拟南芥的图位克隆技术
拟南芥 MeIAA 抗性突变体的筛选和初步图位克隆分析
南芥幼苗下胚轴长约为 MS 培养基上的 10% 。在大于
2.5 µmol.L－1 的浓度下, MeIA A 对下胚轴的抑制程度随
浓度变化很小(图 1A )。综合上述两种现象, 我们选取
2 结果与分析
2.1 Me IAA抗性突变体筛选条件的确定
在进行大规模突变体筛选之前, 我们首先比较了 IA A 和
MeIA A 对黑暗下生长的拟南芥幼苗的下胚轴抑制程度。
在 0. 1－25 µmol.L－1 浓度范围内, 随着激素浓度的升高,
IA A 和MeIA A 对下胚轴的抑制程度都增强, 但是MeIAA
quljpkueducn拟南芥meiaa抗性突变体的筛选和初步图位克隆分析北京大学生命科学学院北京大学耶鲁大学植物分子遗传和农业生物技术联合研究中心蛋白质工程和植物基因工程国家重点实验北京100101摘要生长素是最重要的植物激素之一参与了植物生长发育的各个方面
植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2009, 44 (1): 52−58, w w w
1.4 突变体温度转移实验 将种子表面消毒后, 铺在 MS 培养基上, 4°C 春化 2 天, 然后转到 22°C, 水平萌发 3 天。转移大约 20 棵小苗到 新的 MS 平板上, 共转移 2 块。将其中一块仍然放在 22°C 条件下, 另一块转至 29°C, 垂直培养 3 天。比较 2 个生长条件下的植株下胚轴长度, 并统计。
室温保存。
1.3 M eIAA抗性突变体的筛选
将表面消毒后的种子点播在含有 2.5 µmol.L－1 MeIA A
拟南芥(Arabidopsis thaliana)DWF4基因克隆、生物学信息分析及过表达载体构建
^8S^•研究报告・拟南芥(Arabidopsis thaliana)DWF4基因克隆、生物学信息分析及过表达载体构建韦春，杨莉琴，秦利军(贵州大学农业生物工程研究院/山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室/生命科学学院,贵阳550025)摘要BRs(Brassinostcroids)是植物体内一种重要的类固醇激素，具有十分重要的生理功能。
DWF4是BRs生物合成的关键限速酶，显著影响BRs在植物体中的含量。
本研究以拟南芥(Araiidopsis thaliana)为材料，利用同源克隆技术从A.thaliana cDNA中克隆到全长为1542bp的特异性条带，测序结果表明该条带为ADWF4基因；生物学信息分析显示该基因可编码513个氨基酸(amino acid,aa),Proscalc在线预测该蛋白为亲水性蛋白，且SOPM分析表明DWF4蛋白含有c-螺旋(alpha-helix)、/?-折叠(beta-fold)、/?-转角(beta-angle)等多个二级结构。
同时，研究还构建了含AtDWF4基因的超量表达载体pRI201-RdI)wf4,并遗传转化烟草K326,已获得抗性愈伤组织及抗性芽。
本研究为进一步探究过表达ADWF4基因对烟草形态及抗逆胁迫能力的影响提供理想的实验材料。
关键词：拟南芥；BRs；DWF4基因；过表达载体构建DOI：10.16590,/ki.1001-4705.2021.01.001中图分类号：Q943.2文献标志码：A文章编号：1001-4705(2021)01-0001-06Cloning and Bioinformatics Analysis of Arabidopsis thaliana DWF4Gene and Construction of ADWF4-Overexpression VectorWEI Chun,YANG Liqin,QIN Lijun(Institute of Agro-Bioengineering,Key laboratory of Plant.Resources Conservation andGermplasm Innovation in Mountainous Region(Ministry of Education)and College ofLife Sciences,Guizhou University,Guiyang550025,China)Abstract：BRs(Brassinosteroids)is an important steroid hormone in plants,which has very importantphysiological functions.The DWF4is a key rate-limiting enzymein BRs biosynthesis,which significantly affects the content of BRs in plants.In this study,Arabidopsis thaliana was used as the material to clone the objective band.The results showed that a1542bp band from A.thaliana cDNA wascloned and the sequencing results showed that the band was AtDWF4gene.Bioinformatics analysisshowed that this gene encoded513amino acid(aa),and Proscale online predicted that this proteinwas a hydrophilic protein,and SOPM analysis showed that DWF4protein contained multiple secondary structures,including tough-helix,format-fold,and format-angle,etc.Meanwhile,the overexpression vector pRI201-RdDwf4containing AtDWF4gene was also constructed,and the resistant callus and resistant buds were obtained after the genetic transformation of tobacco variety K326.ThispaperprovidesanidealexperimentalmaterialforfurtherstudyingtheinfluenceofoverexpressionofAtDWF4on tobacco morphology and stress tolerance.Key words:Arabidopsis thaliana;BRs;DWF4gene;overexpression vector construction收稿日期2020-08-26基金项目贵州省科技计划项目“因草钾离子通道蛋白及BR对植株抗非生物胁迫研究”(黔科合LH：2016]7449号)；贵大人才培育项目“由菜素内酯介导的烟草抗TMV机理研究”(黔科合平台人才：2018]5781号)作者简介：韦春(1995—),女(壮族)广西河池人；在读硕士，主要从事植物基因工程相关研究(E-mail：*****************).通讯作者：秦利军(1982—)男(汉族)贵州遵义人；博士，副教授，硕士生导师，研究方向：植物生物技术与植物基因工程(E-nail：leequine_chin@126.com)。
拟南芥基因的克隆与功能分析研究
拟南芥基因的克隆与功能分析研究随着生命科学的不断发展和深入，基因在生物学中扮演着非常重要的角色。
基因的研究可以揭示生命的本质和演化历程，也有助于阐明疾病的发生机理、揭示人类的不同特性及其遗传规律。
而在基因研究中，拟南芥（Arabidopsis thaliana）是非常重要的模式植物，因为其基因组已经被完全解析，是目前为止研究最广泛的环境适应植物之一。
拟南芥基因的克隆是研究拟南芥基因功能的基础，也是了解拟南芥基因调控及表达的方式的重要方法。
克隆基因一般包含三步：筛选源，提取基因，插入载体。
其中，筛选源是根据已有的序列信息，设计特异性引物，将所需的基因片段扩增出来。
提取基因则需要一些特殊的技术和设备，高纯度的DNA是成功克隆的前提条件。
插入载体则是将扩增出来的目标基因插到载体上，形成所需的重组DNA，进一步研究基因功能。
在拟南芥基因的克隆中，应注意设计合理的启动子、选择正确的载体和检验克隆的准确性等问题。
在拟南芥基因的功能研究中，基因敲除或突变分析是常见的方法之一。
基因敲除即是通过RNA干扰技术或CRISPR/Cas9基因编辑技术将目标基因转录水平降低或消除，进而探究该基因在生命活动中的作用。
突变分析则是通过人工诱导或大规模筛选，寻找具有特定表型的突变体，以此推测该基因在复杂环境中的生物学功能。
这些方法的特点是操作简单、可重复性强，且能够直接揭示基因的生物学重要性。
另外，表达谱分析也是研究拟南芥基因功能的重要方法。
通过高通量测序技术和差异表达分析，可以分析不同组织、不同时期、不同生物地位下基因的表达情况及其调控机制，从而了解基因在整个生长发育过程中的调控关系。
表达谱分析还可以揭示各种生物学过程中参与的基因网络，从而为基因互作网络的构建、复杂环境下基因调控及基因功能的深入研究提供重要依据。
最近几年的研究表明，拟南芥基因在植物进化、环境适应以及生命体系发育等方面起着非常重要的作用。
例如，SLR1基因在拟南芥花器官的形态发育中扮演着重要角色。
文档图位克隆原理及应用
位克隆技术的原理及其在分离玉米基因中的应用刘朝显2010.11.3 2 内容摘要图位克隆技术的基本原理1 图位克隆的技术环节 2 图位克隆在分离玉米基因中的应用 3 一. 图位克隆技术的基本原理 1. 图位克隆（Map-based cloning）: 定位克隆（position cloning）,1986 年首先由剑桥大学的Alan coulson 提出。
正常遗传学 2. 基本原理：根据功能基因在基因组中都有相对较稳定的基因座，在利用分子标记技术对目的基因精细定位的基础上，用与目的基因紧密连锁的分子标记筛选DNA文库，通过染色体步移(chromosome walking)逼近目的基因或通过染色体登陆(chromosome landing)方法最后找到包含有该目的基因的克隆，最后经遗传转化试验证实目的基因功能。
3 3. 图位克隆技术的优越性与局限性优点：不需要事先了解目的基因的表达产物，这为克隆许多有重要经济价值的农作物基因提供了有效的手段，因为这些基因的产物大多都是未知的。
缺点：基因组中的重复序列导致染色体步移困难，甚至将步移引入歧途。
4 一. 图位克隆技术的基本原理 4. 图位克隆示意图 5 一. 图位克隆技术的基本原理M1 M2 Gene 连锁标记的筛选M1 M2 Gene 初定位M3 M2 Gene 精细定位M3 M4 M5 M6 M7 M8 合成探针筛选基因组文库转基因功能验证BSA，NIL 300左右5000左右二. 图位克隆的技术环节 6 1.定位群体的构建⑴亲本选择原则:选择高度纯合，遗传差异大，DNA多态性丰富的亲本（实现基因精细定位的重要前提）可选用多个亲本进行多态性筛选⑵定位群体的组配：基因的定位是基于分离后代中交换单株出现的频率大小而实现的，因此组配一个遗传信息多群体大小适中的分离群体尤其重要。
BC1,F2 非永久性群体群体类型RIL,DH，NIL 永久性群体 2. 初定位(玉米：100-350株) 近等基因系（near-isogenic line,NIL ）法: 近等基因系是指几乎仅在目标性状上存在差异的两种基因型个体, 这可通过连续回交的途径获得。
拟南芥基因的克隆和在油菜花中的表达
m iR395d前体基因的 前体基因的PCR扩增结果 前体基因的 扩增结果
3. PCR产物的回收与测序 产物的回收与测序
PCR 产 物经 琼 脂糖凝 胶电泳回收试剂盒回 收 后 与 克 隆 载 体 pMD19 TVector连接, 转化DH5α感受态细胞, 在含有Isop ropyl2β2D 2thiogalactoside( IPT G) 、 X2gal 和 Amp 的 LB平板上挑选单克隆, 单克隆经鉴定后送金 思特生物公司测序。
1. 拟南芥 拟南芥DNA的提取 的提取
法从幼嫩的拟南芥叶片中提取DNA。 用CTAB法从幼嫩的拟南芥叶片中提取 法从幼嫩的拟南芥叶片中提取 。
拟南芥m 拟南芥 iR395d前体茎环发夹图 前体茎环发夹图
2.拟南芥 iR395d前体基因的克隆 拟南芥m 拟南芥 前体基因的克隆
参照拟南芥miR395d前体基因序列设计引物, 为了便于 miR395d过表达载体的构建, 在上游引物的5′端加入了B glⅡ酶切位点, 下游引物5′端加入了SpeⅠ酶切位点, 以拟 南芥DNA为模板, PCR扩增466 bp左右的miR395d前体 基因。引物序列如下: 上游引物S1: 上游引物S1: 5’AGATCTATGTCACCCATCCTATCTTCCTCA23′ 下游引物S2: 下游引物 5′ACTAGTCAACCTCGATCCTCTTA2ACCTGTA23′ PCR反应体系 10 ×缓冲液(含Mg2 + ) 5µL, 10 mmol·L - 1 反应体系: 反应体系 dNTP 2µL, 10µmol·L - 1引物各2 µL, cDNA 第1 链模板2 µL, Taq酶( 5 U ·µL - 1 ) 1 µL, ddH2O 38 µL。扩增条件如 下:94 ℃ 4 min; 94 ℃ 30 s, 58 ℃ 30 s, 72 ℃ 30 s, 30个 循环; 72 ℃ 7 min。
拟南芥基因克隆及原核表达
拟南芥基因克隆及原核表达
要进行拟南芥 AtTCP4 基因的克隆和原核表达，可以按照以下步骤进行：
1. 获得目标基因序列：首先，需要获取拟南芥AtTCP4 基因的序列。
可以通过NCBI数据库或其他相关数据库搜索到目标基因的序列信息。
2. 购买引物：根据目标基因的序列设计引物，包括扩增该基因的起始引物和终止引物。
引物的设计应考虑适当的启动子和终止子，以便后续进行克隆和表达。
3. PCR扩增：使用目标基因的cDNA作为模板，使用合适的引物进行PCR扩增。
根据PCR反应条件，设置适当的温度和时间来实现特异性扩增。
扩增产物可以经过琼脂糖凝胶电泳检测，确认特定大小的DNA片段。
4. 克隆：将PCR扩增产物纯化，并将其连接到适当的质粒载体中。
质粒载体应包含合适的启动子、标签和抗生素抗性基因等元素。
使用大肠杆菌等宿主细胞进行转化，并培养在含有适当抗生素的培养基上，筛选出含有目标基因的克隆。
5. DNA测序：对选定的克隆进行DNA测序确认，以确保插入的基因片段没有错义突变或其他错误。
6. 准备原核表达系统：准备用于原核表达的适当宿主细胞（如大肠杆菌）并转化克隆。
选择合适的表达载体，并确保其包含适当的诱导子和选择标记。
7. 表达与纯化：培养转化后含有重组质粒的菌落，并在适当的条件下诱导表达目标基因。
收集细菌并通过细菌破碎、离心和层析等技术进行纯化。
以上步骤提供了一般的克隆和原核表达流程。
具体操作可能会因实验室和应用的不同而有所差异。
在进行实验之前，建议查阅相关的研究论文和方法手册，以获取更详细和具体的操作步骤和技术指导。
拟南芥基因的克隆和在油菜花中的表达
MicroRNAs (miRNAs) 是一类内生、非编码蛋白长 度约为21～24个核苷酸的单链小分子RNA,在生物 体内起着基因转录后的调控作用。对miRNA 作用 机制研究显示, 成熟的miRNA 先与一种叫R ISC (RNA2induced silencing comp lex) 的复合物结合, 接着再特异性地与靶mRNA结合, 即与碱基互补的 同源mRNA 配对结合, 引起靶mRNA的降解; 而当 miRNA与靶mRNA不完全互补时, miRNA则通过与 对应的靶mRNA 的3′端非翻译区( 3′UTR) 结合阻止 其转录后的翻译。由于植物中的miRNA与其靶 mRNA具有高度的碱基互补性, 因而植物miRNA可 能更像siRNA的作用方式对靶基因进行降解 。相反, 在动物细胞中, 大多数miRNA与其靶mRNA并不完 全精确互补, miRNA则通过与对应的靶mRNA的3′ 端非翻译区( 3′UTR) 结合阻止转录后的翻译, 从而 起到负调节其靶基因的表达作用。
表达载体pCAMBIA1304的T2DNA区结构 的 表达载体 区结构
重组质粒的酶切鉴定
农杆菌EHA105菌液 菌液PCR 农杆菌 菌液
5.根癌农杆菌介导法转化油菜 根癌农杆菌介导法转化油菜
无菌苗培养: 选取籽粒饱满的油菜种子用70%乙醇 无菌苗培养 选取籽粒饱满的油菜种子用 乙醇 表面消毒30 再用 再用1 消毒5 表面消毒 s,再用 g·L - 1 HgCl2 消毒 min, 无 菌水冲洗5次 接种于种子萌发培养基(MS) 上, 置 菌水冲洗 次, 接种于种子萌发培养基 25 ℃光照培养箱中 每天光照 h。预培养 待无 光照培养箱中, 每天光照12 。预培养: 菌苗长至第7天 菌苗长至第 天, 分别切取子叶和下胚轴为转化的 外植体, 置于预培养基(MS +2 mg·L - 1 6 BA + 011 外植体 置于预培养基 黑暗预培养3 。 mg·L - 1 2, 4 D, pH 612) 中, 黑暗预培养 d。
拟南芥基因克隆的策略与途径
基因功能验证试验
基因沉默
利用RNA干扰技术或CRISPR-Cas9技术对目标基因进行沉默 ，观察表型变化，以确定基因的功能。
互补试验
将缺失突变体与野生型植株进行杂交，以观察互补效应，验 证目标基因的功能。
基因功能进化分析
序列比对
比较不同物种间目标基因的同源序列，分析序列的保守性和变异度，推测其 进化和功能演化。
需要进一步完善基因克隆的策略和途径，提高克 隆效率和准确性
需要加强国际合作与交流，共同推进基因克隆领 域的发展
THANK YOU.
系统发育分析
根据物种间目标基因的遗传距离和系统发育关系，推断目标基因的起源和演 化历程。
05
结论与展望
研究结论
拟南芥基因克隆的策略与途径研究取得了重 要的阶段性成果
成功克隆了多个重要农艺性状基因，为抗逆、抗 病、抗虫等育种提供了基础
深入探讨了基因克隆的策略和途径，为后续 研究提供了重要的理论和实践依据
通用引物
利用已知基因的部分序列设计通用引物，通过PCR扩增得到 目的基因。
特异引物
根据已知目的基因的部分序列，设计特异引物进行PCR扩增 得到目的基因。
RACE技术拓展基因克隆途径
克隆延伸法
利用已知的基因序列信息，设计多段特异性引物，通过多次克隆延伸法（ RACE）得到全长目的基因。
RACE-PCR法
2023
拟南芥基因克隆的策略与 途径
目录
• 引言 • 拟南芥基因克隆策略 • 拟南芥基因克隆途径 • 克隆基因的表达及功能分析 • 结论与展望
01
引言
拟南芥基因研究概述
拟南芥生物学研究的重要性 拟南芥基因组的组成和特征
基因克隆的意义与价值
拟南芥基因克隆的策略与途径
RACE
利用已知的转录本序列设计引物，通过PCR扩 增得到完整的转录本序列。
表达序。
基于表型的基因克隆策略
定位克隆
通过将表型与基因组连锁分析，定位到目标基因所在的染色体区间，再通过精细定位确定目标基因。
候选基因法
根据已知的生物学功能或代谢途径，筛选可能导致特定表型的候选基因，并进行克隆和验证。
03
拟南芥基因克隆的途径
克隆载体的选择与构建
质粒载体
质粒是一种可以独立复制的DNA分子，常用于克隆和表达基因。根据拟南芥基因的特点，选择适合的质粒载 体进行构建。
病毒载体
病毒载体是一种高效的基因转移和表达系统，可用于拟南芥基因克隆。构建适合拟南芥的病毒载体，确保目的 基因在拟南芥中稳定表达。
基因片段的获取与鉴定
鉴定新的功能基因
通过研究新的功能基因，可以更深入地了解拟南芥的生长发育机制和适应环境的能力，为作物改良和农业生产提供新的思路 和方法。
研究基因的协同作用
拟南芥的生长发育受到许多基因的协同作用。研究这些基因之间的相互作用和调控机制，有助于更全面地了解拟南芥的生 长发育过程。
探索基因编辑技术在农业中的应用
反向PCR
通过已知序列设计引物，从基因组DNA中扩增目标 基因。
正向PCR
通过已知基因的部分序列设计引物，从基因组DNA 中扩增完整基因。
链接PCR
通过已知基因的两端序列设计引物，从基因组DNA 中扩增完整基因。
基于转录组的基因克隆策略
差异显示PCR
比较不同组织或发育阶段的转录本，找出差异 表达的基因。
拟南芥基因克隆的意义与应用
拟南芥基因克隆对于研究植物生长 发育、响应环境变化、抗病抗虫等 方面具有重要意义，有助于揭示植 物适应环境的机制和开发新的农业 育种技术。
mapping
存在的问题 : 图位克隆也有其自身的局限性，在某些情况下，就很难或者不 能通过图位克隆技术来定位基因 1.一个给定的性状是由不止一个的基因位点控制的 2.表观（上位）遗传突变:一个基因在表达和功能上的可遗传改 变，而不涉及DNA序列的改变，这是图位克隆工程中又一个可 能的复杂情况 3.染色体上位点的物理和遗传距离的比值变化是比较小的，对 作图的分辨率也只有较小的影响,1%重组的遗传距离相当于100-400 Kb的物理距离，平均是250 Kb。然而着丝粒区域是一个显 著的例外，在这里1%重组的遗传距离相当于1000--2500 Kb。
图位克隆（map-based cloning）又称定位克隆 （positional cloning），1986年首先由剑桥大学的 Alan Coulson提出，用该方法分离基因是根据目的 基因在染色体上的位置进行的，无需预先知道基因 的DNA序列，也无需预先知道其表达产物的有关 信息。它是通过分析突变位点与已知分子标记的连 锁关系来确定突变表型的遗传基础。 图位克隆能实现，关键在于全基因组(Col-0生态型) 测序计划的完成和各种分子标记的发现。这些数据 被储存在专门的数据库中（表1）。
因为有了拟南芥的基因组序列和高密度的遗传标 记，图位克隆过程就变得相对直接。从基于Col-0 和Ler遗传背景的突变体出发，我们有可能在大约 一年时间内找出与这个突变相关的基因， 作为作图过程的第一步，突变体植株将和另外一 个生态型（Col-0或者Ler）的植株杂交。然后播种 F1代种子。在F1代植物的生长过程中，我们就有 可能来对其表现型和基因型进行分析。F1代植物 的表型的出现或者消失将显示着我们所研究的突 变是显性的还是隐性的。
Landsberg 野生型
F1
a A
×
图位克隆技术在农作物基因分离中的应用与评价
关键词: 图位克隆 ; 基因分离 ; 大基因组
The application and evaluation of map-based gene isolation in crops
HE Jun-Ping1, 2, RUAN Song-Lin2, ZHU Shui-Jin1, MA Hua-Sheng2
1
1.1
图位克隆技术概述
图位克隆技术的原理与基本技术环节 作为基因分离的有效方法 , 图位克隆遵循的基
本原理是 : 功能基因在基因组中都有相对稳定的基 因座 , 在利用分子标记精细定位目标基因的基础上 ,
表1 部分已图位克隆的基因 /QTL 信息摘要
名称 稻瘟病抗性基因 白粉病抗性基因 白粉病抗性基因 春化基因 叶锈病抗性基因 叶锈病抗性基因 白粉病抗性基因 驯化基因 春化基因 成熟期位点基因 驯化基因 生长期转换基因 谷物蛋白成分基因 抗病 抗病 抗病 促进春化 抗病 抗病 抗病 促进脱粒 促进春化 调控开花 促进籽粒形成与进化 促进生长期转换 提高营养成分含量 功能
基因 /QTL Pi36 mlo Mla1 VRN1 Lr21 Lr10 Pm3b Q VRN2 E3 tga1 Vgt1 Gpc-B1
来源 水稻 大麦 大麦 小麦 小麦 小麦 小麦 小麦 小麦 大豆 玉米 玉米 小麦
倍性 2 2 2 2 6 6 6 6 6 2 2 2 4
基因组 大小 (bp) 0.45×109 5.5×10
HEREDITAS (Beijing) 2010 年 9 月 , 32(9): 903― 913 ISSN 0253-9772
综述
DOI: 10.3724/SP.J.1005.2010.00903
图位克隆技术在农作物基因分离中的应用与评价
拟南芥基因克隆的策略与途径
资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载拟南芥基因克隆的策略与途径地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容拟南芥基因克隆的策略与途径拟南芥（Arabidopsis thaliana）是一种模式植物，具有基因组小（125 Mbp）、生长周期短等特点，而且基因组测序已经完成（The Arabidopsis Genomic Initiative, 2000）。
同时，拟南芥属十字花科（Cruciferae），具有高等植物的一般特点，拟南芥研究中所取得成果很容易用于其它高等植物包括农作物的研究，产生重大的经济效益，特别是十字花科中还有许多重要的经济作物，与人类的生产生活密切相关，因此目前拟南芥的研究越来越多地受到国际植物学及各国政府的重视。
基因(gene)是遗传物质的最基本单位,也是所有生命活动的基础。
不论要揭示某个基因的功能,还是要改变某个基因的功能,都必须首先将所要研究的基因克隆出来。
特定基因的克隆是整个基因工程或分子生物学的起点。
本文就基因克隆的几种常用方法介绍如下。
1、图位克隆Map-based cloning, also known as positional cloning, first proposed by Alan Coulson of the University of Cambridge in 1986, Gene isolated by this method is based on functional genes in the genome has a relatively stable loci, in the use of genetic linkage analysis or chromosomal abnormalities of separate groups will queue into the chromosome of a specific location, By constructing high-density molecular linkage map, to find molecular markers tightly linked with the aimed gene, continued to narrow the candidate region and then clone the gene and to clarify its function and biochemical mechanisms.图位克隆（map-based clonig）又称定位克隆（positoinal cloning），1986年首先由剑桥大学的Alan Coulson提出。
拟南芥
拟南芥（Arabidopsis thaliana），是一种广泛分布于亚洲、欧洲以及北非地区的小型开花植物。
从分类地位上讲，它属于十字花科(Brassicaceae) 鼠耳芥属(Arabidopsis)。
作为近年来最为广泛应用的模式植物，拟南芥在分子遗传学、植物学以及农业科学的研究中发挥了重要的作用，被称为植物中的果蝇，是目前公认的五大模式生物之一。
拟南芥基因组测序已于2000年由国际合作完成，也是第一种完成全基因组测序和分析的植物。
拟南芥是二年生草本植物，高7～40厘米。
基生叶有柄呈莲座状，叶片倒卵形或匙形；茎生叶较小，无柄，披针形或线形。
叶片表面覆盖有单细胞表皮毛。
总状花序顶生，花朵直径约3mm，花瓣4片，白色，匙形。
长角果线形，长0.5～2厘米，每个含20～30粒种子。
根分为主根和侧根，可容土壤细菌共生。
春型拟南芥萌发后3周左右就可开花，能在6周内完成一个世代。
严格自花传粉（图1）。
拟南芥生活史与一般的开花植物无异：减速分裂形成的大小孢子分别形成雌雄配子体，即胚囊和花粉。
胚囊经过双受精的过程，受精卵与受精极核分别发育成胚和胚乳。
2拟南芥研究的主要策略在拟南芥研究中，使用最多的是遗传学研究策略，包括正向遗传学和反向遗传学。
正向遗传学遵循的是从突变体表型分析到基因功能认识的思维方式，它首先关注的是具有某种缺陷的突变体。
譬如，如果要研究与植物抗旱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，然后在干旱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干旱条件反应不同于野生型的个体(例如比野生型更加抗旱或者不抗旱的植物)，这种个体就是突变体。
这种植物对干旱的不同反应可能就是因为突变体中某一个基因遭破坏后所造成，而这个基因必定与植物的抗旱机制有关。
在得到了这样的一个突变体之后，可以对其中的突变基因进行定位和克隆。
在获得了基因序列后，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旱途径以及与抗旱途径中其他相关基因的关系。
拟南芥_植物界的_果蝇_
拟南芥——植物界的“果蝇”毛健民 李俐俐(周口师范高等专科学校生物系河南周口466000) 自20世纪80年代中期开始,没有任何经济价值的植物拟南芥(A rabid op sis thaliana),被广泛用于植物遗传学、发育生物学和分子生物学的研究。
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,拟南芥已成为1种典型的“模式”植物,被誉为植物界的“果蝇”。
拟南芥之所以受到如此重视是由其自身特点所决定的。
现就拟南芥的生物学特性、在植物科学研究中的应用及其基因组计划的进展情况作一简介。
1 拟南芥的生物学特性拟南芥属十字花科拟南芥属的1个种。
其植株小、成熟个体高约30c m左右,形态特征简单。
拟南芥的生长期很短,从播种到收获种子一般只需6周左右,而且产生的种子数量多,每株每代可产生数千粒种子。
拟南芥的这一生物学特性,使我们在以它作为实验材料进行遗传分析时,可以大大缩短时间。
相比之下,小麦、玉米等植物的生长期一般需几个月,使得遗传实验分析花费的时间较长。
拟南芥还是1种典型的自交繁殖植物,因此,人工诱变后可以在子二代中直接筛选变异株的纯合子。
同时,根据遗传分析需要,人工杂交也很容易完成。
在目前已知基因组大小的高等植物中,拟南芥的核基因组最小,其单倍体基因组只有80000kb左右。
由于基因组小,使得其基因库的构建、筛选等过程变得简单、快速,同时,还可节省大量人力、物力。
例如,对于含约20kb外源DNA片段的Κ2克隆基因库,只需16000个克隆就可以有99%的机率分离任何1个核基因。
相比之下,烟草需要370000个,小麦需要1000000个。
2 拟南芥在植物遗传学研究中的应用拟南芥单倍体有5条染色单体,组成了拟南芥的5个连锁群。
目前已有100多个单基因变异用遗传方法定位在这5个连锁群上。
由于这些变异位点的基因参与了很重要的植物生理生化及发育过程,因此,克隆这些基因,并研究这些基因的功能、这些变异的分子基础或遗传本质和它们控制植物发育的机理,对于阐明植物的生长发育和发育过程具有重大意义,如对拟南芥花器官特异性基因的研究。
拟南芥图位克隆
拟南芥（Arabidopsis thaliana）是一种模式植物，具有基因组小（125 Mbp）、生长周期短等特点，而且基因组测序已经完成（The Arabidopsis Genomic Initiative，2000）。
同时，拟南芥属十字花科（Cruciferae），具有高等植物的一般特点，拟南芥研究中所获得结果很容易用于其它高级植物包括农作物的研究，产生重大的经济效益，特殊是十字花科中还有许多主要的经济作物，与人类的出产生涯亲密相关，因此目前拟南芥的研究越来越多地受到国际植物学及各国政府的器重。
从遗传学的观点来看，基因克隆的途径可概括为正向遗传学和反向遗传学两种。
正向遗传学道路指的是通过被克隆基因的产物或表示型突变去进行；反向遗传学门路则指的是根据被克隆基因在染色体上的位置来实现。
固然一些模式生物（如拟南芥）的基因组测序已经完成，但还有40%的基因（在拟南芥中）的功能仍是未知的。
一、图位克隆概述图位克隆（map-based cloning）又称定位克隆（positional cloning），1986年首先由剑桥大学的Alan Coulson提出（Coulson等，1986），用该方法分离基因是依据目的基因在染色体上的地位进行的，无需预先知道基因的DNA序列，也无需预先晓得其抒发产物的有关信息。
它是通过火析突变位点与已知分子标记的连锁关系来确定突变表型的遗传基本。
近几年来跟着拟南芥基因组测序工作的实现，各种分子标记的日趋丰盛和各种数据库的完美，在拟南芥中克隆一个基因所需要的尽力已经大大减少了。
目前完成整个拟南芥的图位克隆过程大约需要一年时间。
在这个过程中，我们从筛选突变体开端，逐步找到和表型相关的基因。
这和反向遗传学的方法正好相反。
图位克隆能实现，关键在于全基因组测序打算的完成和各种分子标记的发现。
这些数据被贮存在专门的数据库中（表1）（Lukowitz等，2000）。
在拟南芥中的图位克隆，在很大程度上得益于对Col-0生态型测序的完成，因为它是在研究拟南芥时最常用的生态型。
拟南芥abi5基因的分子克隆及其在原核细胞中的表达和纯化
拟南芥abi5基因的分子克隆及其在原核细胞中的表达和纯化马燕林, 马建忠*, 王永刚兰州理工大学生命科学与工程学院, 兰州730050摘要: 拟南芥abi5基因编码了一个碱性亮氨酸拉链类转录因子, 它在ABA信号转导过程中发挥着关键调控作用。
本文以拟南芥为材料, 通过RT-PCR扩增、克隆了包含abi5基因编码区的片段。
核苷酸序列分析表明, 所克隆的基因与NCBI 数据库收录的abi5基因(GenBank登录号NM_129185.3)有99.0%的一致性; 氨基酸序列存在4个残基差异。
所克隆的abi5基因被进一步亚克隆至pET-32a表达载体。
序列测定核实构建正确的重组质粒(pET32a-ABI5)转化入大肠杆菌BL21 Star (DE3)中诱导表达。
表达产物经Ni-NTA亲和层析柱分离纯化、SDS-PAGE分析和质谱鉴定。
结果表明, 重组abi5基因在大肠杆菌表达的较适宜条件为: 异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)终浓度为0.3 mmol∙L-1、30 ℃下诱导4 h, 可达到细菌裂解液上清蛋白的29.1%。
经Ni-NTA亲和层析柱纯化后的ABI5融合蛋白在SDS-PAGE电泳分析时呈现一条蛋白带。
该条带经串联质谱分析证明为重组ABI5融合蛋白。
关键词: 拟南芥; abi5; 分子克隆; 原核表达; 纯化; 质谱Molecular Cloning, Prokaryotic Expression and Purification of abi5 Gene from Arabidopsis thaliana L.MA Y an-Lin, MA Jian-Zhong*, WANG Y ong-GangSchool of Life Science and Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, ChinaAbstract: The abi5 gene from Arabidopsis encodes a basic leucine zipper transcription factor, which plays a key regulatory role in ABA signal transduction. In this paper, the coding region of the abi5 gene of Arabidopsis thaliana Columbia was ampli fi ed by RT-PCR and then c loned into a T-vector, pMD®19-T. The nucleotide sequenc ing showed that the cloned gene had a 99.0% identity with the abi5 gene sequence (GenBank No. NM_129185.3). The amino acid sequence of the cloned fragment exists four different residues. The abi5 gene was further subcloned into an expression vector, pET-32a. The recombinant plasmid construct (pET32a-ABI5) was veri fi ed by nucleotide sequencing, and transformed into Escherichia coli BL21 Star (DE3). The expression of the ABI5-fused protein was induced with 0.3 mmol∙L-1 IPTG, at 30 ℃for 4 h. Under this condition, the con-tent of the fusion protein could reach 29.1% of the total supernatant proteins of bacteria lysate. After Ni-NTA af fi nity chromatography puri fi cation, a single band was observed in the SDS-PAGE gel, with an 86.1% puri ty. The band was excised for MS/MS assay. The results of tandem mass spectrometry proved that the band con- tained the ABI5-fused recombinant protein.Key words: Arabidopsis thaliana; abi5; molecular cloning; prokaryotic expression; puri fi cation; mass脱落酸(absc isic ac id, ABA)作为一种重要的植物激素调节着植物生长发育过程中的诸多环节, 比如种子和芽的休眠、气孔关闭、生物与非生物性胁迫的响应、以及拮抗其它植物生长调节物质的作用等(F in ke lst e in 2010) 。
拟南芥基因克隆的策略与途径
• 跨学科合作与数据共享：面对复杂的基因克隆挑战，跨学科的研究团队合作和 数据共享将变得更为重要。通过整合不同领域的知识和技术，我们能够更全面 地理解拟南芥的基因功能和调控机制，从而推动基因克隆技术的创新和发展。
VS
策略
首先根据目标基因序列，利用化学方法合 成相应的DNA片段。将合成得到的DNA 片段进行测序验证，确保序列的准确性。 之后，将合成基因亚克隆到适当的表达载 体，进行后续的转基因和功能验证。此方 法还可以结合基因编辑技术，如CRISPRCas9，对合成基因进行精确修饰，以研 究特定基因突变的功能影响。
策略
利用已知的拟南芥 测序验证后，将其亚克隆到适当的载体中进行后续操作。
通过合成生物学方法获取目的基因
优势
随着合成生物学的发展，研究者可以根 据需求，人工合成特定的基因序列。这 种方法不受自然资源的限制，能够根据 需要定制基因。
限制酶切与连接
利用限制酶切割目标基因和载体，通过连接酶将目标基因与 载体连接，构建重组质粒，进而导入宿主细胞进行扩增和表 达。
基于CRISPR-Cas9系统的基因克隆策略
gRNA设计
根据目标基因序列设计特异性的导向RNA（gRNA），引导CRISPR-Cas9蛋白复合物定位并切割目标 基因。
基因组编辑
THANK YOU
策略
首先通序验证，确保其与目标基因序列 一致。之后，将目的基因亚克隆到适当的表
达载体，进行时期或条件下不表达的基因。适用于那些想要研究非表 达基因或者进行全基因组分析的研究者。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
拟南芥基因的图位克隆技术浙江大学生命科学学院徐冰浙江杭州3100291 国内外研究现状拟南芥（Arabidopsis thaliana）是一种模式植物，具有基因组小（125 Mbp）、生长周期短等特点，而且基因组测序已经完成（The Arabidopsis Genomic Initiative, 2000）。
同时，拟南芥属十字花科（Cruciferae），具有高等植物的一般特点，拟南芥研究中所取得成果很容易用于其它高等植物包括农作物的研究，产生重大的经济效益，特别是十字花科中还有许多重要的经济作物，与人类的生产生活密切相关，因此目前拟南芥的研究越来越多地受到国际植物学及各国ZF的重视。
从遗传学的观点来看，基因克隆的途径可概括为正向遗传学和反向遗传学两种。
正向遗传学途径指的是通过被克隆基因的产物或表现型突变去进行；反向遗传学途径则指的是依据被克隆基因在染色体上的位置来实现。
虽然一些模式生物（如拟南芥）的基因组测序已经完成，但还有40%的基因（在拟南芥中）的功能还是未知的。
图1 图位克隆所需努力的比较（1995年和2002年）（Jander等，2002）图位克隆（map-based cloning）又称定位克隆（positional cloning），1986年首先由剑桥大学的Alan Coulson提出（Coulson等，1986），用该方法分离基因是根据目的基因在染色体上的位置进行的，无需预先知道基因的DNA序列，也无需预先知道其表达产物的有关信息。
它是通过分析突变位点与已知分子标记的连锁关系来确定突变表型的遗传基础。
近几年来随着拟南芥基因组测序工作的完成，各种分子标记的日趋丰富和各种数据库的完善，在拟南芥中克隆一个基因所需要的努力已经大大减少了（图1）。
目前完成整个拟南芥的图位克隆过程大约需要一年时间。
在这个过程中，我们从筛选突变体开始，逐渐找到和表型相关的基因。
这和反向遗传学的方法正好相反。
图位克隆能实现，关键在于全基因组测序计划的完成和各种分子标记的发现。
这些数据被储存在专门的数据库中图2 图位克隆过程示意图（Jander等，2002）F1代植物自交得到F2代种子，大约播种600个个体以进行突变基因的粗定位（first-pass mapping，图2）。
在其生长过程中，我们可确定其表型，大约有150个个体被认为是纯合体（在隐性突变的情况下是纯合突变体，在显性突变的情况下是纯合野生型）。
然后从这150个个体的叶子或者其它组织中制备DNA用于基因型分析。
起先用分布于拟南芥五条染色体上的25个标记（相邻的两个标记之间大约相距20 cM）进行分析，确定突变基因是和哪个或者哪几个标记是连锁的，然后用三点测交的方法来定义一个包含突变基因的大约20 cM的遗传间隔。
一旦这样的一个遗传间隔被定义之后，接下来的工作就是引入新的标记把这个间隔缩小到大约4 cM。
一般来说，利用150个F2代个体是在很大程度上能找到这样一个遗传间隔的，距离突变基因最近的两个分子标记将作为侧面标记而用于下面的进一步分析。
下一步我们将播种一个更大的F2代群体用于突变基因的精细定位（fine-resolution mapping，图2）。
最终目标是将包含突变基因的遗传间隔缩小到40 Kb甚至更小（这在拟南芥中大约是0.16 cM）。
显然用于作图的F2代植物越多，就越能精确地定位突变基因。
一般需要3000~4000个F2代植物个体（包括粗定位时的600个F2代植物个体）来精确地定位突变基因。
但是也有很多图位克隆过程用了少于3000个F2代植物个体就成功地定位了突变基因（Lukowitz等，2000）。
但是这往往要冒因为作图群体不够大再一次种植F2代植物而延长整个作图过程的时间的风险。
在这个大约4 cM的遗传间隔内找到与突变更紧密连锁的分子标记，一般情况下能在突变两侧找到相距小于40 Kb的两个分子标记。
一旦这样的两个分子标记被找到之后，就可以通过测序来找到突变基因。
一种有效的方法是设计PCR引物来扩增覆盖这40 Kb的多个重叠的500 bp的片段。
将这些片段测序后拼接起来以得到整个40 Kb的序列，然后将它与野生型植物（Col-0或者L er）的序列进行比对，这就可以找到这个区域中的多个基因。
从一系列侯选基因中鉴定基因是定位克隆技术的最后一个关键环节。
现在最常用的方法是用含有目标基因的大片段克隆如BAC克隆或Y AC克隆去筛选cDNA文库，并查询生物数据信息库，待找出侯选基因后，把这些侯选基因进行下列分析以确定目标基因：（1）精确定位法检查cDNA 是否与目标基因共分离；（2）检查cDNA时空表达特点是否与表型一致；（3）测定cDNA序列，查询数据库，以了解该基因的功能；（4）筛选突变体文库，找出DNA序列上的变化及与功能的关系；（5）进行功能互补实验，通过转化突变体观察突变体表型是否恢复正常或发生预期的表型变化。
功能互补实验是最直接、最终鉴定基因的方法。
利用新兴的RNA干扰（RNAi）也可有效地确定目的基因。
3 存在的问题图位克隆也有其自身的局限性，在某些情况下，就很难或者不能通过图位克隆技术来定位基因。
在分析自然发生的变异的时候，我们最有可能遇到的复杂情况是一个给定的性状是由不止一个的基因位点控制的。
例如，在Kashmir-1（有抗性的）和Columbia（敏感的）株系之间的杂交实验中，我们发现粉状霉菌抗性基因至少涉及三个遗传位点，它们是以附加的方式起作用的（I.Wilson， C. Schiff，和S. Somerville，个人交流）。
对这些抗性基因中的任何一个作精细定位都要求降低作图群体的遗传复杂性，例如通过创造只有一个位点保持多态性的重组近交系。
在拟南芥的株系之间杂交时，很多种性状是由一个或多个遗传位点控制的，其中包括开花时间，种子大小，冬眠，生理节律，次生代谢以及表皮毛的密度（综述见Alonso-Blanco 和Koornneef，2000）。
无论何时，当影响这些性状的自然或者诱导的突变被定位的时候，第二位点修饰成分会干扰这些分析。
表观（上位）遗传突变这个术语是描述一个基因在表达和功能上的可遗传改变，而不涉及DNA序列的改变（综述见Wolffe 和Matzke,1999），这是图位克隆工程中又一个可能的复杂情况。
已有文献很好地证明的是花发育基因SUPERMAN的后生clark kant等位基因（Jacobson 和Meyerowitz，1997）。
这些等位基因是可遗传的，但它们不稳定有一个小的回复率。
它们在SUPERMAN基因的DNA序列中都具有相似的胞嘧啶甲基化现象，结果，有可能减少了SUPERMAN基因转录子的表达。
它们中没有一个是和SUPERMAN的DNA序列改变联系在一起的；尽管如此，它们能被带有SUPERMAN基因的转基因所补充。
目前，对于这种表观遗传突变是怎么产生的以及它们出现的频率知道的不多。
关于染色体上位点的物理和遗传距离的比值是变化的。
通常这种变化是比较小的，对作图的分辨率也只有较小的影响（Copenhaver等，1998）。
但是，有证据表明有些染色体区域是例外的。
例如，对GURKE基因的图位克隆就非常困难，这个基因的定位接近于第一条染色体的着丝粒；在着丝粒附近重组是严格限制的，使得对它精细定位的努力非常无效。
而且，在这个区域中重复DNA单元的广泛分布使我们辨认出散布的单拷贝序列，这些单拷贝序列能产生有疑问的遗传标记（R. Torres Ruiz，个人交流）。
这个发现是经过对第二条染色体上的物理和遗传距离之间的比值的系统地分析之后确认的（Lin等，1999）。
对这条染色体的几乎全序列，1%重组的遗传距离相当于100~400 Kb的物理距离，平均是250 Kb。
然而着丝粒区域是一个显著的例外，在这里1%重组的遗传距离相当于1000~2500 Kb。
看来值得指出的是在现存的物理图谱中，拟南芥的五个着丝粒是没有一个被完全覆盖的。
最近对着丝粒区域的分析显示这些区域通常包含重复的DNA和几乎不含表达的基因（Copenhaver等，1999）。
因此，由于接近着丝粒，应该没有拟南芥基因是不服从图位克隆策略的。
除了着丝粒，第二条染色体上也有一个小片段上1%重组的遗传距离相当于1000 Kb甚至更多。
根据推测，观察到的低重组率现象可能是由于被用于作图分析的株系的DNA序列的重排（Lin等，1999；Mayer等，1999）。
第二和第四条染色体的DNA序列的比较显示有些基因片段是在这两条染色体之间被复制的（其中一个片段的大小是4.6 Mb），还有一个从线粒体基因组向第二条染色体转移的DNA片段（Lin等，1999）。
这些发现清楚地证明了拟南芥基因组的结构是可以不断改变的。
因此，不同株系之间的遗传变异可能不仅仅是由点突变和DNA重排导致的，这就从根本上给图位克隆工程造成了严重的问题。
举例来说，如果在两个株系之间发生倒转的一个大约500 Kb的序列被用于形成的一个作图群体，所有发生在这个倒转内的重组事件将产生不育的减数分裂产物。
因此，不可能在这个倒转序列内对突变进行作图。
到目前为止，发生在常见株系之间的这样的DNA重排还没有被报道过，确实应该是这样，因为它们很难被检测到。
在一个作图实验中，它们的出现将很有可能被忽视直到最后一步。
有时候，T-DNA插入和辐射也被观察到能导致DNA的重排（Shirley等，1992；Nacry等，1998；Laufs等，1999；Ogas等，1999）。
因此，当被作图的突变是由这些方法产生的时候，类似的困难也有可能产生。
但在这些情况下，至少有一定的可能性突变是和重排的一个或两个断裂点有关。
4 前景展望目前，在拟南芥中的图位克隆已经不仅仅是一些专注的（和持久的）专家的工作了，而是每个人都能完成的工作。
在过去的几年中，产生了很多便宜但功能强大的工具，同时也有大量的信息被收集在免费的数据库中。
利用这些资源，目前大部分的图位克隆工程应该是可以肯定的，直接的，也是简单的。
随着我们对拟南芥基因组结构和变化的认识的增长，情况将进一步改善，因为这将有助于我们消除部分上面提到的仍然存在的复杂情况，或者至少使得它们可被控制。
参考文献1. Choe,S., Schmitz,R.J., Fujioka,S., Takatsuto,S., Lee,M.O., Y oshida,S., Feldmann,K.A., and Tax,F.E. (2002). Arabidopsis brassinosteroid-insensitive dwarf12 mutants are semidominant and defective in a glycogen synthase kinase 3 beta-like kinase. Plant Physiology 130, 1506-1515.2. Gonzalez-Guzman,M., Apostolova,N., Belles,J.M., Barrero,J.M., Piqueras,P., Ponce,M.R., Micol,J.L., Serrano,R., and Rodriguez,P.L. (2002). The short-chain alcohol dehydrogenase ABA2 catalyzes the conversion of xanthoxin to abscisic aldehyde. Plant Cell 14, 1833-1846.3. Jander,G., Norris,S.R., Rounsley,S.D., Bush,D.F., Levin,I.M., and Last,R.L. (2002b). Arabidopsis map-based cloning in the post-genome era. Plant Physiology 129, 440-450.4. Lukowitz,W., Gillmor,C.S., and Scheible,W.R. (2000c). Positional cloning in arabidopsis. Why it feels good to have a genome initiative working for you. Plant Physiology 123, 795-805.5. Michaels,S.D. and Amasino,R.M. (1998). A robust method for detecting single-nucleotide changes as polymorphic markers by PCR. Plant J. 14, 381-385.6. Nam,H.G., Giraudat,J., Den Boer,B., Moonan,F., Loos,W., Hauge,B.M., and Goodman,H.M. (1989). Restriction Fragment Length Polymorphism Linkage Map of Arabidopsis thaliana. Plant Cell 1, 699-705.7. Peters,J.L., Cnudde,F., and Gerats,T. (2003). Forward genetics and map-based cloning approaches. Trends in Plant Science 8, 484-491.8. Rafalski,A. (2002). Applications of single nucleotide polymorphisms in crop genetics. Curr. Opin. Plant Biol. 5, 94-100.。