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。花器官特异性基因是指当它们丧失功能时,会导致植物花程式改变的基因。当把1朵野生型的四轮结构(花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊)作为1个整体,突变体所表现出来的花器官位置混乱就可以被看作一种同源异型现象。因此,这类花器官特异性基因又被认为是1种同源异型基因。例如,当控制拟南芥花器官的基因A P3发生变异后,变异植株中的花瓣被同源转变为雄蕊,而当另1个控制花器官发生的基因P I发生变异后,变异株中的花瓣则被转变成花萼。通过观察各类单、双甚至三突变体中某一基因的器官特异性表达,就为这种相互关系找到了分子证据。

而拟南芥又很容易从其人工诱导产生遗传变异。通过物理的(如辐射处理)、化学的(如E M S处理)及生物的(如利用植物内源转座子或外源DNA片段插入法)等手段进行人工诱变处理,至今已获得了大量发生在不同基因位点的遗传变异株。拟南芥的这一特性,为我们进行遗传研究提供了极大的便利。

3　拟南芥在植物分子生物学研究中的应用

前面提到,拟南芥的基因组很小。正是由于其基因组小,基因组中具有高度重复、中度重复及低度重复DNA的比例就低,这一特点对分子生物学家来说,就意味着可以比较容易地克隆和研究感兴趣的基因,特别是有关植物生长和发育的基因。实验表明,在拟南芥基因组中,高度重复顺序只占10%～15%,中度重复只占7.5%左右,低度重复顺序只占1%左右,而余下的近80%的DNA基本上是用来构建单拷贝基因的。由于在基因组中编码某一具特定功能的产物的基因拷贝只有1个,如果其中某个基因的产物参与了植物个体形态发育过程,当该基因变异后,由于丧失的功能得不到额外拷贝基因的补偿,就会导致很显著的植物个体形态变异,这也是为什么在人工诱变拟南芥种子后,可以获得大量形态各异的、种类各别的和涉及植物发育各个过程的变异株。这些变异株为研究各基因在植物发育中的功能及其调节提供了良好的材料,例如,对拟南芥色氨酸生物合成途径的研究。我们知道,长期以来,色氨酸一直被认为是植物生长素吲哚乙酸生物合成的前体物质。由于拟南芥色氨酸生物合成具有相对简单和背景相对清楚等优点,已逐渐成为植物分子生物学家了解植物基因结构、表达与调控最重要的模式系统之一。目前,编码拟南芥色氨酸合成途径的7种酶蛋白的基因已经全部被克隆,并进行了不同程度的分子生物学研究。而对拟南芥色氨酸突变体trp2、trp3的研究表明,在植物体内存在着生长素合成的非色氨酸途径。

利用交叉杂交法对拟南芥中突变体基因的克隆也是利用植物变异株研究基因在植物发育中的功能的例证。因为从进化的角度看,不同种植物中行使类似功能的基因其一级结构极有可能相同或相似。因此,利用已克隆的一种植物的基因作探针去与其他种类植物的基因组杂交,理论上应该能钓到与其对应的基因。金鱼草中的D eficiens变异(对应于D EFA基因)及拟南芥中的apetala23(对应于A P23基因)变异在表型上有许多类似

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2001年第36卷第12期 生　物　学　通　报

之处,如花瓣都被转化成花萼,雄蕊被转化成雌蕊。因此,可推测在正常情况下D EFA及A P23在植物花器官发育中可能起类似作用。通过内源转座子标签法首先从金鱼草中克隆了D EFA基因,然后用D EFA基因片段作探针去筛选拟南芥的基因库,从中得到两类含同源序列的克隆,通过进一步的分子遗传学分析,最后证明其中1个是A P23基因。

但是,至今在植物中所克隆的与性状发育有关的基因的数目很有限,因而限制了该法的广泛应用。其实选用拟南芥作模式材料的1个主要目的,就是从中克隆那些与性状发育有关的基因,然后再应用到其他植物中去。近年来,随着植物发育基因克隆技术的不断发展,如mRNA差别显示技术,抑制性扣除杂交等基因克隆方法的应用,将有越来越多的植物发育基因被克隆。

4　拟南芥基因组计划的最新进展

由于拟南芥基因很小,加之近年来分子生物学技术的飞速发展,科研工作者已有能力对拟南芥整个基因组进行测序。由美国、德国等国家的多个研究机构共同协作的项目——拟南芥基因组计划进展顺利,目前该项目已接近尾声。由于基因组计划是以拟南芥的整个基因组为研究对象,因此,该计划的重要性是不言而喻的。

拟南芥基因组计划共分为3项内容:构建基因组的遗传图,构建基因组的物理图和测定基因组的DNA全序列。1999年7月,由德国的T hom asA ltm ann研究组、M ax P lank lnstitute of M olecular Genetics公司、美国宾夕法尼亚大学和华盛顿大学等研究机构已经完成了拟南芥染色体物理图谱的构建。这个覆盖全部拟南芥核染色体的物理图谱是使用细菌人工染色体(BA C)克隆制成的,它是由部分重复的8285BA C克隆构成,具有很高的可信赖性和分解能力。物理图谱的构建,极大地方便了对拟南芥的基因筛选,也为拟南芥基因组DNA全序列的测定提供了必不可少的“骨架”。就在拟南芥的物理图谱完成后不足一年,美国加利福尼亚大学伯克利分校等5个国际研究小组,已经完成了拟南芥1.2亿个碱基对中1.08亿个碱基对的测序工作,年底可望完成对全部碱基对的测序。这个接近完成的拟南芥的碱基序列图精度极高,每2万个碱基中只有1个错误,而且几乎没有碱基间空缺,是迄今为止所有基因组图谱中最好的一个。拟南芥基因组DNA全序列的测定,不仅标志着首次对一种高等植物基因组的成功测序,其更重要的价值还在于将为人们研究其他重要的经济作物如水稻等提供了模板。拟南芥已被广泛用于植物遗传学和分子生物学的各个方面。可以预测,随着拟南芥基因组DNA 全序列测定工作的完成,利用拟南芥作为模式材料,其研究结果将使人们对植物生长发育过程的认识有一个飞跃。

5　参考文献

　1　M eyerow itz,E M.A rabidop sis thaliana.A nnu Rev Genet, 1987,12:93—111.

　2　陈吉龙,马海飞.发育生物学进展.北京:高等教育出版社,1994,328—340.

　3　欧阳剑,李家洋.拟南芥色氨酸与吲哚乙酸生物合成研究进展.生物工程进展,1998,18(2):2—11.

　4　郝林.拟南芥——植物发育生物学和分子生物学实验的好材料.植物生理学通讯,1999,35(3):218—220.

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生态瓶的制做

为配合“生态系统”一章的教学,我用“生态瓶”做生物与环境之间的相互依存关系的演示实验,收到一定效果,现做简要介绍。

1　制做生态瓶

1.1　材料　100mL玻璃标本瓶1个,活小虾2～3只,池塘中的绿藻1小团。

1.2　工具　石蜡、烧杯、电炉和干净毛笔。

1.3　制做方法

1)将标本瓶冲洗干净,装入约900mL新鲜干净的河水,再向瓶内放入小虾和绿藻,然后盖上瓶盖。

2)将石蜡放入烧杯内,用电炉升温使杯内石蜡溶化,再用毛笔取石蜡液把瓶盖口密封好,使之不透气。

3)将上述制好的生态瓶放在窗台上,注意不能受阳光直射,防止水温升高,导致虾的死亡。这样小虾便可以在此密封的标本瓶内长期生存。

2　实验原理

在生态瓶内,小虾以绿藻为食,吸收绿藻光合作用放出的氧气得以生存。绿藻则依靠自身的叶绿素,利用阳光、水和小虾呼出的二氧化碳进行光合作用,合成自身需要的葡萄糖,同时放出氧气。小虾排出的粪便由细菌分解,分解后的粪便正好是绿藻的肥料。两者相辅相存,得以长期生存。

3　结论

小小生态瓶实际上是地球生态系统的缩影。在生态系统的教学中,演示生物与环境之间的相互依存关系,生动直观。该生态瓶制做容易,且可长期使用。

蒋传文(道县师范学校湖南道县425300)

(BF)

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