转基因动物技术研究综述
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PNAS ,2001 ,98 :9161 - 9166. [ 14 ]Vigouroux Y,McMullen M ,Hittinger C T , et al . Identifying genes of agro2 nomic importance in maize by screening microsatellites for evidence of selection during domestication[J ] . PNAS ,2002 ,99 :9650 - 9655. [ 15 ] Ellis M C.“Spot - On”SNP genotyping[J ] . Genome Research ,2000 ,10 : 895 - 897.
总之 ,DNA 芯片技术在植物功能基因组研究中的应用非
常广泛且实用 。随着该技术的不断发展 ,我们相信 ,DNA 芯片 技术将广泛应用于植物重要性状的基因克隆和功能分析 、植 物抗性机理 、杂种优势遗传机理等的研究 ,从而大大推动植物 发育生物学 、植物生理学和植物遗传学等学科的发展 。同时 在诸如植物病原菌 、转基因产品检测等应用方面也将发挥重 要作用 。 参考文献 :
以上两种技术与传统检测技术相比具有操作简单 、快速 、 准确 、大通量的特点 ,可用于海关 、商检 、农业执法等部门对农 产品及鲜活植物材料的检测 。
尽管 DNA 芯片技术有着十分诱人的前景 ,但 DNA 芯片技 术仍在襁褓之中 ,还将经历成长的阵痛 。DNA 芯片技术虽然 自动化程度较高 ,但仍有较高的错误率 ,它们可能来源于 : (1) 操作者操作失误和机器手点样误差 ; (2) cDNA 的污染 ; (3) cD2 NA 部分测序所得信息不完整 ,使得生物信息学分析反馈结果 出错 ; (4) 对芯片数据的统计和处理产生误差 。因此 ,研究者 利用 DNA 芯片技术研究基因表达模式仍需特别仔细 ,采取严 格措施防止错误的产生 [22～24] 。
[ 1 ]Duggan D J ,Bittner M ,Chen Y D , et al . Expression profiling using cDNA microarrays[J ] . Nature Genetics supplement ,1999 ,21 :10 - 14.
[ 2 ]Schena M ,Schalon D ,Davis R W. Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray[J ] . Science ,1995 ,270 :467 -
[6 ] Aharoni A , Keizer L C P ,Bouwmeester H J , et al . Identification of the SAAT gene involved in strawberry flavor biogenesis by use of DNA microarray
[J ] . The Plant Cell ,2000 ,12 :647 - 661. [ 7 ] Krep J A ,Wu YJ ,Chang H S , et al . Transcriptome changes for Arabidopsis
in response to salt ,osmetic ,and cold stress[J ] . Plant Physiol . 2002 ,130 :2129 - 2141. [ 8 ] Zik M ,Irish V F. Global identification of target genes regulated by APETA2 LA3 and PISTILLATA floral homeotic gene action[J ] . Plant Cell ,2003 ,15 :207 - 222.
[ 9 ]Drobyshev A ,Mologina N ,Shik V , et al . Sequence analysis by hybridization with olignucleotide microchip identification of bata thalasemia mutations [ J ] . Gene ,1997 ,188 (1) :45 - 52. [ 10 ] Hacia J G,Brody L C ,Chee M S , et al . Detection of heterozygous mutations in BRCA1 using high density oligonucleotide arrays and two - colour fluores2 cence analysis[J ] . Nature Genetics ,1996 ,14 (4) :367 - 370. [ 11 ] Hacia J G. Resquencing and mutational analysis using oligonucleotide mi2 croarrays[J ] . Nature Genetics Supplement ,1999 ,21 :42 - 47. [12 ] Chee M ,. Yang R , Hubbell E , et al . Accessing genetic information with
470. [3 ]Lee J M ,William M E ,Tingey S V , et al . DNA array profiling of gene ex2 pression changes during maize embryo development [J ] . Funct Integr Genom2 ics ,2002 ,2 :13 - 27. [4 ]White K P ,Rifkin S A , Hurban P , et al . Microarray analysis of Drosophila
microarray analysis[J ] . J Biol . Chem ,2001 ,276 : 44405 - 44412. [ 18 ] Reymond P ,Weber H ,Damond M , et al . Differential gene expression in re2 sponse to mechanical wounding and insect feeding in Arabidopsis [J ] . The Plant Cell ,2000 ,12 ,707 - 719.
随着我国加入 WTO 和我国生物技术的迅速发展 ,转基因 作物种植面积将日益增加 ,其安全性问题也已经引起了社会 各界的广泛关注 。人们有权知晓所消费的食物是否是转基因 产品 。为此 ,百奥公司研制了一种转基因植物检测性芯片 ,它 集成了多种常被转化的基因片段 、转化载体 、启动子等 ,通过 检测可以判断待检植物是否带有外来基因序列 ,从而鉴定该 植物是天然的 、还是转基因的 。
development during metamorphosis[J ] . Science ,2002 ,286 :2179 - 2184. [ 5 ] Gill R T ,Wildt S , Yang Y T , et al . Genome - wide screening for trait con2 ferring genes using DNA microarrays[J ] . PNAS ,2002 ,99 :7033 - 7038.
[ 17 ]Seta K A , Kim R , Kim H W , et al . Hypoxia - induced regulation of MAPK phosphatase - 1 as identified by subtractive suppression hybridization and cDNA
第 13 卷第 4 2003 年 8 月
期
:39
生 物 技 术 BIOTECHNOLOGY
Vol113 ,No14 :39 Aug12003
水平上揭示拟南芥对机械损伤 、病害侵染 、无机胁迫和激素诱 导响应之间的新的相互作用 ,他们发现 8 %的基因在转录水平 上发生改变 ,这些改变提供了机械损伤与其他信号相互作用 的新信息 ,如许多编码机械损伤响应的基因包含在植物对病 害侵染响应的基因中 ,其中包括抗病途径中的信号分子 、细胞 壁修饰和次生代谢途径中的酶等 。DNA 芯片技术也被源自文库于识 别对诸如冷害 、干旱 、高盐和低氧等环境胁迫响应的重要基因
6 植物病原菌和转基因材料的检测
2001 年 12 月 ,由复旦大学生命科学院 、上海联合基因科 技有限公司和海南恒志绿色科技园联合组建的国内首家热带 植物病毒病害基因芯片检测中心在海南成立 。该中心的技术 核心就是将 各 种 病 害 病 原 菌 的 基 因 片 段 或 特 异 基 因 片 段 点 样 ,制成基因芯片 ,并以从待检测物标本中抽提的核酸进行标 记后与芯片杂交 ,根据杂交信号 ,判断是否感染病菌及感染何 种病原菌 ,从而指导有效的防治 。
5 重要性状的遗传机制研究
复杂的生物性状是受多基因所控制 ,对这些性状形成机 理及遗传行 为 的 解 释 必 须 基 于 对 控 制 性 状 的 众 多 基 因 的 鉴 定 、克隆及功能分析 。常用的图位克隆 、侯选基因等 、表达水 平研究的 Northern blot 、RT - PCR 等方法 ,一次只能分析一个 或少数基因 ,显然不适合于复杂性状的研究 ,而 DNA 芯片技术 在多基因的平行分析上则体现出了其明显的优势 。经典数量 遗传学认为 :作物产量是由效应相似 、作用较微 、数量众多的 微效多基因控制的 。而基于分子标记的 QTLs 定位发现 :产量 由几个主效的 QTLs 和多个微效基因所决定 。而关于杂种优 势的形成遗传机理也提出了显性假说 、超显性假说和上位性 假说 。杂种优势形成机理的阐明对作物的遗传改良的理论和 实践均具有重要的意义 。DNA 芯片技术为这一重要理论问题 的研究提供了一种新的有效方法 。如由强 、中 、弱优势组合及 其亲本构建小花分化期和胚乳发育时期的 cDNA 文库 ,并制作 cDNA 芯片 ,然后 ,分别以双亲及 F1 小花分化期 、胚乳发育时 期的 mRNA 制作探针与芯片杂交 ,寻找双亲与 F1 中基因表达 的差异以及双亲基因在 F1 代中的相互作用关系 ,分析差异表 达基因的表达调控方式 ,揭示杂种优势相关基因的表达模式 , 进而阐述杂种优势形成的遗传机理 。
high - density DNA arrays[J ] . Science ,1996 ,274 :610 - 614. [13 ] Tenaillon M I ,Sawkins M C ,Long A D , et al . Patterns of DNA sequence polymorphism along chromosome 1 of maize ( Zea mays ssp. mays L. ) [ J ] .
[16 ] Tepperman J M , Zhu T , Chang H S , et al . Multiple transcription - factor
genes are early targets of phytochrome A signaling[J ] . PNAS ,2001 ,98 :9437 9442.
及转录因子的发掘 [7 ,20 ,21] 。 与之相似 ,国内有些单位正在试图使用 SSH 与 DNA 芯片
技术相结合 ,研究植物在各种逆境胁迫 (如干旱 、涝渍 、病虫害 浸染等) 条件下的表达差异 ,期望了解植物对各种胁迫信号的 反应及传导途径 ,阐述植物对逆境反应的分子机理 。通过对 抗性材料和不抗材料的在逆境诱导下表达差异的比较 ,寻找 与抗性有关的基因或者迅速高效且特异上调表达的启动子 , 为植物抗逆性遗传改良奠定基础 。
总之 ,DNA 芯片技术在植物功能基因组研究中的应用非
常广泛且实用 。随着该技术的不断发展 ,我们相信 ,DNA 芯片 技术将广泛应用于植物重要性状的基因克隆和功能分析 、植 物抗性机理 、杂种优势遗传机理等的研究 ,从而大大推动植物 发育生物学 、植物生理学和植物遗传学等学科的发展 。同时 在诸如植物病原菌 、转基因产品检测等应用方面也将发挥重 要作用 。 参考文献 :
以上两种技术与传统检测技术相比具有操作简单 、快速 、 准确 、大通量的特点 ,可用于海关 、商检 、农业执法等部门对农 产品及鲜活植物材料的检测 。
尽管 DNA 芯片技术有着十分诱人的前景 ,但 DNA 芯片技 术仍在襁褓之中 ,还将经历成长的阵痛 。DNA 芯片技术虽然 自动化程度较高 ,但仍有较高的错误率 ,它们可能来源于 : (1) 操作者操作失误和机器手点样误差 ; (2) cDNA 的污染 ; (3) cD2 NA 部分测序所得信息不完整 ,使得生物信息学分析反馈结果 出错 ; (4) 对芯片数据的统计和处理产生误差 。因此 ,研究者 利用 DNA 芯片技术研究基因表达模式仍需特别仔细 ,采取严 格措施防止错误的产生 [22～24] 。
[ 1 ]Duggan D J ,Bittner M ,Chen Y D , et al . Expression profiling using cDNA microarrays[J ] . Nature Genetics supplement ,1999 ,21 :10 - 14.
[ 2 ]Schena M ,Schalon D ,Davis R W. Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray[J ] . Science ,1995 ,270 :467 -
[6 ] Aharoni A , Keizer L C P ,Bouwmeester H J , et al . Identification of the SAAT gene involved in strawberry flavor biogenesis by use of DNA microarray
[J ] . The Plant Cell ,2000 ,12 :647 - 661. [ 7 ] Krep J A ,Wu YJ ,Chang H S , et al . Transcriptome changes for Arabidopsis
in response to salt ,osmetic ,and cold stress[J ] . Plant Physiol . 2002 ,130 :2129 - 2141. [ 8 ] Zik M ,Irish V F. Global identification of target genes regulated by APETA2 LA3 and PISTILLATA floral homeotic gene action[J ] . Plant Cell ,2003 ,15 :207 - 222.
[ 9 ]Drobyshev A ,Mologina N ,Shik V , et al . Sequence analysis by hybridization with olignucleotide microchip identification of bata thalasemia mutations [ J ] . Gene ,1997 ,188 (1) :45 - 52. [ 10 ] Hacia J G,Brody L C ,Chee M S , et al . Detection of heterozygous mutations in BRCA1 using high density oligonucleotide arrays and two - colour fluores2 cence analysis[J ] . Nature Genetics ,1996 ,14 (4) :367 - 370. [ 11 ] Hacia J G. Resquencing and mutational analysis using oligonucleotide mi2 croarrays[J ] . Nature Genetics Supplement ,1999 ,21 :42 - 47. [12 ] Chee M ,. Yang R , Hubbell E , et al . Accessing genetic information with
470. [3 ]Lee J M ,William M E ,Tingey S V , et al . DNA array profiling of gene ex2 pression changes during maize embryo development [J ] . Funct Integr Genom2 ics ,2002 ,2 :13 - 27. [4 ]White K P ,Rifkin S A , Hurban P , et al . Microarray analysis of Drosophila
microarray analysis[J ] . J Biol . Chem ,2001 ,276 : 44405 - 44412. [ 18 ] Reymond P ,Weber H ,Damond M , et al . Differential gene expression in re2 sponse to mechanical wounding and insect feeding in Arabidopsis [J ] . The Plant Cell ,2000 ,12 ,707 - 719.
随着我国加入 WTO 和我国生物技术的迅速发展 ,转基因 作物种植面积将日益增加 ,其安全性问题也已经引起了社会 各界的广泛关注 。人们有权知晓所消费的食物是否是转基因 产品 。为此 ,百奥公司研制了一种转基因植物检测性芯片 ,它 集成了多种常被转化的基因片段 、转化载体 、启动子等 ,通过 检测可以判断待检植物是否带有外来基因序列 ,从而鉴定该 植物是天然的 、还是转基因的 。
development during metamorphosis[J ] . Science ,2002 ,286 :2179 - 2184. [ 5 ] Gill R T ,Wildt S , Yang Y T , et al . Genome - wide screening for trait con2 ferring genes using DNA microarrays[J ] . PNAS ,2002 ,99 :7033 - 7038.
[ 17 ]Seta K A , Kim R , Kim H W , et al . Hypoxia - induced regulation of MAPK phosphatase - 1 as identified by subtractive suppression hybridization and cDNA
第 13 卷第 4 2003 年 8 月
期
:39
生 物 技 术 BIOTECHNOLOGY
Vol113 ,No14 :39 Aug12003
水平上揭示拟南芥对机械损伤 、病害侵染 、无机胁迫和激素诱 导响应之间的新的相互作用 ,他们发现 8 %的基因在转录水平 上发生改变 ,这些改变提供了机械损伤与其他信号相互作用 的新信息 ,如许多编码机械损伤响应的基因包含在植物对病 害侵染响应的基因中 ,其中包括抗病途径中的信号分子 、细胞 壁修饰和次生代谢途径中的酶等 。DNA 芯片技术也被源自文库于识 别对诸如冷害 、干旱 、高盐和低氧等环境胁迫响应的重要基因
6 植物病原菌和转基因材料的检测
2001 年 12 月 ,由复旦大学生命科学院 、上海联合基因科 技有限公司和海南恒志绿色科技园联合组建的国内首家热带 植物病毒病害基因芯片检测中心在海南成立 。该中心的技术 核心就是将 各 种 病 害 病 原 菌 的 基 因 片 段 或 特 异 基 因 片 段 点 样 ,制成基因芯片 ,并以从待检测物标本中抽提的核酸进行标 记后与芯片杂交 ,根据杂交信号 ,判断是否感染病菌及感染何 种病原菌 ,从而指导有效的防治 。
5 重要性状的遗传机制研究
复杂的生物性状是受多基因所控制 ,对这些性状形成机 理及遗传行 为 的 解 释 必 须 基 于 对 控 制 性 状 的 众 多 基 因 的 鉴 定 、克隆及功能分析 。常用的图位克隆 、侯选基因等 、表达水 平研究的 Northern blot 、RT - PCR 等方法 ,一次只能分析一个 或少数基因 ,显然不适合于复杂性状的研究 ,而 DNA 芯片技术 在多基因的平行分析上则体现出了其明显的优势 。经典数量 遗传学认为 :作物产量是由效应相似 、作用较微 、数量众多的 微效多基因控制的 。而基于分子标记的 QTLs 定位发现 :产量 由几个主效的 QTLs 和多个微效基因所决定 。而关于杂种优 势的形成遗传机理也提出了显性假说 、超显性假说和上位性 假说 。杂种优势形成机理的阐明对作物的遗传改良的理论和 实践均具有重要的意义 。DNA 芯片技术为这一重要理论问题 的研究提供了一种新的有效方法 。如由强 、中 、弱优势组合及 其亲本构建小花分化期和胚乳发育时期的 cDNA 文库 ,并制作 cDNA 芯片 ,然后 ,分别以双亲及 F1 小花分化期 、胚乳发育时 期的 mRNA 制作探针与芯片杂交 ,寻找双亲与 F1 中基因表达 的差异以及双亲基因在 F1 代中的相互作用关系 ,分析差异表 达基因的表达调控方式 ,揭示杂种优势相关基因的表达模式 , 进而阐述杂种优势形成的遗传机理 。
high - density DNA arrays[J ] . Science ,1996 ,274 :610 - 614. [13 ] Tenaillon M I ,Sawkins M C ,Long A D , et al . Patterns of DNA sequence polymorphism along chromosome 1 of maize ( Zea mays ssp. mays L. ) [ J ] .
[16 ] Tepperman J M , Zhu T , Chang H S , et al . Multiple transcription - factor
genes are early targets of phytochrome A signaling[J ] . PNAS ,2001 ,98 :9437 9442.
及转录因子的发掘 [7 ,20 ,21] 。 与之相似 ,国内有些单位正在试图使用 SSH 与 DNA 芯片
技术相结合 ,研究植物在各种逆境胁迫 (如干旱 、涝渍 、病虫害 浸染等) 条件下的表达差异 ,期望了解植物对各种胁迫信号的 反应及传导途径 ,阐述植物对逆境反应的分子机理 。通过对 抗性材料和不抗材料的在逆境诱导下表达差异的比较 ,寻找 与抗性有关的基因或者迅速高效且特异上调表达的启动子 , 为植物抗逆性遗传改良奠定基础 。