拟南芥的分子遗传学研究概况1)

到许多有用的突变体‘。也分离到一些与致病有关的 ， ’
基因〔 ” ‘ ，以及 与寄主专一 性有关 的基因 等【 。对致 ， 川
病过程有了一些了解，但致病过程的分子遗传机理是 十分复杂的， 仍需要进一步的研究。另外， 若只做病原
菌分子 遗传学 单方面的 研究，必然 不能最终 了解致病 的遗 传机理 ， 因此 ， 展植物方面 的分子遗 传学研究是 开 十分 必要的 ，对农业 的实际意 义也十分 巨大 。由于拟
其重迭部分，研究其基因功能。拟南芥基因组的其他 方面则为典型的被子植物，如Ｇ十Ｃ 含量和５甲基－ 一
胞喀咤水平均与 其他植 物无显著差 异 。
二、已克隆的墓因
研究拟南芥的各 种基 因，了解其发 育过程 中或 在 某 种环境条 件下 基因的表 达、 调控 ， 进一步了解 其他 对 植 物是 十分 有益的 。已经克隆 和分 析了许多拟南 芥的 基 因。其 中有拟南芥 中的一个 编码 种子 贮藏蛋 白的基 因 ， Ｐｕｔ 是 ｒｉ ｔ用编码 Ｂａｓ ａ ｐ ｓ的 １Ｓ 种 子贮 ｒｓ ｃ ｎ ｕ ｉ ａ ２ 藏蛋白的克隆 做探针 ，从拟南 芥的基因 文库中筛 选出 来的。拟南 芥的种子贮 藏蛋 白不象 其他 植物的贮 藏蛋 白具有多态 性 ，它在组 织 中及发 育过程 中时间上 的调 控归因于一 个基 因的活性 ， 这种研究 只涉及单一 序列 ， 而 不象 在其他植物 涉及大 的基 因簇 。还 有拟南芥 的光 诱 导叶绿体 ａｂ的结合蛋 白质是由核基 因编码 的 ， Ｚ 是 叶绿体 类囊体膜上 的复杂的光吸收 接受体 。实验证 实 它在拟 南芥中由 ３ 个基因编 码 ， 三 者存在于小 于 ６ ６ ｋ
三、ＲＦ Ｐ 图谱 Ｌ
现 已经开始建 立了许 多作 物的 Ｒ Ｌ 图谱， 着 ＦＰ 随 图谱的 逐步完善 ， 会通过易 检测的 Ｒ Ｌ 标记 来认 将 ＦＰ 识所 求基 因的 连锁关 系， 以及 染色体 上的位 置等， 促进 对变 种中基 因的认识， 并可能 转移相 关野生型 的新基 因，认识性不 亲合 植物 间的遗传 关系 。还有可能 利用
变频率不同， 对不同的基因诱变频率也不同『’ ’ 。对于 ‘ 拟南芥的许多基因来说， 通过筛选大约 ２０ 株 Ｍ，诱 ０。 （
变子二 代） 植株 则可获得一 个失去 某 种 功 能 的 突 变 体川 。用上述 诱变剂诱 变得到 了拟南芥 中存 在 的许 多 突变 ，几乎有 １０ 突变以经 典遗 传学 图谱 的形式归 ０个 于 ５ 连锁群 ，这个基 因图总 的遗 传学 距离有 ４ ７ 个 ３厘
． 今１ ．
种黄单胞杆菌后，叶组 织中叶绿素的变化情况‘’ ”。
Ｄ ｖｓ用 拟南芥的细胞培 养液做 为研究材 料，研究 了 ａｉ 植 物保护性 反应 的诱导特征 ，测定 了培养液 中酶学 的 变化，对 了解植 物保护反 应的诱导 产生等方 面具 有意
１８０００
１ ００ ０ ６ ０
３１ ００００ １２０ ００００ １１ ０００ ００ ３８ ０００００ ４４０００００
基 因突 变〔 ］ 拟南 芥具有许 多适合于 遗传学 研究的 １。 ３ 特 性， 日益 成为被广 泛应用的 实验室研究 材料。 现 对分子遗传 学方面的 研究进展 作一介绍 。
列， 均表明拟南芥中只有少量的、 分散的 Ｄ Ａ重复序 Ｎ 列〔，１Ｌｕｗｌｒ ２在 １８ 年发现拟南芥的 １－ ２２。 ｅｔｉ 等‘’ ９４ ｏｓ ｅ ０ ０
表 １ 拟 南芥基因大 小与其他植物 的比较
几卜兰一
拟南芥 ｓ ａ豆 棉花 烟草 大豆 豌豆 小麦
二倍体基 因组大 小 （ｂ ｋ）
基库的 因所＊一 文需 一
１６０００ １１ ００００ １８００００ ３７００００ ４４００００ １ ００００００ １ ４０００００
二倍体 基因组中 Ｄ ＮＡ 重 复数量
７００００ ４７００００ ７８００００ １ ６０００００ １ ８０００００ ４ ５０００００ ５９０ ０００
大量 的突变 为形态上畸 形， 如缺 少花瓣， 叶的形 状 或颜 色变化 ； 有的产生 对某 种化学 物质的抗 性 ， 抗氯 如 酸盐 “ 。缺 乏某种 激素的突 变 ； ” 或缺 乏发 育中的特定 组 织的致死突 变〔 ’ 也有的在 各种变化 的生 化 途径 中 ”； 编 码酶的 基因发生 变化 ， Ａ Ｓ（ 如 Ｌ 乙酸 乳酸脂合 成酶）
南芥是黄单胞杆菌 Ｘ ｃ ｐ． ｍ ｅｔｓ的寄主植 ． ｖ ｃ ｐｓ ｉ ． ａ ｒ
物 ，具有许 多适于 分子遗 传学研究的 特点 。以拟南 芥 为 寄主植物的 植物— 植物病 原菌分子 遗传学研究正
在迅速开展。Ｓｍｅｖｌ 研究了黄单胞杆菌在拟南芥 ｏ ｒｉｅ ｌ
上 的致 病性， 其一般病 症进行 了描述， 对 同时测定 了接
但叶的 转化率 还较低 ，近 年来发 展了转化其 根组织的 体 系［ １经转化可 以将某 种功能 的基 因转人 整个植物 ｔ。 ） 中， 以研究调 节基因 等， 且可能 引人单基 因到突变体 而 中使 之互 补突变位 点。 如 Ａ 基因 失活引起乙 醇脱 “ 氢酶缺 陷型的突 变株 ， 当引入 野生型编码乙 醇脱氢酶
的基因簇中，而其他植物中含有的编码这种蛋白的基
因远远 大于它 ， Ｐ ｎｍ ｉ 研究 了矮牵牛 的同种蛋 如 ｕ ｓ ｕｒ
用Ｔ ｉ质粒转化植物叶或茎组织的方法日益广泛 地用于植物的 Ｄ Ａ 转化工作１１ 在烟草已建立了 Ｎ １。 ４
四、农杆菌转化
较好的转化系统， 并已将这一体系应用于拟南芥「 ， ‘ ”
基 因 １。对进一 步克隆此 基因 提供了可能 。 ２ 拟 南芥的 Ｒ Ｌ 图谱是 以 Ｋ ｏｎ ｅｆ的连锁 图 ＦＰ ｏ ｒｎｅ 谱等工 作为基础 建立起来 的Ｌ ’ ’ ”急， 心 已有上百个 Ｒ Ｌ ＦＰ 标记 被定 位到 染色体上 ， 对克隆 许多未 知产物及其他 基因 等具有 重要 意义 。
因。 用标 记的大麦 Ａ ｈ 基 因片段与 拟南芥 的 Ｄ Ａ ｄｌ Ｎ
的基因到这个突变基因所在染色体上时，可恢复突变 的 Ａ ｈ基因的活性〔。拟南芥的 Ｔ ｄ ６ １ ｉ质粒转化是研 究其基因结构和功能的重要手段之一。
杂交， 筛选到这个基因。此基因序列分析结果表明， 它
与 大麦 的 Ａ ｈ 基因 有 ７ 的同源 序列 ， ｄｌ ０ 而两者蛋 白 质的氨基酸组成 则有多于 ８ ％ 是一致 的， ０ 而且 基 因结 构上也十分相 似。 许 多的拟南 芥基因通 过用来 自其他植 物的基 因杂 交 而克隆到 。如用西葫 芦 （ｑ ａｈ 的硝酸 盐还 原酶 Ｓｕｓ ） 基 因做探针 ， 克隆到拟 南芥的硝酸 还原 酶基 因〔 ’ 用 ”。 大 豆的 Ｒ Ａ 聚合酶 １ 基 因做探针 克隆到拟南 芥单 Ｎ １ 一 的 Ｒ Ａ 聚 合酶 １ 因。也有 例子 表 明拟南 芥的 Ｎ １基 基 因不少于其 他植物 ， （ ｔｂｌ 如 ３ ｕｅ ｎ基 因在 拟南芥 中 － ｉ 至少有 ７ 个或 许 １ 个 。 １ 拟 南芥的许 多基因是单拷 贝的 ，易于 操作 。 由于 植物进化 过程 中存在着遗 传保守 性，而且 许多拟南芥 的基 因与被子植 物包括单 、双子叶植 物基 因相互 的杂 交结 果表明 ， 两者具有 同源性 ， 因此 可以简单迅 速地从 拟南 芥基因组 中克隆 出所需基 因 ， 用它来做 探针， 再 从 有 经济价值 的植物 中分离同源 的基因 。而 且可以 利用 拟南芥的 许多基因是单 拷贝或小基 因簇这一 特点 ，对 已找到 的多基因或大基 因簇进行研 究，这 样比在其他 植物 中进行研究更容 易 、 更直接 。
１％序列 为高速复 性的序列 即为高度 重复序列 ，或 迥 ４
一、Ｄ Ａ的组成 Ｎ
实验证 明 ，拟南芥 是高等植 物中具有最 少基因组
的植物【”。 其二倍体基因组约为 ７０ｋ，仅为酵 ’’ ， ００６
母菌的 ５ ，大肠杆菌 的 １ 倍 ，比 豌 豆 的 基 因 组 倍 ５ ４００ ０６要小得 多，这样 易于 进行文 库筛选 ； 且 ５００ｋ 而 １４ ／ 的拟南 芥的基因组 可能是 编 码 蛋 白质所 必需的 ， 这个比例远 远高于 虹豆的 ４ ％０ 拟南芥 基因组 大小等
文重复序列， 多发生于编码 ｒＮ Ｒ Ａ的序列；２－２ ３ ７ 为中度重复序列，主要是来自叶绿体基因组； ５－ 而 ０ ５０为单拷贝序列。由于高度、中度重复的序列多为 ５ｏ １
编码 ｒＮ 、叶 Ｒ Ａ 绿体基因组的序列， 因此核基因组中
单 拷 贝的序 列比例更 高一些 ，是 高等 植物中单 拷贝序 列 比例最 高的植物 。因 此拟 南芥的基 因易于 被诱 变 和
五、植物— 植物病原菌相互关系的分子
遗传学研究
植 物的致 病与不 致病是植 物与病 原菌之间相 互作 用的 结果 。Ｆｏ ｌｒ曾提 出 ｇｎ－ｏ－ ｅ“的 理论， ｅｅｆｒｇｎ 此学 说在 许 多的植 物病 原菌— 植 物致病体 系中得到 初步 证实 。要从 本质上 了解植物的 抗病 、病 原菌的 致病过 程 ，还有 赖于进行两 个方面的分 子遗 传学研究 。近年 来植物 病原菌的分 子遗 传学研究有 了很大进 展，分离
这一技术象认识孟德尔因子一样，把复杂的多基因看
作一 个整体来 认 识它们的特 性 。随 着图谱的 完善 ，高
密度的 Ｒ Ｌ Ｆ Ｐ图谱提供了克隆未知产物基因的可能，
如克隆植 物的杭 逆性或抗 病性基 因 。Ｚ ｍｉ 报道了用 ａ ｒ
ＲＬ Ｆ Ｐ技术定位了西红柿抗 Ｆａｒ ｍ ｙｐｒ。的 ｕｓｉ ｏ ｓｏｕ ｕ ｘ
遗传
Ｈ Ｒ ＤＴ Ｓ ｅｊ ｇ １ （ ） ４－４ １９ Ｅ Ｅ ＩＡ （ ｉｎ ） ３ ： ２ ２ Ｂ ｉ ４ ０ ９
综 述
拟南芥的分子遗传学研究概况‘ ’
樊 妙 姬
（ 西农学 院实验 中心 ， 宁，３０５ 广 南 ５００）
拟南芥 夕 ｒｂｄｐｉｔａｉｎ） ａｉｏｓ ｈｌ ａ 是十 字花 科植物 ， ｓ ａ
．４ ０ ．
Ａｓｅｔ ｓａｃ ｉ Ａ ａ ｉｏ ｓｓ ｉｉｎ ｐｃ Ｒ ｅｒｈ ｒｂｄ ｐｔ ｔ ｌ ａ ｅ ｎ ｈ ｅ
１ ）本文承马庆生教授审阅并提出宝贵意见， 谨致谢意。
本文于 １９ 年 １ 月 ２ 收 到，１９ 年 １ 月 ‘日 ９０ ０ ９日 ９１ ２ 修
回。
用 Ｃ ｒｍ ｓｍ Ｗａ ｉｇ来克隆大 的功能片段 ， ｈｏ ｏｏ ｅ ｌ ｎ ｋ 分离
作为传统的遗传学研究材料已有４ 多年的历史‘，７ ０ １２ ９７
在 欧洲 、 亚洲 、 非洲、 澳大 利亚、 北美等地 ，均采 集到了 它 的种子 ， 在中国华 东、 华南 等地 均有分 布『。 拟南芥 ” 个 体小， 成熟后也 只有 ３ 厘米 高。而生 态特征 却较复 ０ 杂， 品种 间差异 也较大 ， 植物 方面详细 描述 已有文献记 载‘， ’ ”” 。 拟南芥的遗 传学研究始 于 １ ０ 年， ａｂｃ ９ ７ Ｌ ｉ ｈ观察 ａ
摩（ ）３ Ｃ ｔ０ Ｍ２ ｓ
到了拟南芥二倍体染色体为 ， ”， 对‘’并收集了许多不
同 的品 种〔 ＇ ４ 年 后， 和他 的学 生 Ｒ ｉｈｌ 成 功 ２ｏ ９ ０ 他 ｅ ｏ ｎ ｚ 地做 了第一 个诱变实 验〔’ 通 常用的诱 变剂有 Ｆ ’。 ８ ＭＳ 〔 甲基砒酸乙醋）辐 射、Ｘ一 线等 。 不同 的诱变剂诱 、 射
Ｆａ Ｍ ｓｏ ｉ Ａ ｉｉ ｅ ｉｗ ｎ ｏ ｅ ｕ ａ Ｇｅ ｅｉｓ ｎ ａ ｊ： Ｍ ｎ ｒｖ ｅ ｏ Ｍ ｌｃ ｌｒ ｎ ｔｃ
与其他作物的比较见表 １ 。
Ｄ Ａ 重组 动力学 （ ｉｅ ｃ ａ ｓ ｏ Ｄ Ａ Ｎ ｋｎｔ ａ ｌ ｉ ｆ Ｎ ｉ ｎ ｙ ｓ ｒ ｓｏｉ ｉｎ 和基因组 特征分 析， 随机筛 选拟南芥 ｅ ｓｃ ｔ ） ａ ａｏ 及 的 重组 又 克隆 的方法来 分析拟 南 芥 的 单 一和 重复序
白的基因， 表明它至少有 １ 个甚至更多的基因编码这 ６
种蛋 白 。 而拟南芥叶绿 体 ａｂ 结合蛋 白的 ３ ／ 个基 因 产物， 经运输后产生同样 的产物 ， 此蛋 白质也不具 多态
性。
另一个与其他 植物不 同的基因是 编码乙 醇脱ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ氢酶
（ ｄ）的基因〔。拟南芥中只有一个 Ａ ｈ基因，即 Ａｈ ” ｄ 单拷贝基因， 而其他植物中至少有２ 个或 ３ Ａ ｈ基 个 ｄ