LYH综述模式植物拟南芥的初步研究

本科毕业论文(设计)文献综述

题目模式植物拟南芥的初步研究

姓名刘云慧学号062101033

专业生物工程

指导教师陈春丽职称副教授

中国·武汉

二○一○年五月

模式植物拟南芥的初步研究

摘要：拟南芥（Arabidopsis thaliana）属于十字花科(Brassicaceae)。由于其具有其他植物无法替代的特点，拟南芥是一种著名的研究有花植物的遗传、细胞、发育、分子生物学研究的模式植物。另外，拟南芥基因组是第一个经过完全测序的高等植物基因组,这就奠定了拟南芥研究的必要性和重要性。在过去的20年中，拟南芥作为模式植物广泛用于植物生命科学研究。

关键词：拟南芥；模式植物；基因组；研究

拟南芥(Arabidopsis thaliana)属十字花科，与白菜、油菜、甘蓝等经济作物同属一科。拟南芥本身并无明显的经济价值，但拟南芥的全基因组测序工作于2000年完成，是个其成为植物界第一个被完整测序的物种[1]，使得它越来越多地被作为一种模式生物加以研究。

拟南芥的研究历史

在自然界中，拟南芥主要分布于温带，一般生长在野外干燥的土壤中。历史上对拟南芥科学研究的记载最早可追溯至16世纪，由德国学者Thal在德国北部的哈茨山区中首次发现并记录了这个物种。19世纪分类学家Heynhold将其命名为Arabidopsis thaliana。现在人们在世界各地共收集到750多个拟南芥生态型，这些生态型在形态发育、生理反应方面存在很大差异。在拟南芥的众多生态型中最常用的三种是Landsberg erecta(Ler)、Columbia(Col)、Wassilewskija(Ws)。在1873年，Braun报道了他在柏林郊外发现的一种拟南芥突变体，这可能是拟南芥研究历史中所发表的最早一项在分类学之外的研究工作。Laibach在1907年首次报道的对拟南芥染色体的研究并最终确定了拟南芥具有5条染色体。Laibach于1943年详细阐述了拟南芥作为模式生物的优点，并在他之后的工作中大力推动了对拟南芥的研究。1986年，Meyerowitz实验室首次报道了对拟南芥中一个基因的克隆。同年，Horsch实验室报道了根癌农杆菌介导的T-DNA对拟南芥进行的遗传转化[2]。在之后的几年中，相继报道了T-DNA插入突变基因的克隆、基于基因组图谱的基因克隆。这些突破使人们逐渐认识到拟南芥作为实验材料对植物生命进行探索的价值。

1.拟南芥的特点

拟南芥作为一种模式植物,具有其它植物无法替代的优点:(1)生长周期短,

整个生长周期,从发芽、莲座叶的长成,到主花序的形成、第一粒种子的成熟可在6周内完成;(2)基因组小,125Mbp(水稻基因组430Mb,玉米基因组4500Mb),约25900个基因;(3)基因组仅有5条染色体,113亿个碱基对,其染色体数量是玉米的1/20;(4)具有双子叶植物的所有特性,整个生命周期同样经过细胞的分裂、生长发育、分化、衰老、死亡等一系列生物学现象;(5)有效的农杆菌介导转化途径,易获得大量的突变体和基因组资源;(6)在有限的空间内可大量种植，体形小,占地少，成熟植株一般15cm～20cm高,莲座叶长度不超过5cm；(7)收获大量的种子每株拟南芥可产生多达5000粒种子；(8)生活力强，用普通培养基就可作人工培养[3]。由于有上述这些优点，所以拟南芥是进行遗传学研究的好材料。

2.拟南芥研究的主要方法

在拟南芥研究中，使用最多的研究方法是遗传学研究的策略，包括正向遗传学和反向遗传学[4]。正向遗传学遵循的原则是从突变体表型分析基因功能认识的思维模式，最先关注的是突变体。譬如，如果要研究与植物抗盐机理有关的基因调控过程，可以先用化学、物理或者生物的方法将野生型拟南芥诱变，然后在盐胁迫的条件下进行突变体的筛选。如果在诱变群体后代中出现了对盐胁迫条件反应不同于野生型的个体，如比野生型更加抗盐或者不抗盐的表型，这种个体就是突变体。这种植物对盐胁迫的不同反应可能就是因为突变体中某一个基因变化所造成，而这个基因必定与植物的抗盐机制有关。在得到了这样的一个突变体之后，可以对其的突变基因进行定位和克隆的等处理。可以更深入地了解这个基因的功能，并分析它是以何种形式影响了植物的抗盐途径以及与抗盐途径中其他相关基因的关系。

对正向遗传学来说，突变表型是所有研究工作的源头。如果一个基因突变之后没有显著的表型改变，那它的突变体也就很难在筛选过程中被发现。因此，正向遗传学不适用于研究这类基因。事实上，拟南芥中有许多基因都存在功能上的多余性，即某些基因在功能上可以部分互相替代，其中一个基因的突变往往不会产生十分明显的表型变化。这些基因在蛋白质序列上也往往会存在着很高的同源性，通常把它们称为一个基因家族[5]。

反向遗传学是指在已知某个特定基因序列的前提下去探索这个基因的功能。例如，可以利用已知的基因序列构建该基因的反义RNA或者双链RNA结构，用这样的构建去转化野生型植物。这种构建在植物中有可能干扰其内源基因的表达，甚至干扰该基因所在的家族基因的表达。根据一些基因受到干扰后出现的表型，可以推测这个基因或者与其同源的基因的功能。此外，反向遗传学研究还可以用在不同时空表达的启动子来驱动已知序列基因的表达，研究该基因过量表达或者时空异位表达时的植物表型，推测该研究基因的功能[6]。

3.拟南芥基因组分析

对拟南芥基因组全序列的分析表明,拟南芥的进化过程中包含了一个全基因组的复制,随后又发生了某些基因的缺失及重复复制,而且叶绿体和线粒体中的一部分基因转移至核基因组中也丰富了核基因组的内容。与线虫及果蝇相比,拟南芥基因组编码的11000个蛋白质家庭中虽然包含了许多新的家族,但也缺少了几种常见的蛋白质家族[7]。这一结果表明在这3种多细胞真核生物中,一系列的普遍蛋白经历了不同的扩增及收缩过程。例如,根据序列分析,拟南芥中13%的基因与转录及信号转导有关,其中只有8%～23%的蛋白质可在其它真核生物基因组中找到相关基因,这反映了许多植物转录因子的独特进化过程[6]。

通过与已知功能的基因序列进行比较,可大致确定拟南芥中多数的基因功能。但在事实上,了解某一类基因的普遍功能并不等于洞察了这一基因在特定有机体中所扮演的特殊角色。例如知道一个基因编码激酶或转录因子对了解这一基因如何控制生命过程没有任何帮助。而对拟南芥基因组研究的最终目的是为了认识所有基因并了解它们的功能,因此,随着拟南芥基因组序列的完成,第二阶段的工作就是改进并发展基于序列的更为有效的基因功能的研究方法[8]。