的蛋白质~可检出~杂交检测目的基因在翻译水平的表达结果~可得知被检植物细胞内目的蛋白是否表达~表达的浓度大小及大致的分子量能直接显示目的基因在转化体中是否经过转录~翻译最终合成蛋白而影响植株的性状表现一般来讲~杂交的结果与性状表现有直接关系~]检测<酶联免疫吸附法>是一种利用免疫学原理检测抗原~抗体的技术由于酶的放大作用~使测定的灵敏度极高~可检测出的目的物~同时酶反应还具有很强的特异性除了可溶性抗原<抗体>之外~还可以检测含表面抗原的细胞该方法已用于辣椒~水稻~烟草~番茄~]等转化植株的鉴定工作中的检测虽然很灵敏~但容易出现本底过高的问题~应予以充分的注意蛋白检测试纸蛋白检测试纸是一种基于的改进方法或者~用于转基因植物表达量的检测]先将特异性抗体吸附在膜上~将膜蘸入样品溶液~蛋白质随着液相扩散~遇到抗体~发生抗原抗体反应~通过阴性对照筛选阳性结果~给出转基因成分含量的大致范围此方法操作简单~费用低~耗时少<~>原位杂交检测原位杂交技术目前在植物基因工程研究中已成为外源基因在染色体上整合定位及在组织细胞内表达定位的主要方法原位杂交技术主要有同位素原位杂交和荧光原位杂交<>~使用放射性同位素标记~放射自显影检出该方法灵敏性强~对于单拷贝的序列检出非常有效原位杂交可以分为三个层次:①染色体原位杂交~可以确定外源基因在染色体上的整合位置及整合方式~还可以研究外源基因的整合方式对外源基因遗传稳定性~外源基因表达的影响~以及不同的转化方式与外源基因整合方式的关系等重大机理问题;②组织细胞原位杂交~对特定的基因表达的进行组织细胞分布的空间定位~获得外源基因在植物组织细胞内表达情况<是否表达~表达位置~表达量等>;③外源基因表达蛋白的组织细胞免疫定位~指利用外源基因表达蛋白的抗体~通过免疫反应确定表达蛋白在转基因植物组织及细胞中的分布该方法也是研究转基因植物中外源基因功能~外源蛋白稳定性及功能蛋白含量的重要手段检测方法的评估用提取方法对目的基因进行检测方法简便~适合大批量样品的分析~又能检测目的基因的完整性~是早期检测的较好方法]~~杂交分别从整合~转录~翻译水平检测外源基因~是检测外源基因最经典~最可靠的方法虽然现在出现了一些像~等功能类似~方便快捷的检测技术~然而由于其技术本身的原因~还不能取代以上技术在转基因植物检测和鉴年第期牡丹江师范学院学报!自然科学版"# !总第期"定上的权威地位随着科学技术的发展 各种新的检测方法也在不断涌现 例如生物传感器筛选法 远红外线光谱法 定量 实时基因芯片等 每种检测方法都有其自身的优点和不足 应该根据不同的检测目的和要求 选择合适的方法 在实际工作中把几种方法结合运用 可获得外源基因不同表达水平的信息 是准确检测转基因植物产品的合理策略参考文献王学聘 卞祖娴 张晋华 等 欧美杨转基因植物的 检测 林业科学 朱新产 导入外源 对小麦基因表达的影响 西北植物学报 刘建强 孙仲序 赵春芝 转基因植物鉴定方法的研究概况 山东林业科技 李乃坚 袁四清 卡那霉素胁迫对转基因烟草种子发芽的影响 广东农业学报毛慧珠 唐惕 曹湘玲 等 抗虫转基因甘蓝及其后代的研究 中国科学 辑编辑 琳莉收稿日期 基金项目 黑龙江发展高新技术产业专项资金无基质喷雾栽培法生产脱毒小薯的研究于洪涛黑龙江省农业科学院绥化研究所 黑龙江绥化摘要 研究了无基质喷雾栽培法生产马铃薯脱毒小薯过程中不同品种 不同苗来源及不同收获方式对块茎产量的影响 结果表明 无基质喷雾栽培法生产马铃薯小薯以扦插苗分期收获效果最佳 无基质喷雾栽培比较适合栽培早熟品种以早大白最佳 关键词 无基质 马铃薯 脱毒小薯 中图分类法 文献标识码 文章编号在马铃薯良种繁育体系中 原种的生产是关键环节 其质量的高低和数量的多少直接影响马铃薯的生产 无基质喷雾栽培法是一种极有前途的核心种薯生产方法 其主要技术是将适于马铃薯不同发育时期的营养液适时适量地喷于保持在黑暗状态下的马铃薯植株根际 使马铃薯根际获得充分的养分 促进马铃薯块茎的生长 马铃薯喷雾栽培技术在我国尚属起步阶段 提高其生产效率是生产实践中亟待解决的问题 为此 本试验对无基质喷雾栽培法生产马铃薯脱毒小薯过程中不年第 期牡丹江师范学院学报 自然科学版总第 期转基因植物的检测与鉴定作者:宫雪超, 于丽杰, 高金秋, GONG Xuechao, YU Lijie, GAO Jinqiu作者单位:哈尔滨师范大学环境与生命科学院,黑龙江,哈尔滨,150025刊名:牡丹江师范学院学报(自然科学版)英文刊名:JOURNAL OF MUDANJING TEACHERS' COLLEGE(NATURAL SCIENCES EDITION)年,卷(期):2007(1)被引用次数:3次1.Datta S K;A Petew hans;K Datta Herbicide-resistance rice plants from IRRI breeding line IR72 after PEG-mediated transformation of protoplasts 19922.Soryu N Transformation of cucumber plant using Agrobaeterium tarme faciens and regeneratinon from hypoceotyl exolants[外文期刊] 1996(11)3.Bryant J;S Leather Removeal of selectable marker genes from transgenic plant:needless sophistication or social necessity 19924.王学聘;卞祖娴;张晋华欧美杨转基因植物的PCR检测 1997(04)5.Morgan A J;P N Cox;D A Turner Transformation of tomoto using an Ri-plasmid rector 19876.朱新产导入外源DNA对小麦基因表达的影响[期刊论文]-西北植物学报 1999(01)7.刘建强;孙仲序;赵春芝转基因植物鉴定方法的研究概况[期刊论文]-山东林业科技 2002(05)8.李乃坚;袁四清卡那霉素胁迫对转基因烟草种子发芽的影响 1998(04)9.Shimamoto K;R Terada;T Lzawa Fertile transgenic rice plants generated from transformed protoplast 198610.毛慧珠;唐惕;曹湘玲抗虫转基因甘蓝及其后代的研究 1996(04)11.John D Plant Genetic Transformation and Gene Expression 198812.Miki B L;H Labbe;J Haffori Transformation of Brassia hapus canola Cultivars with Arabidopsis tbaliana acetohyacid synthase Genes and nalysis of herbiccide resisfance 199213.Nelson R S Virus tolerance plant grouth anmd field perfamance of transgenic tomoto plants expressing coat protein from tomato mosaic virus 1988(06)14.Joarrne J F;J Kiser;R Ronold;ai Eflicient transfer of a glyphosate tolerance gene into tomato using a binary Agrobacterium tume faciens Vector 198715.Nilogu E T;M Keith;S N Richard Expression of affalfa mosaic Viruscoat protein gene confers cross protection in transgenic to bacco and tomato plant 1987(05)16.Lipton C R;Dautilick J X;Grothous G D Guidelines for the validation and use of immunoas says for determining of int-rouduced proteins in biotechnology enhanced crops and derived food ingredients 200017.Vasil V;A M Castillo;M E Fromm Herbicide resisotant fertibe transgenic Wheet plant obtained by micro-projectile bombardment of regenerable embryonic callus 1992(12)1.谢为龙.陈其文.喻国泉.李冠雄.乐海洋.谭群英.廖力转基因植物快速检测方法的研究[期刊论文]-生物技术通报2002(4)2.武海斌.孙红炜.杨崇良.李宝笃.路兴波.WU Hai-bin.SUN Hong-wei.YANG Chong-liang.LI Bao-du.LU Xing-bo转基因植物检测技术研究[期刊论文]-河北农业科学2008,12(7)3.贾月梅转基因植物检测技术的发展[期刊论文]-世界农业2007(6)4.贺熙勇.陈善春.彭爱红.HE Xi-yong.CHEN Shan-chun.PENG Ai-hong转基因植物的分子检测与鉴定方法及进展[期刊论文]-热带农业科技2008,31(1)5.张莹.张永军.吴孔明.赵奎军.彭于发.郭予元.Zhang Ying.Zhang Yongjun.Wu Kongming.Zhao Kuijun.Peng Yufa.Guo Yuyuan转基因植物的检测策略和检测技术[期刊论文]-植物保护2007,33(1)6.马强.徐勤青.李栋转基因植物检测方法的研究与进展[期刊论文]-种子科技2009,27(4)7.刘信.宋贵文.沈平.厉建萌.Liu Xin.Song Guiwen.Shen Ping.Li Jianmeng国外转基因植物检测技术及其标准化研究综述[期刊论文]-农业科技管理2007,26(4)8.刘建强.孙仲序.赵春芝转基因植物鉴定方法的研究概况[期刊论文]-山东林业科技2002(5)9.芦春斌.Lu Chunbin转基因植物(农产品)中转基因成分的PCR检测[期刊论文]-种子2006,25(1)10.黄亚东.赵文.李校堃.苏志坚.吴春利.何健凡.房师松.HUANG Ya-dong.ZHAO Wen.LI Xiao-Kun.SU Zhi-jian .WU Chun-li.HE Jian-Fan.FANG Shi-Song利用放射免疫技术快速检测转基因植物[期刊论文]-农业生物技术学报2005,13(3)1.王莹.任大明盐芥T-DNA插入突变体库的建立及初步分析[期刊论文]-湖北农业科学 2011(4)2.刘松瑜.谢深喜.陶爱群.周亚洲.周力.沈程清农杆菌介导的果树转基因研究进展[期刊论文]-中国农学通报2009(9)3.王文文.孟艳玲.宗晓娟.王甲威.魏海蓉.崔海金.刘庆忠核果类果树遗传转化及检测技术研究进展[期刊论文] -山东农业科学 2013(4)引用本文格式:宫雪超.于丽杰.高金秋.GONG Xuechao.YU Lijie.GAO Jinqiu转基因植物的检测与鉴定[期刊论文]-牡丹江师范学院学报(自然科学版) 2007(1)。
植物生长调控基因的鉴定与功能分析研究
植物生长调控基因的鉴定与功能分析研究植物的生长发育过程受到许多基因的调控。
了解植物基因的鉴定与功能分析对于揭示植物生物学的基本原理以及应对种植业的挑战至关重要。
本文将介绍植物生长调控基因的鉴定与功能分析的研究方法和技术。
一、植物基因鉴定的主要方法1.1 基因组学方法基因组学是基于全基因组的研究方法,能够识别和鉴定植物中的大量基因。
通过基因组学方法,可以进行大规模的基因表达谱研究,从而找出与植物生长发育相关的基因。
1.2 反式遗传学方法反式遗传学方法通过对突变体的研究,鉴定和分析植物中的基因功能。
这些突变体可能是基因缺失、插入等导致的,在研究中可以发现与植物生长调控相关的基因。
1.3 CRISPR/Cas9技术CRISPR/Cas9技术是一种新的基因编辑方法,可以精确地切除或修改植物基因。
通过该技术,可以研究特定基因在植物生长调控中的功能。
二、植物基因功能分析的主要方法2.1 基因表达分析基因表达分析是研究基因在植物不同组织或特定生长阶段的表达模式。
通过分析基因的表达量和模式,可以推测该基因在植物生长过程中的功能。
2.2 亚细胞定位分析亚细胞定位分析能够确定基因产物在细胞中的定位。
通过融合荧光蛋白等标记物到目标基因上,可以观察该基因产物在细胞核、质体、叶绿体等细胞器中的定位情况。
2.3 互作蛋白分析互作蛋白分析通过鉴定与目标基因产物相互作用的蛋白质,来推测该基因在调控生长发育中的网络关系。
这种分析方法可通过酵母两群法、质谱等技术手段实现。
三、应用案例:拟南芥的生长调控基因研究以拟南芥为研究对象,许多生长调控基因的鉴定和功能分析已经得到广泛的研究。
例如,通过使用CRISPR/Cas9技术,研究人员发现了控制拟南芥根系发育的基因,并通过基因表达分析、亚细胞定位和互作蛋白分析等方法揭示了这些基因在植物根系发育中的功能。
此外,反式遗传学方法也在拟南芥的基因功能分析中得到广泛应用。
通过研究突变体,研究人员发现了一系列与叶片发育、花器官形态等相关的基因,并揭示了这些基因在拟南芥生长发育过程中的重要作用。
功能性基因组学研究及其应用
功能性基因组学研究及其应用随着科学技术的不断进步,人们对基因组学的研究也越来越深入。
功能性基因组学 (functional genomics) 作为基因组学领域的一个分支,研究的是基因组中所有基因的表达、调控和功能。
在过去的几十年里,功能性基因组学已经成为了生命科学的一个重要领域,并在疾病诊断、药物开发等方面得到了广泛的应用。
一、功能性基因组学的研究方法功能性基因组学的研究方法涉及到分子生物学、遗传学、生物信息学、细胞生物学、化学等多个学科。
其中比较重要的方法包括:1. 基因组学:通过高通量测序技术、芯片技术和生物信息学等手段,对基因组全局范围内的基因组结构、基因组变异、基因组的功能等方面进行综合研究。
2. 转录组学:通过RNA测序技术、芯片技术等手段,对细胞内大量的mRNA 和非编码RNA的表达情况进行综合研究,从而了解基因的调控机制。
3. 蛋白质组学:通过蛋白质组分析技术对细胞内所有的蛋白质进行分析,了解蛋白质的表达情况、互作关系等信息。
4. 代谢组学:通过高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)、气质联用(GC-MS)等技术,对细胞内代谢产物以及代谢途径进行分析,从而了解细胞的生物化学特性。
5. 生物信息学:运用计算机技术和大数据分析方法,对基因组、转录组、蛋白质组、代谢组等数据进行分析和挖掘,从而发现基因、蛋白质、代谢产物的互作关系和调控机制。
6. CRISPR-Cas9基因编辑技术:通过定向编辑基因的方法,针对某一个基因进行切割和修复,从而探究该基因的功能和调控机制。
二、功能性基因组学在疾病研究中的应用功能性基因组学在生命科学的各个领域都有应用,尤其在疾病研究和药物开发方面获得了重要成果。
1. 诊断疾病:功能性基因组学可以通过分析基因组、转录组和蛋白质组等数据,为疾病的诊断和分类提供依据。
例如,在癌症的研究中,通过分析癌细胞和正常细胞的基因组和转录组数据,可以揭示癌细胞的特殊基因组和代谢通路,为癌症诊断和治疗提供新的思路。
植物功能基因的研究内容与展望
植物功能基因的研究内容与展望作者:李方来源:《河南农业·综合版》2021年第12期“基因组”(genome)是指一种生物的全套基因和染色体。
“基因组学”(genomics)一词由Thomas Roderick 在1986年提出。
目前基因组学存在两个分支,一个是结构基因组学,以构建生物的遗传图谱、物理图谱和转录图谱及其全序列测序为主要目标;另一个是功能基因组学,利用结构基因组学研究获得的大量数据与信息评价基因功能,包括生化功能、细胞功能、发育功能、适应功能等,其主要手段结合了高通量、大规模的实验方法、统计和计算机分析技术。
1995年,生物学家提出“后基因组学”的概念,即在基因组静态的作图、碱基序列分析基础上转入对基因组动态的生物学功能研究,亦称“功能基因组学”。
植物基因功能研究起步相对较晚,但发展迅速。
一、植物功能基因研究的概念功能基因组学研究的最终目标是解析所有基因的功能,即从基因水平上大规模批量鉴定基因的功能,进而全面研究控制植物生长发育及响应环境变化的遗传机制,在基因组序列与细胞学行为之间架起桥梁,使其共同承担起从整体水平上解析生命现象的重任。
植物功能基因组研究是利用植物全基因组序列的信息,通过发展和应用系统基因组水平的实验方法来研究和鉴别基因组序列的作用,研究基因组结构和组织与植物功能在细胞、有机体和进化上的关系以及基因与基因间的调控关系。
植物功能基因组学是植物后基因时代研究的核心内容,它强调发展和应用整体的实验方法分析基因组序列信息、阐明基因功能,其基本策略是从研究单一基因或蛋白质上升到从系统角度研究所有基因或蛋白质。
植物功能基因组的研究方法有T-DNA标签法、转座子标签法、反义RNA技术的基因破除、基因陷阱和化学诱变的新发展—TILLING技术,其中,T-DNA标签法是应用最为广泛的研究手段。
二、植物功能基因组研究内容(一)植物基因组的大规模测序植物基因组的大规模测序是深入进行基因组研究的前提,其提供了数据和信息支撑。
功能基因组学在农作物遗传改良中的应用
功能基因组学在农作物遗传改良中的应用引言:随着人口的不断增长和全球变暖等环境问题的加剧,农作物的遗传改良变得越来越重要。
遗传改良是通过改变物种的基因组来增加产量、提高抗性和改善品质。
功能基因组学是一种研究基因与功能之间关系的研究方法,可以帮助科学家理解农作物的基因调控网络,并且在农作物遗传改良中发挥重要作用。
本文将探讨功能基因组学在农作物遗传改良中的应用。
功能基因组学简介:功能基因组学是一种综合利用基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等研究方法来理解基因的功能以及基因间的相互作用的学科。
它通过揭示基因的功能和相互作用,可以深入了解基因调控网络,从而加速遗传改良过程。
功能基因组学的应用:1. 鉴定农作物基因功能在传统育种过程中,研究人员通常通过观察影响农作物性状的基因突变来研究基因功能。
然而,这种方法非常耗时且工作量大。
功能基因组学可以在较短时间内通过研究基因表达、蛋白质互作和代谢物水平的变化来鉴定农作物基因功能。
这种方法可以帮助科学家快速识别农作物基因的功能和作用途径。
2. 解析基因调控网络农作物的性状往往由多个基因调控,这些基因之间相互作用形成复杂的基因调控网络。
功能基因组学技术可以帮助科学家识别这些基因和调控网络,并了解它们在不同生物过程中的功能。
通过对基因调控网络的深入研究,科学家可以更好地了解基因组中每个基因的作用和相互关系,从而更好地进行农作物遗传改良。
3. 研究基因表达调控功能基因组学可以通过分析基因表达的变化来揭示农作物基因调控的机制。
通过对整个基因组的表达模式进行分析,科学家可以确定在不同生物过程中哪些基因被表达,哪些基因被抑制。
这有助于科学家了解基因调控网络中的关键基因和调控元件,并从中找到改变某个特定性状的方法。
4. 指导基因编辑技术基因编辑技术是一种通过直接编辑物种的基因组来改变其性状的方法。
功能基因组学可以帮助科学家在使用基因编辑技术时,选择最佳编辑目标。
通过了解基因组中不同基因的功能和相互作用,科学家可以确定哪些基因的编辑可能会导致所需的性状变化,从而指导基因编辑的设计和操作。
蕨类植物苹在中学生物学拓展活动中的应用
蕨类植物苹在中学生物学拓展活动中的应用
戴锡玲;曹建国
【期刊名称】《生物学通报》
【年(卷),期】2024(59)3
【摘要】利用课外时间组织学生进行科学探究拓展活动,对课内生物学教学具有重要的辅助和促进作用。
蕨类植物苹(Marsilea quadrifolia L.)分布广泛,易于采集,具有开展栽培和园艺应用、形态发育、叶片运动、水体修复和净化等多方面的探究潜力,是中学生物学拓展活动的适宜材料。
通过多形式、多渠道拓展活动的实施,可以全面、有效地落实生物学课程标准的达成,能培养学生探索生命奥秘的兴趣及观察能力和动手能力,锻炼科学思维和创新能力,从而更好地实现对学生学科核心素养的培养。
【总页数】3页(P67-69)
【作者】戴锡玲;曹建国
【作者单位】上海师范大学生命科学学院
【正文语种】中文
【中图分类】G633.91
【相关文献】
1.素质拓展学分在高校图书馆阅读服务中的应用——以广东石油化工学院大学生素质拓展活动为例
2.虚拟现实在中学生物学教学中的应用——基于The Body VR的教学活动设计实践探究
3.例谈“活动-构建-拓展”教学模式在生物学教学中的运用
4.浅析拓展性实践活动在高中生物学深度学习中的应用
5.中学生物学拓展活动的新材料——蕨类植物配子体
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第9卷 第1期2007年3月 衡水学院学报J o u r n a l o f H e n g s h u i U n i v e r s i t yV o l.9,N o.1Ma r.2007植物功能基因组学及其研究技术崔兴国(衡水学院 生命科学系,河北 衡水053000)摘 要:植物基因组的研究已经由以全基因组测序为目标的结构基因组学转向以基因功能鉴定为目标的功能基因组学研究.植物功能基因组学研究是利用结构基因组学积累的数据,从中得到有价值的信息,阐述D N A序列的功能,从而对所有基因如何行使其职能并控制各种生命现象的问题作出回答.近年来植物功能基因组学的研究技术主要包括表达序列标签、基因表达的系列分析、D N A微阵列和反向遗传学等.对植物功能基因组学的研究将有利于我们对基因功能的理解和对植物形状的定性改造和利用.关键词:植物;功能基因组学;研究技术中图分类号:Q3-3 文献标识码:A 文章编号:1673-2065(2007)01-0023-04 基因是细胞的遗传物质,决定细胞的生物学形状,细胞的生物学功能最终是由大量的基因表达完成的.随着人类基因组“工作框架图”的完成,生命科学研究的重点已经从结构基因组学转移到了功能基因组学的研究,特别是模式植物拟南芥(A r a b i d o p-s i s t h a l i a n a)和水稻(O r y z a s a t i v a)基因组测序的完成,公共数据库中已经积累了大量基因序列信息,获得了许多与植物发育相关的功能基因,在此基础上应用实验分析方法并结合统计和计算机分析来研究基因的表达、调控与功能,并相应诞生和发展了一批新的研究技术,为功能基因组学的研究提供了必要而有效的技术支撑.功能基因组学研究的最终目标是解析所有基因的功能,即从基因水平上大规模批量鉴定基因的功能,进而全面研究控制植物生长发育及响应环境变化的遗传机制,在基因组序列与细胞学行为之间起到桥梁作用,共同承担起从整体水平上解析生命现象的重任.1 植物功能基因组学研究植物的生长和发育是一个有机体或有机体的一部分形态建成和功能按一定次序而进行的一系列生化代谢反应的总合,反应在分子水平上,它要求相应的遗传代谢途径必须按照特定的时空次序严格进行以保证正常发育.植物功能基因组研究就是要利用植物全基因组序列的信息,通过发展和应用系统基因组水平的实验方法来研究和鉴别基因组序列的作用;研究基因组的结构、组织与植物功能在细胞、有机体和进化上的关系以及基因与基因间的调控关系;从表达时间、表达部位和表达水平3个方面对目的基因在植物中的精细调控进行系统研究.当前植物功能基因组学研究主要集中于一年生的拟南芥与水稻两个物种上,这主要是由于它们的遗传背景清楚,基因组较小,基因结构简单而且易于进行分子生物学操作.拟南芥研究组“2010计划”的宏伟目标是充分利用拟南芥基因组计划获得的序列信息并结合功能基因组研究技术来获知其25000个基因的全部功能,例如开花的诱导过程是植物生活周期中最奇妙的过程,目前从拟南芥中鉴定了提早开花和延迟开花的多种突变体,显示植物开花受多个遗传基因的控制,如延迟开花的两个突变体是由等位基因C O(C O N S T A N S)和L D(C O LD L U M I N I DE P E N-D E N S)突变引起,这两个基因均已被克隆,并使其在转基因植物的叶片中进行表达,将C O基因转移到拟南芥中,高效表达C O蛋白的转基因植株即使处于短日照条件下也会开花,这说明C O基因具有激活开花基因的作用.对模式植物功能基因组的研究将有助于整个植物基因组学的研究.目前的功能基因组研究主要包括以下几个方面:(1)c D N A全长克隆与测序;(2)获得D N A芯片①收稿日期:2006-10-12作者简介:崔兴国(1963-),女,河北冀州市人,衡水学院生命科学系副教授.等基因转录图谱;(3)突变体库的构建;(4)高通量的遗传转化鉴定系统;(5)生物信息技术平台与相应数据库的构建;(6)研究基因组表达的全部蛋白质及其相互作用[1].目前国内外都注重尽可能获得更多的全长基因的表达序列、饱和突变体库的创建、高通量的转基因遗传分析和比较基因组学研究,以便通过改变基因的表达状况寻找基因与性状的联系,而最终阐明基因的功能.2 应用于植物功能基因组学的研究技术为了功能基因组学的深入研究,人们相继建立了一系列有效的技术和方法,包括基因表达系统分析、表达序列标签、基因微阵列技术、插入突变等等,这些前沿技术为功能基因组学的研究提供了强有力的技术支撑.2.1 基因表达的系列分析(s e r i a l a n a l y s i s o f g e n ee x p r e s s i o n,S A G E)这是一种能快速、详细研究基因表达的新技术,其主要理论依据是采用来自c D N A3'一端特定位置的一段序列所含有的足够信息作为标签来区分和鉴定基因组中95%的基因,这一段基因特异的序列被称为S A G E标签,通常为9~10b p的寡核苷酸序列.通过对c D N A制备S A G E标签并通过连接酶将多个标签(一般20~60个)随机串联起来,形成大量的多联体并克隆到载体中,建立S A G E文库,然后对每个克隆进行测序.不仅可显示各S A G E标签所代表的基因在特定组织或细胞中是否表达,而且还可根据所测序列中各S A G E标签所出现的频率,来确定其所代表的基因的表达量等信息,操作相对简便,高度敏感而且可将基因表达的数据保留下来,作为数据库供当前或未来反复对比结果之用.可用于研究任何一种由细胞转录变化引起的生物现象,而无须对基因性质和生物系统预先有所了解.首次将S A G E技术应用于高等植物中进行全基因表达定量研究的是日本科学家M a t s u m u r a等人构建了水稻幼苗的转录图谱,并获得了水稻实生苗10122个S A G E标签,代表了5921个表达的基因.F i z a m e s等用S A G E技术分析了拟南芥根、叶片及花粉的基因表达概况,并根据拟南芥基因组的26620个注释基因,建立和提供了一种新的计算机处理方法及一个可进行拟南芥转录谱研究的S A G E参考数据库. S A G E最重要的用途是确定、分离那些在特定组织中或对外界胁迫做出不同反应时表达的基因.一方面通过所获得的S A G E标签与已知基因进行对比分析,若发现标签没有同源序列,则这个标签就有可能与新基因对应,此时用S A G E标签作探针筛选c D N A 文库,就有可能钓出新基因.另一方面,通过对不同状态下表达图谱的比较会发现基因表达上的差异,这些差异往往是由于细胞或组织所处的状态所致,差异基因很可能就是与之相关的新基因[2].2.2 表达序列标签测序技术(e x p r e s s e ds e q u e n c e t a g,E S T)这种方法是发现和鉴定表达基因的最快途径,主要是通过对随机选取的某一组织的m R N A反转录成c D N A并克隆到载体构建成c D N A文库后,大规模随机挑选c D N A克隆,从一端或两端进行测序所获得的基因序列片段称为E S T,每个E S T长度一般300~500b p之间就可以包含已表达的该基因的信息,即每个c D N A克隆不必全部测序,只要从一端进行单轮测序,测序长度在300b p以上就认为已包容了必要的信息.目前已在玉米、小麦、大麦、棉花、大豆、番茄、油菜、杨树、松树等19种植物中进行了E S T研究,得到大约160000条E S T数据,使我们能够在未完成全部基因测序的条件下,在具有较大基因组的物种中发现基因和研究基因功能[3].许多实验表明,E S T还可作为探针有效地筛选酵母人工染色体克隆,构建染色体物理图谱,用于基因的表达和功能研究.人们对水稻的大规模基因组测序研究表明,某些E S T具有明显的文库特异性分布.其组成在某种程度上可以反映出与植物生长、分化相关的特异基因表达调控的情况,可作为发现新基因的有效工具.S t e r k y等对16个不同组织或同一组织不同发育阶段的杨树总共102019条E S T比较分析后共获得4000多个可用于精确注释基因组序列的全克隆序列,并与拟南芥基因组序列比较,看出它们之间有较高的相似性,据此认为,一年生植物与多年生植物的不同可能主要是由于基因表达调控不同.此外, E S T还可用于确定基因转录概况,其基本原理是高效表达的基因产生高水平的m R N A,相应的c D N A 在文库中丰富表达,随机挑取克隆测序后,E S T数量就大体代表了基因在群体中的表达谱.2.3 抑制性差减杂交(s u p p r e s s i o ns u b t r a c t i v eh y-b r i d i z a t i o n,S S H)基因表达是一个复杂而精细的调控过程,高等真核生物约有10万个不同基因,但在生物体的发育24 衡水学院学报 第9卷过程中只有15%的基因得以表达,而这约15000个基因的表达是按时间和空间顺序有序地进行的,这种表达方式即为基因的差异表达.植物在不同生长发育阶段的不同类型细胞,以及不同外界条件下的基因的表达具有一定的差异性,比较各种基因表达上的差异,明确植物不同类型的细胞在特定条件下的基因表达差异及其调控,是研究生命过程分子机制的基础和分离克隆目的基因的前提.基因差异表达分析是建立在具有不同逆境胁迫抗性的材料在受到逆境胁迫后,其抗性基因会转录为不同的m R N A 来启动抗性基因的表达的基础上,通过对这些基因表达产物的差异进行技术分析,可初步获得这些抗性基因的信息,S S H是一种富集差异表达基因的有效而简单的方法.其基本步骤为:提取2种不同细胞的m R N A为驱动组和检测组,反转录成c D N A,分别用同一种识别四碱基序列的限制酶消化,以产生大小适当的末端c D N A片段,将检测组c D N A平分为两等份,各自接上2种接头,与过量的驱动组c D N A 杂交,得到4种产物:单链检测组c D N A、检测组双链c D N A、检测组和驱动组的异源双链c D N A、单链驱动组c D N A,实现了检测组单链c D N A均等化,即单链c D N A的相对含量达到基本一致,由于检测组c D N A中与驱动组c D N A序列相似的片段大都和驱动组形成了异源双链分子,使检测组c D N A中的差异表达基因的目标得到大量富集,再次杂交单链检测组的c D N A和驱动组的c D N A一起形成各种双链分子,可进一步富集差异表达基因的c D N A,经过几轮循环可以将差异表达基因扩增1000倍[4].该技术已广泛应用于分子遗传学和定向克隆的研究中,如鉴别病理变化、不同生物体生长发育和组织分化中的基因表达变化、不同基因型植物的基因表达变化以及外界因素诱导使植物产生差异表达的基因等.例如植物在不良环境条件影响下,基因表达会发生变化,导致植物体内生理生化的反应,以应答逆境的胁迫,在不同逆境因子所导致的不同植物的基因差异表达中,可得到抗逆境胁迫的特异表达基因,采用S S H方法由于速度快、效率高,一次反应可以同时分离几十或成百个差异表达基因,这样就可以在短时间得到多种不同的植物抗逆差异表达基因,为克隆抗逆相关基因库建立了技术基础.2.4 D N A微阵列(D N Am i c r o a r r a y)此技术可将c D N A文库中的序列分离固定于支持物上,同时检测比较样品中众多序列的表达情况和分析基因表达图谱,又称为c D N A芯片技术.基本原理是把预先合成的c D N A、E S T等一系列D N A片段固定在硅片、玻璃或尼龙膜等固相支持物上,与放射性同位素或荧光物标记的来自不同细胞、组织或器官m R N A或其反转录生成的c D N A进行分子杂交,然后用激光共聚焦显微镜对芯片进行扫描,根据探针位置和序列及杂交信号强弱来确定靶D N A的表达情况.由于D N A片段可高密度点到固相支持物上,而且样品可用多种荧光物进行标记,所以这一技术具有微型化、自动化和平行化等特点,可同时快速检测目的材料中上万个甚至整个基因组基因的表达差异[5].目前,D N A微阵列技术已广泛应用于植物防御、果实成熟、种子发育、环境胁迫响应等研究中,当前应用的微阵列系统主要是c D N A微阵列,即c D N A克隆的P C R扩增产物固定到固相支持物上的一种微阵列.2002年S e k i等用约7000个全长c D-N A的微阵列,分析了拟南芥在干旱、低温、高盐3种不同处理的基因表达概况,发现有22个基因对这3种胁迫都能响应.Y a n g等研究刺槐心材化合物形成的分子机制过程中,对刺槐树干的基因表达概况进行分析发现已获得的2915条E S T序列中有55.3%的序列与已知基因序列不匹配,他们用聚类分析所得到的2278个单基因系所构建的c D N A微阵列,对刺槐木材不同区域的基因表达情况进行分析时,发现各个区域基因表达不同,分别代表了各区域不同的生理代谢过程.2.5 反向遗传学技术(r e v e r s e g e n e t i c s)研究基因功能最直接的方法是在获得功能丧失性突变体之后研究该突变体的表型.但是在植物中利用同源重组方法(一种反向遗传学方法)进行定点突变相当困难,例如拟南芥是第一个完成基因组测序的开花植物,但其90%基因的功能仍未鉴定.从理论上我们可以讲通过与已知功能基因的同源性比较来获知新发现的基因序列的功能,但由于许多基因缺乏相应的同源物,使得这些基因的功能无法得到准确鉴定.实验表明,当转座子或根癌农杆菌T -D N A插入到基因组中后即会发生基因突变即人为创造功能基因缺失突变体,在获得插入突变体后结合突变体表型研究的方法,可直接确定基因的功能[6].转座子又称植物转位因子,是存在于染色体D N A上的一段可自我复制和移动的D N A序列,可25第1期 崔兴国 植物功能基因组学及其研究技术 从一个基因座位转移到另一个基因座位.转座子的转位插入作用,使被插入的目的基因发生突变失去活性,而转座子的删除又可使目的基因恢复活性.当转座子插入到某个功能基因内部或邻近位点时,就会诱发目标功能基因发生突变而被标识,并最终导致表型变化,形成突变植株.如果此段转座子D N A 插入序列是已知的,那么它便可用作D N A杂交的分子探针,从突变体植株的基因组D N A文库中筛选到突变的基因,这样插入的转座子D N A序列相当于在植物基因上贴了一张转座子标签,就可以使用T A I L -P C R等方法将该基因序列分离出来.其优点是转座子插入引起的突变会由于转座子的切离而回复,转座子在染色体上定位后很容易确定与其连锁的突变基因的相对位置,而且转座子导入目标植物可通过自交、杂交、回交等方法得到一个大的含不同插入位点的转座子群体,技术快捷准确简单,能够规范地找到与某一表型相关的基因.最近一种全新的反向遗传学研究方法—T I L L I N G技术的问世引起了广泛关注,该技术的技术路线是:植物种子先经化学诱变获得点突变后进行种子培养获得第一代突变个体,经自花授粉获得第二代突变个体,提取D N A进行突变体筛选,测序鉴定.其特点是定向诱导基因组局部突变,可快速有效地从经化学诱变剂诱变过的突变群体中鉴定出点突变,不需要耗时的转基因过程,因而具有成本低、效率高的优势,已用于多种植物中[7].综上所述,E S T、S A G E、S S H、D N A微阵列技术可有效地应用于植物功能基因组学研究,但它们都有各自固有的局限性,如在植物体内有些基因的表达量极少,用E S T、S A G E、D N A微阵列就可能无法检测到这些基因,另外植物的表型与基因不一定是一对一的,许多时候是通过一系列表达调控过程或代谢过程而表现出来的,因此反向遗传学的功能缺失突变体策略有可能无法确定单个基因的功能.这说明植物功能基因组学的研究单独运用某一种技术无法真正获知我们所感兴趣的基因的功能,需要将多种技术有机地结合在一起,取长补短,而且需要发明更精确的基因检测技术和基因功能鉴定技术支撑,并需要开展广泛的国际合作.相信通过世界各个研究室的共同努力,植物功能基因组中基因的功能将会全部得到阐明,到那时,采用生物技术对植物进行高效而安全的遗传改良将成为可能.参考文献:[1] 邢俊杰,梁铃,曹孟良,等.植物功能基因组研究进展[J].生命科学研究,2005,9(2):22-26.[2] 朱莉,常汝镇,邱丽娟,等.基因表达系列分析技术在植物基因表达分析中的应用[J].中国农业科学,2003,36(11):1233-1240.[3] 岳思君,郑蕊,陈宁,等.植物功能基因组学研究进展[J].生物技术通讯,2005,16(2):217-220.[4] 董霞,李文正,刘世贵,等.抑制消减杂交技术及其在植物基因表达研究中的应用[J].植物生理学通讯,2006,42(3):515-522.[5] 石海燕.植物抗病基因的克隆技术[J].生命的化学,2005,25(4):330-333.[6] 王景雪,孙毅,徐培林,等.植物功能基因组学研究进展[J].生物技术通报,2004,(1):18-22.[7] 高泽发,陈绪清,杨凤萍,等.植物功能基因组研究方法及进展[J].生物学杂志,2005,22(6):1-4.P l a n t F u n c t i o n a l G e n o m i c s a n dI t s R e s e a r c hT e c h n o l o g yC U I X i n g-g u o(D e p a r t m e n t o f L i f e S c i e n c e,H e n g s h u i U n i v e r s i t y,H e n g s h u i,H e b e i053000,C h i n a)A b s t r a c t:T h e r e s e a r c h o f p l a n t g e n o m eh a sb e e nt r a n s f e r r e df r o m t h es t r u c t u r a l g e n o m i c s f o c u s i n go nd e t e r m i n i n gt h ec o m p l e t es e-q u e n c e s o f t h e g e n o m e t o t h e f u n c t i o n a l g e n o m i c s f o c u s i n g o n e l u c i d a t i n g t h e b i o l o g i c a l f u n c t i o n o f g e n e s.T h a t p l a n t f u n c t i o n a l g e n o m-i c s s t u d y i s t o g i v ea na n s w e r t o h o wg e n e c o n t r o l s v a r i o u s b i o l o g i c a l p h e n o m e n a,o b t a i n i n g v a l u a b l e i n f o r m a t i o n f r o mt h e d a t a o f s t r u c-t u r e g e n o m i c s a n d e x p o u n d i n g t h e f u n c t i o n o f D N As e q u e n c e.I nr e c e n t y e a r s,m a i n m e t h o d s o f s t u d y i n g t h e p l a n t f u n c t i o n a l g e n o m i c s i n c l u d e e x p r e s s e d s e q u e n c e t a g,s e r i a l a n a l y s i s o f g e n e e x p r e s s i o n,D N Am i c r o a r r a y,r e v e r s e g e n e t i c s a n d s o o n.I t i s c u r r e n t l y b e i n g w i d e l y f o c u s e d o nt h e g e n e e x p r e s s i o nb y t r a n s c r i p t p r o f i l i n g a n dt a k e u s r a p i d l y f o r w a r d i no u r u n d e r s t a n d i n g o f p l a n t b i o l o g i c a l t r a i t s. K e yw o r d s:p l a n t;f u n c t i o n a l g e n o m i c s;r e s e a r c ht e c h n o l o g y〔责任编校:魏彦红 英文校对:安晓红〕26 衡水学院学报 第9卷。