叶绿体基因工程简介

几 个 常 见 的 操 纵 １ 并 下
子 ｌ ｌ：
操 纵 子
１ Ｓ ￡’Ｊ ２ ４ Ｓ ５ ＂ ６ － ｒｌ一 ３ ．５ － Ｓｒ
２０ 年 分 别 将 ＢＴＣｒ２ ２基 因转 入 烟 草 叶 绿 体 ， 者 可 ０１ ｙ Ａａ 前
化过 程＿ １ 。
１ ９ 年 ， ｌ ａ 验 室 用 ＢＴ 基 因 转 化 烟 草 叶 绿 体 ， Ｔ ９５ Ｍａｉ 实 ｇ Ｂ 蛋 白表 达 量 为 ３ ～ ５ ＴＳ 。 Ｋｏ ａ于 １ ９ Ｐ］ ｔ ９ ９年 、 ｏ ａ于 Ｃ ｓ
叶 绿 体 中 ， 能 相 似 的 基 因 常 常 存 在 于 同 一 操 纵 子 功
大 小 约 ２ ｋ 。 多 数 叶 绿 体 ＤＮＡ 大 小 在 １ ０ １ ０ ｂ 最 大 ０ｂ ２ ～ ６ｋ ，
２ ０ ｋ （ 藻 ） 最 小 ８ ｋ （ 海 松 ）１。 ００ ｂ伞 ， ５ｂ 刺 Ｌ ］ 叶绿 体 基 因组 中 的 基 因在 漫 长 的进 化 历 程 中 ， 许 多 转 有
叶绿 体 是 绿 色 植 物 光 合 作 用 的 场 所 ， 源 于 古 代 的 衣 藻 来
类原 核生物 ， 有双 链 环状 Ｄ 含 ＮＡ（ ｎ ｉｇ １ ７ ） 叶 绿 体 Ｍａ ｎｎ ， ９ １ 。
是 因 为 叶绿 体 基 因 本 身就 有 巨 大 的 拷 贝 数 （０ ０ １ ０ ０拷 ５０ ～ ００
４６ ９
遗
传 ＨＥ ＤＩ ＡＳ （ ｅ ｉｇ ２ ０ ＲＥ Ｔ Ｂ ｉ ｎ ）０３ ｊ
２ ５卷
转 基 因 植 物 的安 全 性 是 植 物 基 因工 程 的 一 个 很 重 要 的 问 题 。不 仅 从 理 论 上 ， 践 中 也 有 许 多 实 例 证 明 了 这 种 情 实
３０倍 ； ｃ ０ Ｒｏｋ等 用 ａ ｄ 基 因 转 化 番 茄 叶 绿 体 ， 果 实 中 ａＡ 在 有 高 达 ０ ５ ＴＳ 的蛋 白 积 累 ， 明 了 叶绿 体 转 化 在 食 用 性 ． Ｐ 证
摘
要 ： 绿体是 植物细胞 中一种特殊 的细胞器 。自 １８ 叶 ９ ８年 开 始 ， 们 认 识 到 叶 绿 体 在 植 物 基 因 工 程 中 的 特 殊 地 人
位 。叶 绿 体 基 因工 程 的 特 点 ， 别 是 其 高 效 表 达 和 安 全 性 ， 其 受 到 越 来 越 多 的 重 视 ， 文 对 叶 绿 体 转 化 作 了较 为 特 使 本 全 面 的介 绍 ， 括 其 优 势 、 法 、 途 及 不 足 等 内 容 。 包 方 用 关键词 ： 物基 因组工程 ； 转化 ； 植 核 叶绿 体 ； 绿 体 转 化 ； 绿 体 基 因 组 叶 叶
１８ ８ ２年 ， ｔａ ｕ ｇ ｒ 察 到 藻 类 叶 绿 体 能 分 裂 并 进 入 子 Ｓ ｒｂ ｒ ｅ 观
移 到 了 核 中 ， 留 在 叶 绿 体 中 的 基 因 是 功 能 必 需 的 一 些 基 遗
代 细 胞 ； ９ ９年 ， ａ ｒ和 Ｃ ｒｅ ｓ 过 在 三 种 枝 条 颜 色 不 同 １０ Ｂｕ ｏｒｎ 通 的 紫 茉 莉 之 间 进 行 杂 交 得 出结 论 ： 体 是 母 本 遗 传 的 。 这 两 质
因 转 入 烟 草 叶 绿 体 中 ， 烟 草 对 ｇ ｙ ｈ ｓｔ 使 ｌｐ ｏ ａ ｅ的 抗 性 达
叶绿体基 因组 小 ， 原 核 生 物基 因组 相 似 ， 作 简便 。 与 操 外 源 基 因 使 用 的启 动 子 和 终 止 子 是 叶 绿 体 特 异 的 （ ： ｒｎ 如 Ｐｒ 、
Ａｂ ｔ ａ ｔ： ｌ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｆｓ ｃａ ｅｌｏｒ ａ ｎ ｐｌｎ ｅｌ． ｎ ｅ １ ８８， ｃｅ ｔｓ ｓ ｈ ｖ ｅ ｌ ｅ ｉｓ ａ ｖ ｎｔｇｅ ｎ ｐ ａ ｓ ｒ ｃ Ｃｈｏｒ ｐｌｓ ｓａ ｋｉｄ ｏ ｐｅ ｉｌｃ ｌ ｇ ｎｉ ａ ｔｃ ｌ Ｓｉｃ ｓ ９ Ｓ ｉｎ ｉｔ ａ ｅ ｒ ａｉ ｄ ｔ ｄ ａ ａ ｓ ｉ ｌｎｔ ｚ
中 图分 类 号 ： ８ Ｑ７ 文 献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ２ ３ ９ ７ （ ０ ３ ０ － ０ ９ —０ ０５ — ７２２０ ）４ ４５ ４
Ｔｈｅ Ｉ ｒ ｄ ｃ ｉ ｎ ｏ ｎｔ ｕ ｕ ｔｏ ｆ Ｃｈｌ ｒ ｐ ａ ｔＧｅ ｏ ｏ ｌ ｓ ｎｅ Ｅｎｇ ｎｅ ｒｎｇ ｉ ｅｉ
ｔｏ ｃ ｓ ｔ ｅ ｃ ｌ ｒ ｐｌｓ ｒ ｎ ｆ ｒｍ ａ ｏ ｉ ｌ ｄｉｇ ｉｓａ ｖ ｎｔｇｅ ｍ ｅ ｈ ｄｓ ｕ ｅ ｎ ｆ ｃ ｓ ｒ ｄｕ ｅ ｈ ｈ ｏ ｏ ａ ｔ ｔａ ｓｅ ｒ ｎ，ｎｃｕ ｎ ｔ ｄ ａ ａ ｓ， ｔ ｏ ， ｓ ｓ ａ ｄ ｄｅｅ ｔ． ｉ Ｋ ｅ ｏ ｄｓ： ｌ ｎ ｅ ｔｃ ｅ ｇｉｅ ｒｎ ；ｎｕ ｌ ｒ ｔａ ｓｏｒ ａ ｉｎ； ｃ ｏ ｏｐａ ｔ ｈ ｏ ｏ ａ ｔ ｔａ ｓｏｒ ｔｏｎ； ｃ ｏ ｏｐａ ｔ ｇ ｎ ｍ ｅ ｙｗ ｒ ｐ ａ ｔｇ ｎｅｉ ｎ ｎ ｅｉ ｇ ｃｅ ｒ ｎ ｆ ｍ ｔｏ ａ ｈｌｒ ｌｓ ；ｃ ｌ ｒ ｐｌｓ ｒ ｎ ｆ ｍａ ｉ ｈｌｒ ｌｓ ｅ ｏ
发 生 。
现 有 的 多 数 除 草 剂 都 是 通 过 抑 制 叶 绿 体 中 光 合 作 用 酶 来 杀 灭 植 物 ［ ， 叶 绿 体 中 大 量 积 累 某 种 除 草 剂 起 作 用 的 １ 在 酶 ， 以 提 高 植 物 对 这 种 除 草 剂 的 抗 性 ， 允 许 使 用 更 高 剂 可 就 量 的 除 草 剂 ， 更 有 效 地 杀 灭 杂 草 。 Ｄ ｎｅｌ 将 Ｅ ＰＳ基 来 ａ ｉｌ等 ＰＳ
Ｐ ｓ Ａ、 ｓ Ａ、 ｐ ｌ ） 具 有 原 核 性 ， 以 在 原 核 生 物 中 也 ｐ ｂ Ｔｐ ｂ Ｔｒ ｓ ６ ， 所 可 以 表 达 。如 ： ａ ｉ ｌ 用 Ｅ Ｓ Ｓ转 化 烟 草 叶 绿 体 时 使 用 Ｄ ｎｅ 在 ｌ ＰＰ １ Ｓ ｒ ＮＡ 启 动子 ［ ， 先 在 Ｅ ｃ ｌ 中 检 测 了 载 体 Ｐ ｓ － ６ Ｒ １ 首 ． ｏｉ ｚ— ＲＤ
认识并 利用 。
为 多 顺 反 子 转 录 单 位 ， 些 转 录单 位 中基 因 的 排 列 顺 序 是 高 这
度 保 守 的［ 。 １ ３
２ 叶 绿 体 转 化 的 优 点
叶 绿 体 转 化 的 最 大 优 点 是 外 源 基 因 的 高 效 表 达 。这
ｌ 叶 绿 体 简 介
ｇ ｎ ｎ ｉｅ ｒｎ ． ｔｓｈ ｇ ｆｉｉ ｔ ｘ ｒ ｓ ｉ ｎ ａ ｄ ｓ ｆ ｔ ｄ ｅ ｎ ａ ｔ ｃ ｅ ｒ ｎ ｒ ｏ ｔｎ ｅ ｔ ． ｉ ｐ ｐ ｒ ｎ ｅ ｅｅ ｇ ｎ ｉ ｇ Ｉ ｉｈ ｅ ｆ ｅ ｐ ｅ ｓ ｎ ａ ｅ ｙ ｍａ ｅ ｉ ｂ ｅ ｔａ ｈ ｄ ｍｏ ｅａ ｄ ｍｏ ｅ ｉ ａ ｃｎ ｅ ｏ ｔ ｍｐ ｒａ ｃ ｏ Ｔｈ ｓ ａ ｅ — ｉ
遗
传 ＨＥ ＥＤＩ ＡＳ Ｂ ｉｉｇ ５ ４ ：９ ～ ４ ８ ２ ０ Ｒ Ｔ （ ｅｊｎ ）２ （） ４ ５ ９ ，０ ３
专 论 与 综 述
叶 绿 体 基 因工 程 简 介
李宏 韬 ， 淑 青 ， 彦修 ， 赵 赵 张 慧
（ 山东 师 范 大 学 逆 境 植 物 重 点 实验 室 ， 南 ２ ０ １ ） 济 ５ ０ ４
疫 苗 的 生 产 中 的 可 行 性 ＿ 。其 优 势 为 ： １ 减 小 了 哺 乳 动 ｓ （）
况 确 实 存 在 ， 且 主 要 是 通 过 花 粉 传 播 的 ｌ ， 将 很 大 程 而 １ 这 度 上 限 制 转 基 因植 物 的 实 际 生 产 应 用 。 叶 绿 体 转 化 可 以 避 免 这 种 情 况 发 生 ， 为 绝 大 多 数 高 等植 物 的 叶 绿 体 是 母 本 遗 因 传 的 ， 粉 中不存 在外 源基 因＿ 花 １ ” 。 虽 然 来 自野 生 种 的
ＬＩＨ ｏ ｇ Ｔａ ， ＡＯ ｈ — ｎ ＺＨ ＡＯ ｎ Ｘｉ ＺＨＡ ＮＧ ｉ ｎ — ｏ ＺＨ Ｓ ｕ Ｑｉｇ， Ｙａ — ｕ， Ｈｕ
（ ｙ Ｌ ｂｏ ａ ｔ ｔｅ ｓ ａ ｔ ， ｈ ｎ ｏ ｇ Ｎｏ ｍａ ｎ ｖ ｒ ｉ Ｊ ｎ ｎ２ ０ １ ， ｈ ｎ ） Ｋｅ ａ ｆ Ｓ ｌ Ｓ ｒ ｓ Ｐｌ ｎ ｓ Ｓ ａ ｄ ｎ ｒ ｌＵ ｉ ｅｓｔ ｙ， ｉａ ５ ０ ４ Ｃ ｉ ａ
甚 至 有 报 道 外 源 蛋 白积 累 达 ４ Ｔ Ｐ以 上 。 Ｏ Ｓ
收 稿 日期 ： ０ ２ ２ ０ —０ — ２ ； 回 日期 ： ０ ２ ｌ — １ ５ ０修 ２ ０一 ２ １
作 者 简 介 ： 宏 韬 （ ９ ９ ）男 ， 族 ， 东 淄 博 人 ， 读 硕 士 ， 业 方 向 ： 物 发 育 遗 传 李 １７一 ， 汉 山 在 专 植 通讯作者 ： 张 慧 （ ９ ４ ）男 ， 授 ， 士 导 师 ， 业 方 向 ： 物 发 育 遗 传 。 １６ 一 ， 教 博 专 植
５ ｍｍｏ／ 比 野 生 型 烟 草 高 １ ｌＬ， Ｏ倍 ，０ 稳 定 遗 传 ， 基 因 １０ 无
“ 逸” 象 ｌ 。 逃 现 １
３２２ ．． 抗 虫性
Ｅ Ｓ Ｓ的效 率 ， 用 于 烟 草 叶 绿 体 的 转 化 ， 到 抗 除 草 剂 ＰＰ 才 得 Ｇｌｐ ｏ ａｅ 高抗 烟 草 植 株 ， 可 稳 定 遗 传 ， 化 了 载 体 优 ｙ ｈ ｓｔ 的 并 简
贝／ 细胞 ） 下 表 列 出 了 几 种 外 源 基 因 在 叶绿 体 转 化 和 核 转 化 ， 中 表 达 丰 度 的 比较 ：
ＤＮＡ有 Ｉ 和 Ｉ Ｂ两 个 反 向重 复 序 列 （ 别 位 于 Ａ 链 和 Ｂ ＲＡ Ｒ 分 链 ）两 者 基 因 大 小 完 全 相 同 ， 是 方 向 相 反 ， 们 之 间 有 一 ， 只 它 个 大 的 单 拷 贝 区 （ａｇ ｉｇｅ ｃｐ ｅ ｉｎ Ｌ Ｃ） 大 小 约 １ ｅｓ ｌ ｏ ｙ ｒｇｏ ， Ｓ ， ｒ ｎ ８ ｋ ， 一 个 小 的单 拷 贝 区 （ｍａ ｉｇｅｃｐ ｅ ｉｎ Ｓ Ｃ） ０ｂ和 ｓ ｌｓ ｌ ｏ ｙｒｇｏ ， Ｓ ， ｌ ｎ
原核生物来源 的 ， 具有 原 核 生 物 基 因 的特 点 。叶 绿 体 基 因 多
Ｂ ｙ ｔｎ等 首 次 用 野 生 型 叶绿 体 ＤＮＡ 转 化 了单 细 胞 生 物 一 ｏ ｎｏ 衣 藻 一 突 变 体 （ｔ Ｂ 基 因 突 变 体 ） 使 其 完 全 恢 复 光 合 作 用 ａｐ ， 能 力 ， 志 着 叶 绿 体 基 因 工 程 的 诞 生 Ｌ ； ９ ０年 ， 等 植 物 标 ２ １９ 高 烟 草 的 叶 绿 体 转 化 获 得 成 功 ， 绿 体 转 化 的 优 势 逐 渐 被 人 们 叶
项 发 现 引 起 了 人 们 对 叶 绿 体 遗 传 的 研 究 兴 趣 。 １８ ］ ９ ８年 ，
因 ， 巨 大 的 拷 贝 数 （ 个 叶 绿 体 中 ， 因 拷 贝 数 可 达 上 百 有 一 基 个 ； 个 细 胞 中 ， 因 的 拷 贝 数 可 达 上 万 个 ） 而 且 它 们 都 是 一 基 ，
物 病 毒 污 染 的 危 害 ；２ 低 耗 费 的 大 规模 生 产 能 力 。 （）
３２ 在 植物耐性 方面 。 绿体转化 也有广泛 的应用 ： ． 叶
３ ２ １ 除 草 剂 抗 性 ．．
基 因渐 渗 现 象 理 论 上 可 造 成 外 源 基 因 的 逃 逸 ， 实 际 上 很 少 但