植物基因同源重组研究现状

的染色体内同源重组频率相似。
" 基因打靶
基因打靶技术在转基因小鼠上应用比较成功， 但在植物上的应用还很少。在植物上 进行的基因打靶实验最初是以因突变或缺失而丧失基因正常功能的选择性标记基因作为 打靶对象， 构 建 基 因 打 靶 载 体， 通过基因打靶而使基因恢复功能 （ ;#?(*@A?*) 等， +,BB； 的实验中， 植物基因打靶技术在基础研究 C#1D=<% 等， +,,.； EDD%)$F# 等，+,,5； &<< 等， +,,5） 方面得到了应用， 如研究植物体内某一基因的功能 （ ;#%* 等， +,,B； 4GD 等， +,,9； 3H>#<D<% 和 。基因转移采用两种方法： 一是经过改进的 ;L0 介导法， 采用此 I%’J， +,,9； K#H* 等， +,,9）
2+3)45 !6 7)8)* !6 ,99: ; "%<=>*?5%+ %@ (%<%4%3%&5 *)A%<B?+>’?%+ @*)C&)+A?)5 ?+ 5%<>’?A A)445 %@ =)’&<> >+D ’%B>AA% 5&33)5’ ’E% D?5’?+A’ *)A%<B?+>’?%+ =>’(E>85; 10&’% 23 ! F 19 0 GH I>4 $ 6 !?5>+6 J%(+ K6 I*?<54)8 L6 J%(+ M6 ,99, ; I)+%<?A (%<%4%3%&5 *)A%<B?>+’?%+ ?+ =4>+’>; 4567 23 "# F ,1H, 0 ,1HN J>4@’)* O6 7%**?5 ! "6 P?44<?’Q)* R6 ,99: ; I)+) ’>*3)’?+3 ?+ +,&("-$8.". %/&0"&’& ; 5$09#)0&, :9’9 ;9’9%"#. 3 !$" F ,NG 0 ,9S T>AU K6 $?)B&*’( R6 7)8)*%E?’Q 26 ,99H ; K>*3)’)D <?5)V=*)55?%+ %@ WIW7XO$ ?+ E(%*4 : %@ +,&("-$8.". @4%E)*5; 10&’% 23 "" F N:1 0 NS9 R)) Y Z6 R&+D !6 R%E) Y6 [&+5<&?* !6 ,99- ; J%<%4%3%&5 *)A%<B?+>’?%+ ?+ =4>+’ A)445 >@’)* W3*%B>A’)*?&< <)D?>’)D ’*>+5@%*<>’?%+ %@ A>&4?@4%E)* <%5>?A \?*&5 [LW; 10&’% <900 3 !% F /,1 0 /:1 R8Q+?U R6 7AI)) T [6 K&+3 ! K6 M)++)’Q)+ T R6 J%D3)5 T Y6 ,99, ; J%<%4%3%&5 *)A%<B?+>’?%+ B)’E))+ =4>5<?D [LW <%4)A&4)5 ?+ <>?Q) =*%’%=4>5’5; 5$0 :9’ ;9’9% 3 !$# F :-9 0 :,N X@@*?+3> #6 D) I*%%’ 7 T W6 J>>35<>+ J T6 [%)5 7 !6 ]>+ D)+ 24Q)+ ! T 76 ,99- ; 2V’*>A(*%<%5%<>4 *)A%<B?+>’?%+ >+D 3)+) ’>*^ 3)’?+3 ?+ =4>+’ A)445 >@’)* W3*%B>A’)*?&<^<)D?>’)D ’*>+5@%*<>’?%+ ; 4567 23 % F S-HH 0 S9N/ !>5QU%E5U? T6 M>&* 76 M%3&AU? W6 !%’*U&5 R6 ,9NN ; I)+) ’>*3)’?+3 ?+ =4>+’5; 4567 23 & F /-:, 0 /-:G !)’)*(>+5 W6 $A(4_=<>++ J6 M>55) "6 !>5QU%E5U? T6 ,99- ; ‘+’*>A(*%<%5%<>4 *)A%<B?+>’?%+ ?+ =4>+’5; 4567 23 % F S/SH 0 S//1 !>*U T 76 "(% T J6 Y>+3 $ I6 T>+3 J T6 !?( Y K6 !?>% J R6 "(% 7 T6 JE>+3 ‘ 6 ,99N ; W D8+><?+^4?U) =*%’)?+ ?+ +,&("-$8.". %/&0"&’& ?5 ?+\%4\)D ?+ B?%3)+)5?5 %@ ’(84>U%?D <)<B*>+)5; 4567 23 "& F N19 0 NGH #&@ $6 Y%55)4 J6 M%AU #6 ,99H ; K>*3)’)D ?+>A’?\>’?%+ %@ > ’%B>AA% ?+’*%+^A%+’>?+?+3 %=)+ *)>D?+3 @*><) *)\)>45 > +%\)4 A(4%*%=4>5’^)+^ A%D)D =(%’%585’)< ‘^*)4>’)D 3)+); 2 <900 6"$0 3 "$% F 1:S 0 1S$A(>)@)* [ I6 a*8D T !6 ,99H ; 2@@?A?)+’ 3)+) ’>*3)’?+3 ?+ ’() <%55 1/=.#$*"%,900& 8&%9’. ; 10&’% 23 "" F ,,91 0 ,:-G
植物基因同源重组研究现状 !
张秀海 孙勇如
（中国科学院遗传研究所 北京 !""!"!）
摘要
同源重组是普遍存在的生物学现象， 从噬菌体、 细菌到真核生物均有存在。它对生物的遗传与变
异具有重大影响， 一直是生物学家研究的热点。本文从染色体外同源重组、 染色体内同源重组以及基因 打靶三个方面综述了同源重组在植物方面的研究现状。从分子水平上较详尽的介绍了同源重组发生的 机制以及同源重组在生物领域的应用、 前景展望及其存在的局限性。 关键词 同源重组，染色体外同源重组，染色体内同源重组，基因打靶
wk.baidu.com图!
同源重组发生机制示意图
在 )*+, 模型中， 不同的 =.009-6> 拆分形式产生两种结果 I、 # 分别代表两条不同的染色单体，
.期
张秀海等：植物基因同源重组研究现状
+M,
! 染色体内同源重组
染色体内同源重组通常发生在植物细胞内的重复序列之间。人们一直对植物体细胞 内发生的染色体内同源重组事件研究甚少。究其原因， 由于研究者一直未找到理想的可 直接观测的标记基因， 所以进展缓慢。近来由于一些易检测的标记基因的出现 （如 !"# 基因） ， 情况得以改观。针对染色体内同源重组的研究， 人们共建立了三个实验系统。 （ &’($)* 等，+,,+） ， 实验以拟南芥、 烟草植株作为 !） 最初的研究采用 "#$% 标记基因 材料， 通过对植株的原生质体或种子进行卡那霉素抗性筛选， 得到经染色体内同源重组事 件后的植株。但该实验系统的缺点在于对植株的筛选仅局限在子叶阶段。 -） 第二个实验系统是建立在转基因的拟南芥和烟草植株上。它避免了对转基因 植株的筛选， 它能够在植株发育的整个阶段对重组事件进行分析。在这一系统中， 将两个 经修改的 !"# 基因作为正向重复插入到植株的基因组中， 染色体内同源重组事件的发生 导致 !"# 基因功能的恢复， 从而可以通过组织化学法检测出来 （图示 .） 。 /） 第三个实验系统是由转基因油菜 （ $%&’’()& *&+,’ ） 组成 （ 0#1 等，+,,+） 。这一系 统可以在许多植物中监测染色体内同源重组 事件的发生。多体花椰菜病毒由两种病毒株 系组合而成， 但它本身已不具备病毒的特征， 即使转入植物也不能表现病毒症状， 但经染 色体内同源重组可使其中一种病毒恢复功 能， 表现症状。通过农杆菌介导将其转入油 菜基因组中。在转基因症状的后代可以产生 病毒。通过病毒所引发的症状， 就可以鉴定 基因重组。这一系统具有明显的优点： 可以
图. 染色体内同源重组
在不损失植株的情况下监测染色体内同源重 组； 具有高度敏感性和可以区别植物体内发 生的不同染色体内同源重组等等。
染色体内同源重组的发生大部分采用 23-4 模式。染色体内同源重组发生频率比较
9 低， 大约为 +5 6 7 8 +5 6（某些特例可达到 （ ;<=<%>#$? 等， ， 这和在动物体内发生 +5 6 : ） +,,5）
!"# $#%#&’(" )* +),)-).)/% $#(),012&31)2 12 4-&23%
#$%&’ ()*+$,) -.& /012+3*
（ !"#$%$&$’ () *’"’$%+# ，,-’ .-%"’#’ /+01’23 () 4+%’"+’# ，45)6)12 !""!"!）
50%3’&(3 $0708020*9 :5;07<)1,=)01 )9 , ;07701 <)0802);,8 >?51075101 @ A= ?,9 )7>0:=,1= )7>,;=9 01 )1?5:)=,1;5 ,1B C,:),=)01 @ D?)9 ,:=);85 2)C59 , :5C)5E 01 5F=:,;?:070907,8 :5;07<)1,=)01，)1=:,+ ;?:070907,8 :5;07<)1,=)01 ,1B 2515 =,:25=)12 @ 6#7 8)’9% $0708020*9 :5;07<)1,=)01，GF=:,;?:070907,8 :5;07<)1,=)01，A1=:,;?:070907,8 :5+ ;07<)1,=)01，’515 =,:25=)12 基因的同源重组是较普遍的生物学现象， 从噬菌体、 细菌到真核生物都有存在。生物 中的基因重组分为两种： 一是同源重组， 另一是非同源重组。!HIJ 年， 加利福尼亚大学伯 克利分校的 %@ K0?1 L8,:M 就对 5 6 +(7% 的重组进行了基因分析， 并发现了与基因同源重组 有关的酶 35;% 及 35;4LN。近来在哺乳动物细胞内也发现与之相类似的酶系统。在基因 重组的研究中， 发现一个可被 35;4LN 酶系特异识别的序列 （ L?) 位点） ， 在目的基因两侧 加上 L?) 位点， 重组效率可提高 I" 多倍。 同源重组在植物上的研究是最近几年才开始的。人们采用三种不同的方法研究植物 的同源重组： 染色体外同源重组 （ 5F=:,;?:070907,8 :5;07<)1,=)01， 简称 GL3） 、 染色体内同源 重组 （ )1=:,;?:070907,8 :5;07<)1,=)01， 简称 AL3） 和基因打靶 （ 2515 =,:25=)12） 。
,/-
植物学通报
,H 卷
种方法已经在烟草 （ !"#$%"&’& %&(&#)* ） 及拟南芥 （ +,&("-$.". %/&0"&’& ） 进行了基因打靶， 对基 因打靶结果采用特异 !"# 扩增及基因组 $%&’()*+ 杂交技术进行检测。另一个是农杆菌介 导法， 基因打靶频率约为 ,- . / 0 ,- . 1 。与在动物胚胎干细胞上进行的基因打靶相比， 在 植物上的基因打靶技术还远没发展为一项常规的转基因方法。 研究植物同源重组在植物上的进展具有重要意义。植物同源重组为植物育种工作者 提供了一个崭新的思路和方法， 同时也为植物基础研究开拓了新途径。 参 考 文 献
植物学通报
（Q） ： Q"""，:; !PR S !T"
!"#$%&% ’())%*#$ +, ’+*-$.
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
: 染色体外同源重组
染色体外同源重组在植物细胞内的侵染病毒 N&% 之间以及农杆菌 D+N&% 之间自然 发生。目前最便捷地分析植物细胞内发生的染色体外同源重组通常采用向植物细胞中转 入带有某一缺失片段的特殊标记基因， 通过染色体外同源重组将带有缺失片段的特殊标
! 国家自然科学基金资助项目。 收稿日期： 接受日期： !HHO+!!+!! !HHH+"!+"P
责任编辑： 程红焱
!%J
植物学通报
!K 卷
记基因修复， 依靠该标记基因的瞬间表达或在植物体内稳定表达而检测。染色体外同源 重组具有高效性， 其重组率为 !" # ! $ !" # % ， 重组频率随着同源序列长度增长而增加。在 植物细胞中 &%’( 的同源序列就可以产生染色体外同源重组事件。染色体外同源重组的 发生有两种机制模型。一是 )*+, （ -./’01234567- ’5168 51(695） ， 另一为 **: （ 397;01234567- 672 （如下图 ! 所示） 716097;） < 对于 )*+, 来说一个单一的双链缺口是 )*+, 发生的前提条件。 双链缺口在细胞内核酸酶作用下， 缺口增大， 在重组酶的作用下， 同源序列之间发生重组 交换， 缺口被修复。在这一过程中产生两个 =.009-6> 结构， 结果导致基因的交换。染色体 外同源重组大部分通过 **: 形式。但是， 植物的染色体外同源重组与其它更高等的真核 生物的染色体外同源重组有很大的差异。植物染色体外同源重组发生在裸露的 )?: 分 子之间， 而且侵染的 )?: 分子也没有高度有序的染色体包装结构， 很容易被活化和被核 酸酶切割。这也是植物染色体外同源重组效率较高的原因。在植物染色体外同源重组 中， 特殊的基因序列可以提高重组效率。一个 @+* 序列 （ 45673A.5B649.7 ’..3415 31C/17D1） 可 以将重组效率提高 E $ & 倍 （ F7;103 和 G1>15，!HHE） 。