植物乙烯受体及转基因育种研究进展
特约评述
INV ITED REV IEW
植物乙烯受体及转基因育种研究进展
韩继成
河北省农林科学院昌黎果树研究所,昌黎,066600
通讯作者,hanjicheng@sina1com
摘要
在对模式植物拟南芥的遗传学和分子生物学的深入研究中,获得了乙烯应答过程中大量的突变体,分离了编码乙烯受体的基因,其编码产物的结构和功能也已得到鉴定,一些乙烯受体基因已用于转基因植物的研究。本文对近几年已确认的乙烯受体基因突变体,对乙烯受体基因的遗传途径、表达模式及其编码产物的结构、功能及其相互关系做了综述。探讨了利用乙烯受体基因进行转基因植物研究的可行性。
关键词
乙烯受体,结构与功能,信号转导,转基因
Research Progress on Plant Ethylene Receptor and its Transgene
Han Jicheng
Changli Institute of Pomology,Hebei Academy of Agriculture and Forest,Changli,066600
Corresponding author,hanjicheng@sina1com
ABSTRACT
A large number of mutants for responsing to ethylene have been acquired,several genes encoding the ethy2 lene receptor have been isolated and their structure and function were also identified,a few ethylene receptor genes have been introduced into plants as well,which are benefited from the deep researches in genetics and molecular biology on the model plant,A rabi dopsis thaliana.In this paper the author summarized the types of the ethylene response mutants,the genetics and expression mode of ethylene receptor genes,the structure and function as well as their interaction of products encoded by ethylene receptor genes,and also discussed the feasi2 bility of transgenic plant research using ethylene receptor.
KEYWORDS
Ethylene receptor,Structure and function,Signal transduction,Transgenic plant
乙烯是高等植物中生长和发育的内源调节剂及胁迫应答的信号分子,它在果实成熟、性别分化、不定根及胚根的分化与生长、豆科植物根瘤的形成、植株器官的衰老、脱落与死亡、植株诱导性系统抗性、胁迫应答等生长发育的基本过程中起重要作用。
分子植物育种,2004年,第2卷,第2期,第157—163页Molecular Plant Breeding,2004,Vol12,No12,157—163
乙烯感知和信号转导的初始成分是乙烯受体,它能与乙烯结合,引起自身结构变化,启动或抑制相关基因的表达,是乙烯生物合成和信号转导途径中的一个关键信号因子,决定植物对乙烯的敏感能力,控制植物成熟和衰老的进程以及对环境刺激的应答。相对于人们对乙烯生物合成途径的了解而言,有关植物感知乙烯及其信号转导机制的知识了解甚少。显然深入了解乙烯感知和信号转导途径,对控制植物发育、调节切花和果实的采后寿命具有潜在的商业应用价值。近十年来,应用黄化苗三重反应(Guzman and Ecker ,1990)在乙烯受体及其信号转导方面的研究已取得很大进展(K ieber ,1997),通过诱变和遗传筛选已得到大量的乙烯应答突变体(Ecker ,1995),并克隆了5个受体基因et r 1(ethylene response 1)、et r 2(ethylene response 2)、ei n 4(ethylene i nsensitive 4)、ers 1(ethylene response sensor 1)、ers 2(ethy 2lene response sensor 2)。在西红柿(Lanahan et al 1,1994;Wilkinson et al 1,1995)和大豆(Xie et al 1,1996)等植物中也筛选到乙烯应答突变体。同时在包括西红柿和大豆在内的许多作物如水稻、玉米、矮牵牛、玫瑰、香石竹、西番莲、黄瓜、香瓜、芒果、苹果、梨等克隆了大量的乙烯受体基因。大量研究表明,乙烯受体基因是一个基因家族,弄清乙烯受体基因的保守性和多样性对深入利用乙烯受体基因调节植物生长发育进程、延缓植物衰老具有重要意义。
1乙烯受体基因突变体
通过化学药剂诱变,目前已从拟南芥得到了et r 1、et r 2、ei n 4、ers 1(Bleecker et al 1,1988;Hua et al 1,1995)和ers 2(Hua et al 1,1998)5个乙烯受体基因突变体和与乙烯信号转导及胁迫应答有关的另一突变体ei n 2(Alonso et al 1,1999),从西红柿中得到了never ripe 突变体(Lanahan et al 1,1994),在大豆中得到了et r 1突变体。et r 1是第一个在拟南芥中被鉴定的单基因遗传的显性突变体,该突变体对乙烯介导的其他反应也不敏感,如:种子萌发的启动、过氧化物酶活性的加强、离体叶片衰老的加速和乙烯生物合成的负反馈等,在et r 1突变体中,由乙烯诱导的目标基因的转录也被阻止(Lawton et al 1,1995)。与et r 1相似,其他4个乙烯受体基因突变体et r 2、ei n 4、ers 1和ers 2也是乙烯应答不敏感突变体,它们的许多
表现型与et r 1突变体相似。其中,et r 1、et r 2、ei n 4突变体有显著的乙烯不敏感,推测在乙烯信号转导的早期就起作用(Bleecker and Schaller ,1996)。
ei n 2位点上的突变体引起对外源和内源乙烯的不敏感性。现有的ei n 2的25个等位基因突变体。除了ei n 2～9外,所有的等位基因突变体在形态、生理和分子水平上显示完全的乙烯不敏感性。ei n 2突变体也可在筛选抗生长素转运抑制剂、细胞分裂素和脱落酸拟南芥突变体的过程中获得。ei n 2是目前已知的唯一的该基因功能丧失导致完全的乙烯不敏感。
2乙烯受体基因及其编码产物的结构
现有的关于乙烯受体基因及其编码的蛋白质的结构和功能,主要来自于拟南芥。基于序列相似性和整体基因结构,乙烯受体家族分为两个亚家族:即亚家族I 和亚家族II 。亚家族I 包括et r 1和ers 1,亚家族II 包括et r 2、ers 2和ei n 4(Hall et al 1,2000)。同一亚家族内氨基酸序列有较高的相似性,最高可达79%,不同亚家族间的相似性为57～65%。
应用图位克隆方法,首先克隆了et r 1基因(Chang et al 1,1993),应用et r 1的cDNA 为探针进行低严格度杂交克隆了ers 1(Hua et al 1,1995),应用化学诱变和遗传筛选克隆了et r 2(Sakai et al 1,1998),利用et r 2的cDNA 为探针克隆了ers 2和ei n 4(Hua and Meyerowitz ,1998)。通过比较et r 1基因组DNA 与cDNA 的序列,该基因含有六个内含子,其中一个位于5′非编码区的头部,编码区是一个编码738个氨基酸的单一开放阅读框,目前已发现4个等位基因突变体,每一个突变体都是单核苷酸替换而导致的错义突变,所有4个突变体的突变位点均位于推定的蛋白质的氨基末端区。该基因编码的乙烯受体蛋白氨基末端与已知的任何蛋白质的氨基末端没有相似性,但是羧基末端与细菌两组分信号转导系统的感觉器和应答调节器有很高的相似性,并包含有在细菌中保守的组氨酸蛋白激酶所特有的五个基序(H 、N 、G 1、F 和G 2)(G amble et al 1,1998)。
在4个et r 1类似基因中,ers 1最接近于et r 1。与et r 1相似,ers 1基因突变也导致乙烯不敏感(Hua et al 1,1995),ers 1有5个内含子,其编码的蛋白质与ETR1有67%的相似性,氨基末端的
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Molecular Plant Breeding
相似性达到79%,羧基末端的相似性为58%。在其羧基末端也含有组氨酸蛋白激酶保守的五个基序,但是ERS1羧基末端比ETR1少125个氨基酸。通过在酵母中的异源表达,ERS1形成一个膜结合的、以二硫键形成的二聚体,具有乙烯结合位点。乙烯结合的竞争物1-methylcyclopropene (1-MCP)与ETR1和ERS1有相同的结合乙烯的能力,说明ETR1和ERS1有相似的乙烯亲和力(Hall et al1,2000)。
et r2在其编码区被一个短的内含子隔成2个外显子,而在其5′非编码区也有一个内含子。et r2编码的773个氨基酸的蛋白质,与ETR1和ERS1序列相似性最高,与ETR1有整体的序列相似性:包含一个氨基末端区、一个假定的组氨酸蛋白激酶区和一个接受区。而且ETR2有一个独特的结构:在其氨基末端伸展区有第4个疏水片段。ETR2与ETR1和ERS1有几乎一致的相似性(分别为65%和63%的相似性),氨基末端与ETR1和ERS1有71%的相似性,在推定的组氨酸蛋白激酶区与ETR1和ERS1的相似性较低,分别为58%和56%。不同于ETR1和ERS1,ETR2中的组氨酸蛋白激酶与细菌组氨酸蛋白激酶的5个保守的基序(H、N、G1、F和G2)稍有不同, ETR2在H基序,作为磷酸化位点的保守的组氨酸残基被谷氨酰胺残基所替代,并且在ETR2中没有发现G1和F基序。
ei n4包含一个内含子。其编码的蛋白质有766个氨基酸,分子量为86kd。与ETR2有53%的一致性及74%的相似性,与ETR1和ERS1分别有62%和60%的相似性。此外,通过单个区域的比较,EIN4与ETR2比ETR1和ERS1有更近的亲缘性。EIN4的N-末端(1-347位置)与ETR2有61%的一致性及78%的相似性。与ETR2相似,相对于ETR1和ERS1,在极端N-末端区,有额外的疏水骨架,EIN4蛋白质的中间区段(348～631位置)是一个假定的组氨酸蛋白激酶区,与细菌组氨酸蛋白激酶的保守序列相比,它比ETR1和ERS1更加分散。它与ETR2对应位置的序列有69%的相似性,而与ETR1和ERS1有53%的相似性。其磷酸化位点组氨酸残基(H -377)不在推定的位置,C-末端区域与ETR2的接受区有70%的序列相似性,与ETR1有66%的相似性。在细菌两组分调节器中保守的两个天门冬氨酸(D-648和D-694)及一个赖氨酸残基(K-746)存在于EIN4的相应位置。
通过对来自于三个ei n4突变体的ei n4基因序列分析,发现一个错义突变体。ei n4-1和ei n4-
2包含一个A-T的转换,从而导致跨膜片段II 上84位置的异亮氨酸由苯丙氨酸所替代。这个变化与et r1-4和ers1中是一样的(Chang et al1, 1993;Hua et al1,1995)。ei n4-3包括一个C-T 转换,ers2基因有一个内含子,编码的蛋白质含有645个氨基酸,与前四个乙烯受体蛋白质(ETR1、ETR2、EIN4、ERS1)有序列相似性,但没有接受区。与ETR2和EIN4相似,在其氨基末端有第四个跨膜片段,三个疏水片段是潜在的乙烯结合位点。
以拟南芥et r1基因为探针或根据已知et r1核苷酸序列设计引物,采用探针筛选或PCR扩增的方法,相继从各类植物中不同生长期的cDNA文库中克隆到与et r1高度同源的乙烯受体编码基因,所涉及的农作物品种包括水稻、马铃薯和烟草等;蔬菜品种如番茄、茄子、甘蓝和豌豆等;瓜果品种如苹果、香蕉、甜橙和甜瓜等;花卉品种如石竹、蔷薇和天竺葵等,这些乙烯受体基因相互之间有57%～75%的序列相似性。推测的编码蛋白质序列之间结构相似,尤其是与乙烯结合有关的位点上的氨基末端序列相似性最高,表明乙烯与其受体的结合位点具有高度的保守性。
3乙烯受体基因家族的表达
拟南芥中,通过原位杂交,明确了乙烯受体家族的表达模式及表达部位。ei n4和ers2突变体在许多组织和几个发育时期影响乙烯的应答,表明ei n4和ers2在时间和空间上广泛表达。应用R T2PCR和RNA斑点杂交方法证明两个基因实际上在许多组织中表达。ei n4和ers2的RNA信号在黄化苗、成年植株的叶片、茎、根和花中都可以检测到。
ers1的表达普遍存在。但ers1的信号在幼嫩和小的细胞中比较老的和较膨大的细胞中更强。ers1在胚、叶片和黄化苗的茎中也可以检测到,特别是在前形成层细胞中。ers1在幼嫩的花原基和花器官原基中表达强烈,在花药室有非常强的表达。ers1也在发育中的心皮的隔膜中表达,随后在心皮中表达,包括胚珠。
et r1的表达模式在黄化苗和叶片中与ers1相似,但表达水平低。在茎和花中的表达与ers1的
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模式相似并且表达水平相当。类似于ers 1,et r 1在花药室和发育中的心皮强烈表达。在胚珠和后心皮发育中也有表达。
et r 2在胚、黄化苗、叶片、茎和幼花原基中的表达模式类似于et r 1和ers 1,但在花中的表达模式稍有不同,与et r 1和ers 1相反,在雄蕊中有较强的表达。et r 2在发育中的心皮,特别是在株柄和胚珠中表达强烈(Sakai et al 1,1998)。
ei n 4在胚、黄化苗、叶片、根和花中表达。在雄蕊的花药室,包括发育中的花粉细胞和绒毡层细胞中表达强烈,发育中的心皮中也有高水平的表达。
ers 2在黄化苗、叶片、根和茎中表达。在花中有更高的表达。雄蕊,特别是绒毡层细胞核发育中的花粉细胞以及发育中的心皮、胚株和胚柄表达强烈,在花发育的后期,ers 2表达集中于隔膜的表皮层,在其他4个基因中未发现此现象。
在其他植物中虽然还没有分离到全部的乙烯受体同源基因,但已分离到的乙烯受体基因均具有类似的表达模式,不同的受体基因在不同器官、不同发育时期有不同的表达模式,并且有不同的调控机制,如香瓜(Sato 2Nara ,et al 1,1999)、西红柿(Tieman and K lee ,1999;Zheng et al 1,2001;郑铁松等,2001)、西洋梨(李正国等,2000)等。
4乙烯受体与乙烯信号转导
ERS1和ETR1在信号转导上具有相似的生物
学特性,但由于它们的结构不同,可能导致信号转导量上的不同。ERS1缺乏应答调节器,而应答调节器常与磷酸转移有关,这必然引起信号向下游传递的不同。
乙烯受体家族感知乙烯,通过受体的组氨酸蛋白激酶区的磷酸化将信号转移给一个与动物Raf 激酶类似的负调节乙烯信号转导过程的下游组分蛋白质CTR1(K ieber et al 1,1993)。在动物中,Raf 激酶特异性的通过一个有丝分裂素激活蛋白(MAP )激酶的磷酸转移级联反应起作用。因此,乙烯信号转导同时具有细菌两组分系统和真核生物的MAP 激酶途径的特性。乙烯信号途径的下游组分蛋白包括转录因子的EIN3/EIL (EIN32L I KE )家族(Solano et al 1,1998)。遗传数据表明EIN2介导了CTR1与EIN3/EIL 之间的基本的信号增殖。
EIN2的内膜区域的氨基末端与病原相关的金
属离子转运器的Nramp 家族有相似性。EIN2CEND 的表达可组成型激活乙烯应答和并且恢复突变体的茉莉酸和百草枯诱导的活性氧应答功能。因此,EIN2是最终引起蛋白激酶级联反应而导致与此相关的基因的表达的中心分子。
生化分析显示,用et r 1转化的酵母有高活性的乙烯结合位点,且该结合具有饱和性(Schaller et al 1,1995)。ETR1的乙烯结合区结构模型推测为一个铜离子与氨基末端疏水区的氨基酸共同作用介导乙烯的结合(Rodriguez et al 1,1999),et r 1在酵母中表达并证明具乙烯结合活性(Schaller et al 1,1995;Hall et al 1,2000;Rodriguez et al 1,1999)。研究还表明ETR1的某些显性突变体丧失了乙烯的结合能力,也有一些突变体不影响乙烯结合但影响受体信号转导(Hall et al 1,2000)。
酵母双杂交实验表明ERS1的激酶域与CTR1(K ieber et al 1,1993)相互作用,但与ETR1相比,亲和力小,这两个乙烯结合亲和力不同的受体也可能引起下游信号转导的不同。ERS1的mR 2NA 的表达是受乙烯诱导的,而ETR1不是(Hua and Meyerowitz ,1998)。et r 1、ei n 4、ers 1、ers 2的显性突变体表型与et r 1突变体的有许多非常相似的地方。
序列分析显示乙烯受体编码杂和组氨酸激酶,该激酶N -末端有三个跨膜的疏水区,但没有明显的膜外区。ETR1有自我磷酸化活性,并作为同型二聚体通过跨膜区的酪氨酸残基的二硫键直接结合乙烯(Schaller et al 1,1995)。另外通过序列相似性,从拟南芥中克隆了et r 1相近的基因ers 1和ers 2,并都与乙烯感知有关(Hua et al 1,1995;Hua and Meyerowitz ,1998),其编码的蛋白不象ETR1、EIN4和ETR2,只有激酶区域,没有接受区域。相对于野生型植株,针对et r 1-4突变体的一个核苷酸变化而改变ers 1和ers 2的表达导致显著的乙烯不敏感,说明ERS1和ERS2在乙烯感知中起重要作用。
然而从烟草中克隆的一个假定的类似组氨酸蛋白激酶的乙烯受体NTHK 1没有组氨酸蛋白激酶而具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性(X ie et al 1,2003)。因此,乙烯信号转导有可能存在其他途径。
5乙烯受体基因的重要功能
乙烯受体基因在果实发育中的表达。在西红柿、香瓜和西蕃莲中,乙烯受体基因家族不同成
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员之间在不同的发育时期和不同的器官中的表达模式不同,并各自受不同的分子机制调控(Zhou, et al1,1996;Lashbrook et al1,1998;Payton et al1,1996;Kato et al1,1997;Lanahan et al1, 1994;Takahashi et al1,2002;Sato2Nara et al1, 1999;Mita et al1,2002)。例如,在西红柿的营养器官和生殖器官中组成型表达的ETR1同源基因;香瓜中,CmERS1mRNA水平在完全膨大的果实组织中都低,而在种子和胎座中非常高,在成熟期,Cm E T R1mRNA水平平行于乙烯产量显著跃变之前,在果实的果皮部位的含量有轻微的增加。
乙烯受体基因影响花的性别决定。黄瓜植株的性别决定一般由F和M位点控制,这些位点的相互作用产生三种性别表现型:纯雌植株、雌雄同株和纯雄植株。ACC合成酶则与F位点连锁,控制雌花的发育(Trebitsh,et al1,1997),而乙烯信号转导可能影响M位点的产物,从而影响黄瓜植株的雄花发育(Yamasaki et al1,2001)。通过从黄瓜植株中分离三个乙烯受体相关基因cs2et r1、cs2etr2和cs2ers,其中cs2et r1和cs2ers mRNA在纯雌植株中的有更多积累(Yamasaki et al1,2000)。
乙烯受体基因能调节豆科植物根瘤的形成。应用乙烯不敏感突变体和乙烯受体基因遗传转化体进行的研究表明,乙烯及其受体在豆科植物豌豆(Pisum sativ um)和Medicago t runcat ula是控制根瘤形成过程中信号转导的一个组分(Pen2 metsa and Cook,1997),而利用大豆的乙烯不敏感突变体etr1-1研究证实,乙烯和乙烯信号转导对根瘤的数量没有显著的调节作用(Schmidt et al1, 1999)。
乙烯受体基因在植物抗病性中具有明显的应答作用。乙烯可调节植物的防卫基因(Ecker and Davis,1987)。拟南芥中,系统获得性抗性不依赖乙烯(Lawton et al1,1995),但诱导性系统抗性(induced systematic resistance,ISR)则依赖于乙烯(Pieterse et al1,1998)。如根瘤菌菌株Pseu2 domonas f l uorescens A CS417r激发了可有效抵抗不同类型病原的应答,该ISR信号转导途径不依赖水杨酸,但需要茉莉酸(酮)和乙烯。应用拟南芥后代中的ISR诱导性遗传变异,证实染色体III 上的ISR1位点与ISR信号转导有关。通过对拟南芥Col(ISR1/ISR1)和RLD(isr1/isr1)杂交F2和F3代的分析表明诱导性的乙烯敏感性与ISR1位点的隐性等位基因共分离。上述结果表明ISR1位点编码乙烯应答的一个组分,并且ISR的表达需要根瘤菌介导(Ton et al1,2001)。
利用对乙烯不敏感的大豆突变体研究发现两个新的遗传位点et r1和et r2与抗病有关。通过对突变体和野生型亲本对大豆不同病原的应答的比较发现,对乙烯不敏感的植株可提高对一些病原(Pseudomonas syri ngae pv glyci nea和Phytophthora sojae)的抗性,也可增加对某些病原(Septoria glyci nes和R hizoctonia solani)的敏感性(Hoff2 man et al1,1999)。乙烯不敏感的烟草突变体丧失了对土传真菌(Pythi um sylvaticum)的非寄主抗性(Knoester et al1,1998)。
6乙烯受体基因转基因植物的应用乙烯受体基因转基因植物的成功例子应属转
et r1-1香石竹。Bovy等(1999)应用构建的受不同启动子(组成型表达的CaMV35S启动子、拟南芥et r1-1启动子和可在花中特异性表达的矮牵牛FBP启动子)控制的拟南芥et r1-1等位基因双元载体,通过根癌农杆菌介导的遗传转化,转入香石竹的叶片外植体,获得了相应的转基因植株。转基因植株的插花寿命平均延长14天,比对照多517天,最长延迟时间达24天,是对照的3倍,并且没有表现依赖乙烯的典型的花瓣反转形状,而是一直保持挺立直到最后腐烂和脱色。转乙烯受体基因的植株比用化学药剂,如用乙烯生物合成抑制剂氨基氧乙酸(AOA)和乙烯不敏感抑制剂硫代硫酸银(STS)预处理获得更长的插花寿命,而转乙烯生物合成基因的转A CO1基因的植株仅得到延迟117倍的寿命,与用AOA预处理的结果一样。这显示了et r1-1基因及其蛋白产物在延迟香石竹花衰败以及收获后处理中具有重要的应用价值。
其他转基因再生成功的例子包括:1)通过显性点突变的TXTR-14导入获得缓熟的转基因西红柿;2)当拟南芥突变et r1基因在牵牛花中表达时,牵牛花的衰败和脱落被延迟;3)异源表达拟南芥ers1的胡荽可延迟衰老。
转乙烯受体蛋白编码基因植株通过改变或打乱宿主植物的乙烯生物合成和乙烯信号传递过程,使转基因植株获得乙烯超敏感或不敏感特性,从而表现出早熟或晚熟等性状。这一技术路线完全不同于目前国内外所流行的以反义基因技术导入为代表的控制乙烯生物合成的技术路线。其技术
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路线不仅新颖,富有创新性,且具有更强的可操作性和更高的成功率。
转乙烯受体蛋白编码基因的转基因技术目前有良好的理论基础,在不同植物品种上获得成功的报道逐年增加,其技术核心是拥有新基因的知识产权。我国对乙烯受体的研究起步较晚,研究力量也比较薄弱,海南省热带农业资源研究所对五种热带水果的乙烯受体的保守基因进行了SNP 分析(韩继成和方宣钧,2003b ),并克隆了荔枝乙烯受体编码基因(韩继成和方宣钧,2003a )。国内也有一些研究组开展了一些乙烯受体的表达研究(李正国等,2000;郑铁松等,2001)从经济和知识产权的角度出发,一旦克隆即将能获得新基因的知识产权,并能广泛应用于各类花果蔬菜转基因植株的构建,因此具有广阔的市场应用潜力。
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162
分子植物育种
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植物乙烯受体及转基因育种研究进展
Research Progress on Plant Ethylene Receptor and its Transgene 163
转基因作物的研究进展
生物与环境工程学院课程论文 转基因作物的研究进展 学生姓名：魏斌聪 学号：200806016139 专业/班级：生物工程081班 课程名称：生物工程原理 指导教师：陈蔚青教授 浙江树人大学生物与环境工程学院 2011年5月
转基因作物的研究进展 魏斌聪 （浙江树人大学生物与环境工程学院生工081班浙江杭州310015） 摘要：人们将所需要的外源基因(如高产、抗病虫害优质基因) 定向导入作物细胞中, 使其在新的作物中稳定遗传和表现,产生转基因作物新品种, 是大幅度提高作物产量的一项新技术。本文先描述了转基因作物的发展进程，对其基因问题的研究作了讨论，并列出转基因作物目前存在的主要问题并作分析，最后对此项技术作出展望。 关键词：转基因作物；DNA技术；基因导入；安全性 前言 转基因植物（transgenic plant），是指基因工程中运用DNA 技术将外源基因整合于受体植物基因组、改变其遗传组成后产生的植物及其后代。转基因植物的研究主要在于改进植物的品质，改变生长周期等提高其经济价值或实用价值。[ 1 ]其主要范围是在作物方面，如可食用的大豆、玉米等，或者可投入生产的棉花等作物。 从表面上看来，转基因作物同普通植物似乎没有任何区别，它只是多了能使它产生额外特性的基因。从1983年以来，生物学家已经知道怎样将外来基因移植到某种植物的脱氧核糖核酸中去，以便使它具有某种新的特性：抗除莠剂的特性，抗植物病毒的特性，抗某种害虫的特性。[ 2 ]这个基因可以来自于任何一种生命体：细菌、病毒、昆虫等。这样，通过生物工程技术，人们可以给某种作物注入一种靠杂交方式根本无法获得的特性，这是人类9000年作物栽培史上的一场空前革命。[ 3 ] 1 转基因作物的发展进程 转基因作物的研究最早始于20世纪80年代初期。1983年，全球第一例转基因烟草在美国问世。1986年，首批转基因抗虫和抗除草剂棉花进入田间试验。1996年，美国最早开始商业化生产和销售转基因作物(包括大豆、玉米、油菜、
蛋白酶抑制剂基因及转基因植物研究进展
蛋白酶抑制剂基因及转基因植物研究进展 摘要： 植物蛋白酶抑制剂是除Bt之外又一个愈来愈研究较多的抗虫基因资源，其分布广泛，在豆科、茄科、禾本科、葫芦科及十字花科等植物中存在较多。植物蛋白酶抑制剂抗虫基因主要通过2种途径获得并在多种植物中进行转化，获得抗虫转基因植株。植物蛋白酶抑制剂在基因工程中的应用已有很大的发现进展。 关键字：蛋白酶抑制剂基因作用机理转基因 正文： 一蛋白酶抑制剂作用机理 广泛存在于植物组织中的蛋白酶抑制剂是一种多肽物质, 对许多昆虫有防 卫作用。该基因及其编码区域较小、没有内含子。研究表明, 这些蛋白酶抑制剂在植物对危害昆虫以及病原体侵染的夭然防御系统中担当着重要角色。昆虫饲喂实验发现, 某些纯化的蛋白酶抑制剂具有明显的抗虫作用。利用蛋白酶抑制剂基因来提高植物的抗虫能力, 已成为植物基因工程研究的一个热门领域。在植物中发现有三类蛋白酶抑制剂: 丝氨酸蛋白酶抑制剂, 琉基蛋白酶抑制剂和金属蛋白酶抑制剂。其中对丝氨酸类蛋白酶抑制剂的研究最为透彻, 目前在植物中至少已经发现有6 个家族, 其中的弧豆胰蛋白酶抑制剂, 马铃薯蛋白酶抑制剂兀的抗虫效果最为理想。蛋白酶抑制剂的杀虫机理蛋白酶抑制剂杀虫的机理在于: 它能与昆虫消化道内的蛋白消化酶相互作用形成酶抑制剂复合物( E l ) 阻断或减弱消 化酶的蛋白水解作用。所以, 一旦昆虫摄食进蛋白酶抑制剂, 就会影响外来蛋白的正常消化, 同时, 蛋白酶抑制剂和消化酶形成E l 复合物, 能刺激消化酶的过 量分泌, 通过神经系统的反馈, 使昆虫产生厌食反应。由于蛋白酶抑制剂抑制了昆虫的进食及消化过程, 不可避免地将导致昆虫缺乏代谢中必需的氨基酸, 最终造成昆虫的非正常发育或死亡。 二植物蛋白酶抑制剂基因作用机理及获得的途径 蛋白酶抑制剂基因的作用机理及其应用蛋白酶抑制剂( P l ) 是自然界含量 最为丰富的蛋白种类之一, 存在于所有生命体中。国内外有关抗虫的植物蛋白酶抑制剂基因的获得大多通过2种途径。一种通过从植物不同部位的组织或细胞中提取抗虫活性蛋白，然后分析其起作用的活性核苷酸序列，继而克隆和转化到寄主细胞，进行筛选和选育抗虫树种。利用该方法获得抗虫树种的研究越来越多，该方法中最为关键的环节是蛋白酶抑制剂提取和活性测定方法的选择和建立。植物蛋白酶抑制剂分离和纯化的策略主要依据不同植物中的蛋白酶抑制剂生理生
药用植物遗传育种学
第一章绪论 1.药用植物育种学：研究选育与繁殖药用植物新品种的原理和方法的科学。 2.育种学的任务：改变植物的遗传模式，即基因型，而不是改变其表现型，基因型相同表现型不一定相同，反之亦然。 3.药用植物育种学的容： 育种目标的制定和实现目标的相应策略；种植资源的搜集、保存、研究、利用和创新；选择的理论和方法；人工创新变异的途径、方法及技术；杂种优势利用的途径和方法；目标性状的遗传、鉴定和选育方法；药用植物育种各阶段的田间试验技术；新品种的审定、推广和种子生产。 4.获得药用植物优良品种的常规途径 从野生或者栽培品种中人工选择；通过有性或者无性杂交育种培育 5.新的育种技术 诱变育种；多倍体育种；细胞培养技术；体细胞杂交技术；转基因工程（基因添加、基因剔除、代途径转向、DNA标记辅助选择） 6.品种：经人类培育选择创造的，经济状况及农业生物学特征符合生产和消费要求，在一定的栽培条件下可以和其他群体相区别，个体间的主要相对性状相似，以适当的繁殖方式能保持其重要特征的一个栽培植物群体。 7.品种的特性： 特异性（品种间）、一致性（个体间）、稳定性（特征特性）、地区性（生态环境）、时间性（使用日期） 8.遗传改良的特点：目的性、计划性、快速性、丰富性 9.良种的作用：提高单产；改进品质；提高抗病虫害能力；减少农药污染；增强适应性及抗逆性；延长产品的供应和利用时期；适应集约化管理 第二章药用植物的繁殖方式和育种 1.有性繁殖：植物繁殖的基本方式，由雌配子（卵细胞）和雄配子（精细胞）相互结合（即受精）产生后代。 2.自花授粉植物：又名自交植物，即主要以自花授粉方式繁殖后代的植物。异交率为0～4% 。 3.自花授粉（self-pollination）：同一朵花的花粉传到同一朵花的雌蕊柱头上，或同株的花粉传播到同株的雌蕊柱头上。 4.自花受精：同株或同花的雌雄配子相结合的受精过程。 5.花器构造特点：①雌雄蕊同花、同熟，二者长度接近或雄蕊较长；②开花时间较短，甚至闭花授粉；③花器保护严密，其他花粉不易飞入。 6.异花授粉植物又名异交药用植物，主要以异花授粉方式繁殖后代的药用植物。异交率大于50%。 7.异花授粉（ cross-pollination ）：雌蕊的柱头接受异株花粉授粉。 8.异花受精：由异株的雌雄配子相结合的受精过程。 9花器构造特点：①雌雄异株（dioecious），雌花和雄花分别生长在不同的植株上，如大麻、菠菜等；②雌雄同株异花（monoecious），雌花和雄花分别着生在同一植株的不同部位，如玉米、黄瓜；③雌雄同花但自交不亲和，如甘薯、白菜、向日葵等。 10. 风媒花的特征是：多为单性花，单被或无被，花粉量多，柱头面积大并有粘液等 11. 虫媒花的特征是：多为两性花，雌蕊和雄蕊不同时成熟，有蜜腺、香气，花被颜色鲜艳，花粉量少，花粉粒表面多具突起，花的形态构造比较适宜昆虫传播。 12. 常异花授粉药用植物：同时依靠自花和异花授粉两种方式繁殖后代的药用植物
转基因技术的研究进展
作物转基因技术的研究进展 摘要：作为生物技术领域的前沿，转基因技术已在多种植物上取得重大进展。本文主要介绍了当前作物转基因技术的三大主流方法：农杆菌介导法、基因枪介导法和花粉管通道法，并阐述了这几种转基因技术在水稻、小麦、棉花、玉米、大豆，甘薯等几种主要农作物的应用进展状况。 关键词：转基因技术、农作物、应用 Genetically Modified---转基因，简称GM，是指运用科学手段从某种生物体中提取所需要的基因，将其转入另一种生物中，使与另一种生物的基因进行重组，再从结果中进行数代的人工选育，从而获得特定的具有变异遗传性状的物质。而其衍生出的转基因技术就是将人工分离和修饰过的基因导入到目的生物体的基因组中，从而达到改造生物的目的，即把一个生物体的基因转移到另一个生物体DNA中的生物技术。 1983年比利时科学家Montagu 等人和美国Monsanto 公司Fraley等人分别将T- DNA上的致瘤基因切除并代之以外源基因,获得了世界上第一株转基因植株———转基因烟草。自此之后，作物转基因技术得到了迅速发展.截至目前,几乎所有的作物都开展了转基因研究,育种目标涉及到高产、优质、高效兼抗性及多用途等诸多方面.一批抗病、抗虫、抗逆、抗除草剂等转基因作物已进入商品化生产阶段. 国际农业生物技术应用服务组织2 月13 日在京发布的1 份报告显示，全球27 个国 家超过1800 万农民，2013 年种植转基因作物，种植面积比2012 年增加了500 万公顷。此外，首个具有耐旱性状的转基因玉米杂交品种亦于2013 年在美国开始商业化。 据该报告显示，全球转基因作物的种植面积于转基因作物商业化的18 年中增加了100 倍以上，从1996 年的170 万公顷增加到2013 年的1.75 亿公顷，其中美国仍是全球转基因作物的领先生产者，种植面积达7010 万公顷，占全球种植面积的40%。国际农业生物技术应用服务组织创始人兼荣誉主席、本年度报告作者Clive James 表示，目前排名前10 位的国家种植转基因作物的面积均超过100 万公顷，这为将来转基因作物的多样化持续发展打下了广泛基础。在种植转基因作物的国家中，有19 个为发展中国家，8 个为发达国家；发展中国家的种植面积连续2 年超越发达国家。 目前，作物遗传转化的方法有农杆菌介导法、基因枪法、电激法、PEG 法、脂质体法、低能离子束法、超声波介导法、显微注射法、花粉管通道法等.但在当前作物基因工程研究中,主要采用农杆菌介导法、基因枪法、花粉管通道法,这三种转基因技术也相对较为成熟. 一、农杆菌介导法 农杆菌介导法是指农杆菌侵染植物时，受到植物受伤后释放的酚类物质的刺激，活化质粒上Vir 区基因的表达，将质粒上的另一段DNA（T-DNA）共价整合到植物基因组上，在植物体内表达而改变植物的遗传特性。农杆菌介导法的转化效率受众多因素影响，如农杆菌侵染外植体的影响因素、外植体再生能力的内在因素和环境条件（pH、温度和光照条件）等[32]，此法具有流程简单、仪器设备便宜、拷贝数低[33]，且基因沉默少，转移的基因片段长等优点。 农杆菌介导法是获得第一个转基因植物的方法，迄今为止，农杆菌介导法获得的转基因植物占转基因植物总数85%，已成为植物基因转化首选方法。 二、基因枪介导法 基因枪法又称微弹轰击法，是将外源基因包裹在直径1~2 nm的钨或金颗粒表面，加速轰击植物外植体靶组织，穿过植物细胞壁和细胞膜而将外源基因带入植物细胞。因此，通过该方法进行DNA的转移过程不受外植体基因型的限制，可以将外源基因转移至几乎所有的植物细胞、组织器官和原生质体中。 最早的基因枪是由美国Cornel 大学的Sanford 等在1987 年研制成功的。目前基因枪介
植物转基因育种概述
植物转基因育种概述 https://www.sodocs.net/doc/a117041623.html, 来源：中学生物学 作者：李志翔 日期：2007-10-1 为了培育高产、优质、抗逆性强的作物新品种，需将一种植物的优良遗传性状转移到另一种植物体中。若采用传统的杂交育种法进行随机筛选或通过组织培养、理化诱变、细胞融合等方法定向筛选优良性状培育新品种，其盲目性较大，筛选效率低，又有明显的种属界限而产生一定的生殖障碍，成功率不高。目前发展起来的植物基因工程技术则能有效地解决上述难题。通过特定目的基因的定向转移，其遗传变异频率比自发突变高出102～104倍，选择效率高，大大地避免了盲目性；又由于基因来源广泛，打破了种属界限，可以克服杂交育种过程中的生殖障碍，成功率提高。因此，植物基因工程技术已成为作物遗传育种的有效新途径，倍受重视。通过基因工程技术定向转移基因后获得的植物，称为转基因植物。 自1983年世界上首次成功获得第一株转基因植物以来，植物基因工程技术已广泛应用于作物品质改良、抗病性、抗虫性、抗病毒性、抗除草剂、杂种优势的利用等方面。迄今，全世界至少有300多种基因（性状）用于转化植物、微生物和动物。许多转基因产品已陆续投放全球市场，经济效益显著。 1 抗病毒转基因植物 植物病毒病是我国农业生产上最主要的病害之一，对我国的粮食作物、经济作物及果树蔬菜均造成严重危害， 经济损失巨大，但迄今缺少有效的化学防治方法。目前
人们已经可以通过植物基因工程技术，获得抗病毒转基因植物，以控制植物病毒的危害。其原理是： 一是利用植物生物技术，将病毒外壳蛋白基因或卫星RNA基因转入到植物基因组中，并获得转基因植株。这些植株叶片细胞中就会有病毒外壳蛋白或卫星RNA的表达和积累，就能够抑制相应的侵染病毒的RNA复制，从而可以减弱病毒病的症状或推迟病毒病发生时间，即具有一定的抗病毒能力。二是将病毒的反义RNA的相应DNA序列重组到植物的基因组里，使其合成反义的RNA。当植物被相应的病毒感染时，病毒的mRNA就可能与植物细胞中合成、积累的病毒反义RNA结合而无法反向复制和转录，从而控制病毒对植物的危害。 1.1 抗烟草花叶病毒的转基因植物 烟草花叶病毒（TMV）是一种RNA病毒，由单链RNA及外壳蛋白组成。研究证明，TMV侵染植物后，其外壳蛋白具有抑制新侵染相应病毒释放mRNA的作用。目前已成功地将TMV外壳蛋白基因转入到烟草细胞中，表达了病毒蛋白并对该病毒产生了抗性。 1.2 抗黄瓜花叶病毒转基因植物 黄瓜花叶病毒（CMV）对农作物危害极为严重，可侵染上千种植物。目前人们已成功地将CMV的卫星RNA基因转入到烟草、辣椒、甜瓜、番茄和矮牵牛等植物中，在植物体内合成、累积的卫星RNA，可以抑制相应的病毒RNA的复制，能显著减轻病毒的危害。 此外，人们还培育出了抗苜蓿花叶病毒（AMV）、抗烟草环斑病毒（TobRV）的转基因植物，抗病毒效应都非常显著。
园林植物遗传育种(专套本详细整理)
一、名词 1遗传学：是研究生物体遗传与变异规律的科学；是研究生物体遗传信息和表达规律的科学；是研究和了解基因本质的科学。 2?遗传：指生物亲代与子代之间相似的现象。 3?变异：生物亲代与子代之间以及子代个体之间性状上的差异。 4.表型模写：环境条件的改变所引起的表型变异与某些基因引起的变化相似的现象，有时亦称为饰变。 5?个体发育：生物体的性状是从受精卵开始逐步形成的，这就是个体发育过程。 6. 细胞分化：在一个生命周期中，性状逐渐发生变化，这是细胞分化过程。分化的细胞通过遗传控制的形态建成构成一个结构和功能完美协调个体。所以，细胞分化是个体发育的基础。 7?系统发育：种群从原有的一种共同形态向另一种共有形态功能过渡的过程。是生物界共同的进化历程。 8?园林植物：园林植物是观赏植物的泛称，指具有一定观赏价值，使用于室内外布置以美化环境并丰富人们生活的植物。 主要包括：园林树木、花卉、草坪草和地被植物。 9. 花卉：①狭义花卉：卉，草本植物总称，花卉--开花的草本植物--有观赏价值的草本植物。 ②广义花卉：除草本花卉外，包括木本观花植物。 10?园林植物育种学：园林植物育种是通过引种、选种、杂交或良种繁育等途径改良观赏植物固有类型而创造新品种的一门科学。是一门应用科学。 11品种：（1）经人工选择培育，在遗传上相对纯合稳定，在形态和生物学特性上相对一致，并作为生产资料在农业生产中应用的作物类型（中国农业百科全书）。DUS :品种的三个基本特征：特异性，稳定性，一致性。 ⑵根据特异性（形态学、细胞学、化学等）可以和其它品种相区别的栽培植物群体，不因繁殖（有性或无性）而失去重要特性（联合国粮农组织和国际种子检验协会《种子法指南》）。 （3）具有在特定条件下表现为不妨碍利用的优良、适应、整齐、稳定和特异性的家养动植物群体（景士西）。 12. 细胞：细胞是生物体结构的基本单位；细胞是代谢和功能的基本单位：细胞是生长发育的基础；细胞是遗传的基本单位，具有全能性，在一定条件下能发育成新的个体。 13. 染色体：是细胞核中易被碱性染料染色的物质，在细胞分裂期形成特定的形态。细胞分裂间期称为染色质。（常染色质、异染色质），染色单体：复制时产生的染色体拷贝。细胞分裂中期的染色体是由两个染色单体组成的，两个染色单体在对应的空间位置上以着丝粒结合在一起。 14. A染色体：通常把正常恒定数目的染色体称为A染色体。包括常染色体和性染色体。 B染色体：把细胞中除正常染色体以外，额外出现的染色体称为B染色体，也成为超数染色体或副染色体。 15?染色体组：生物为完成其生活机能所必需的包含了最小基因群的一组染色体，又称染色体基数（X）。 16?着丝点：着丝粒两侧的具有三层盘状或球状结构的蛋白 17.同源染色体：形态与结构相似的一对染色体，一条来自父本，一条来自母本。 18?非同源染色体：形态与结构不同的染色体互称非同源染色体。 19?组型：又称核型，是指染色体组在细胞有丝分裂中期的表型，是染色体数目、大小、形态特征的总和。 20. 组型分析：在对染色体进行测量计算的基础上，进行同源染色体配对、分组排列并进行形态分析的过程，又称核型分析。核型模式图：将一个染色体组的全部染色体逐条按其特征画下来，再按长短、形态等特征排列起来的图称为核型模式图。 21. 有丝分裂：真核细胞的染色质凝集成染色体、复制的姐妹染色单体在纺锤丝的牵拉下分向两极，从而产生两个染色体数和遗传性相同的子细胞核的一种细胞分裂类型 22 ?减数分裂：又称成熟分裂，是在性母细胞成熟形成配子时所发生的一种特殊的有丝分裂，因其使体细胞染色体数目减半，故称减数分裂。 23?二价体：联会的一对同源染色体称为二价体。 24. 四合体：一个二价体含有4条染色单体，也称为四合体。 25. 自花授粉：同一朵花内或同株花朵间的授粉。 26?异花授粉：不同株的花朵问授粉。 27. 联会：减数分裂前期I偶线期来自两个亲本的同源染色体侧向靠紧，像拉链似的并排配对现象。 28. 受精：雄配子（精子）与雌配子（卵细胞）融合为1个合子过程。 29?双受精：一个精核与卵细胞结合成合子，将来发育成胚，另一个精核与两个极核结合，将来发育成胚乳，这一过程被称为双受精。双受精现象是被子植物在有性繁殖过程中特有的现象。 30.转录：以DNA双链之一为模版，将DNA上的遗传信息通过碱基互补的方式记载到mRNAb的过程。 31 .翻译：以mRNA为模版，tRNA为运载工具，将tRNA转运来的氨基酸，按照mRNAk的密码顺序相互连接起来形成多肽，并进一步折叠起来成为蛋白质的过程。 32. 三联体密码：mRNAt，三个相连的碱基决定一种氨基酸，这样相连的三个碱基成为一个密码子，又称三联体密码。 4 种碱基可以组合成64种密码子，生物体内只有20种氨基酸，因此，多个密码子代表一个氨基酸。 中心法则：遗传信息由DNA到DNA的复制以及遗传信息由DNA到RNA再到蛋白质的转录和翻译的过程，就是生物学上的中心法则。 33. 基因：具有遗传效应的DNA片段。 34. 经典遗传学：基因是突变、交换、功能的三位一体的最小
转基因研究的现状及发展
转基因研究的现状及发展 转基因作物是当今世界各国现代生物技术产业研究的热点，中国的转基因生物技术发展一、我国转基因作物的发展现状迅速，由于科学界对转基因作物对人类及生态环世界上最早的转基因作物诞生于年，是一境利与弊的争论，措政府应制定相应的政策、施对到种含有抗生素药类抗体的烟草。世纪年代，其进行安全管理。本文论述了转基因作物在国际农业生物技术已逐渐成为各国现代生物技术产业研国内的发展现状，分析了转基因作物对人类及生态环境的利与弊以及关于我国转基因作物安全管究的热点。 转基因技术的应用 1．在畜牧兽医中的应用 应用于动物抗病育种转基因技术可以用于动物抗病育种，通过克隆特定基因组中的某些编码片段，对之加以一定形式的修饰以后转入畜禽基因组，如果转基因在宿主基因组能得以表达，那么畜禽对该种病毒的感染应具有一定的抵抗能力，或者应能够减轻该种病毒侵染时对机体带来的危害。（其用于遗传育种，不仅可以加速改良的进程，使选择的效率提高，改良的机会增多，并且不会受到有性繁殖的限制。）例如Clements等将绵羊髓鞘脱落病毒的表壳蛋白基因转入绵羊，获得的转基因动物抗病力明显提高；丘才良把一种寒带比目鱼抗冻基因成功地转移到大西洋鲑中，为提高某些鱼类的抗寒能力做了积极的尝试。 2．在医学领域中的应用 用于生产药用蛋白用转基因动物的乳腺生产重组蛋白（乳腺生物反应器）可能是转基因动物的最大应用，这也是世界范围内转基因研究的热点之一。Swamdom （1992）用β-球蛋白的4个核酸酶I的高敏位点与人的两个基因相连，融合基因产生的转基因猪与鼠的原型相似。目前，把转基因动物当作生物反应器来生产药用蛋白已经受到国际社会的极大关注，不仅各国政府投资，一些私人集团也不惜投入大量资金加以研究和开发。 3．转基因的应用存在的问题及展望 （1）转基因表达水平低，许多转基因的表达强烈地位受着其宿主染色体上整合位点的影响，往往出现异位表达和个体发育不适宜阶段表达，影响转基因表达能力或基因表达的组织特异性，从而使大部分转基因表达水平极低，极少部分基因表达水平过高。 （2）难以控制转基因在宿主基因组中的行为，转基因随机整合于动物的基因组中，可能会引起宿生细胞染色体的插入突变，还会造成插入位点的基因片段丢失，插入位点周围序列的倍增及基因的转移，也可能激活正常状态下处于关闭状态的基因。 （3）不了解哪些基因控制多数生理过程，不了解基因表达的发育控制和组织特异性控制的机制。 （4）制作转基因动物的效率低，这是目前几乎所有从事转基因动物研究的实验室都面临的问题，也是制约着这项技术广泛应用的关键。 （5）对传统伦理是一种挑战，对人类的生存有一定的负面作用等。 当然，我们不能因为这些缺点的存在就否定转基因技术的研究价值。因为它作为一种新兴的生物技术，配合其他相关的生物技术将具有广阔的应用前景。随着这一技术日趋成熟，许多问题有望逐步得到解决。
浅析植物蓝光受体的研究
木子南QQ：171866859 植物蓝光受体研究进展综述 摘要：植物蓝光调节的反应主要有向光性、抑制幼茎伸长、叶绿体迁移、刺激气孔张开和调节基因表达等。蓝光反应的有效波长是蓝光和近紫外(320-400nm），故蓝光受体也叫蓝光/近紫外光受体。植物蓝光受体研究近年来取得较大进展。以拟南芥为例，已得到确认的受体至少有隐花色素（CRY1、2）和向光蛋白（phototropin）两大类。CRY1和CRY2共同介导了拟南芥植物的向光性。隐花色素的蛋白与辅基之间以非共价键连接，可以吸收蓝光和近紫外光。向光蛋白目前只发现PHOT1和PHOT2两种。而已发现的蓝光受体突变体有cry1突变体，cry2突变体，向光性反应突变体和蓝光信号传到下游组分突变体。蓝光受体的信号通路则包括：Ca2+ ，蛋白质的可逆磷酸化，阴离子通道和G蛋白介导的信号通路。本文通过回顾植物蓝光受体的研究进展，旨在探讨蓝光受体以后的研究热点及方向。 关键词：蓝光受体；隐花色素；向光蛋白；拟南芥 Progress of blue-light photoreceptors of plant Abstract: Blue and ultraviolet-A regulate a wide range of response in plants, including phototropism, chloroplast migration and stomatal opening. However, the photoreceptors for these light responses have been identified only recently. Crytochrome 1 and Crytochrome w are firstly elucidated. The phototropins{phot1 and phot2} reprent a new class if receptor kinases that appear to be exclusive to plants. The details of how this excitation activates such different responses remain to be elucidated. The main aim of this article is to review the whole process of these photoreceptors and discuss the research focus and directions in the future. Keywords: blue-light receptors; crytochrome; phototropins; Arabidopsis 高等植物的受蓝光调节的反应主要有向光性、抑制幼茎伸长、叶绿体迁移、刺激气孔张开和调节基因表达；并且蓝光反应在400-500nm区域呈现“三指”状。认为植物体内含有蓝光受体的科学家们对于蓝光受体内吸收光的色素基团到底是什么一直存在争议，科学家们认为可能的色素基团有胡萝卜素、核黄素、喋呤以及视黄醛。这个问题一直从20世纪30年代争论到90 年代，直到CRY1首先被分离得到，隐花色素（cryptochrome）这个词被创造出来并被广泛使用。随后以拟南芥为模式生物，筛选了大量突变体，获得了一些光形态建成缺陷的突变体。90年代是蓝光受体研究发展最快的时期，多个重要的基因相继得到克隆，为光形态建成的研究开辟了新的领域。蓝光反应的有效波长是蓝光和近紫外(320-400nm），故蓝光受体也叫蓝光/近紫外光受体。 1 隐花色素CRY1 植物蓝光受体研究近年来又取得较大进展。以拟南芥为例，已得到确认的受体至少有隐花色素和 - 1 -
园林植物遗传育种学》试题及答案
园林植物遗传育种学考试试题 姓名： 一、名词解释（每个 5 分，共 40 分） 1. 品种： 2. 有性繁殖 3. 春化作用 4. 诱变育种 5. 种质资源 6人工种子 7.原生质体 8.细胞全能性 二、简答题（每题 6 分，共 30 分） 1. 简述园林植物种质资源保存的主要方法以及各自的特点。 2. 引种成功的标准是什么？ 3. 简述园林植物育种的主要目标性状？ 4. 简述选择育种的程序？ 5. 与其他常规育种方法相比，单倍体育种有哪些优势？ 三、论述题（每题10分，共30 分） 1. 论述植物基因表达调控过程。 2.论述诱变育种的意义 3. 以一种一二年生花卉为例，论述杂交优势育种的一般程序。
《园林植物育种学》试卷参考答案 一、名词解释（每小题 3 分，共 15 分） 1. 品种：指遗传上相对一致，具有相似或一致的外部形态特征，具有一定经济价值的某一种栽培植物个体的总称。 2.有性繁殖：通过亲本的雌雄配子受精而形成合子，近一半分裂、分化和发育而产生后代的过程。 3. 春化作用：一些植物必须经历一定的低温处理才能促进花芽形成和花器官发育的现象。量。 4. 诱变育种：人为的利用理化因素，诱发生物体产生遗传物质的突变，经分离、选择、直接或间接地培育新品种的育种途径。 5. 种质资源：经过长期自然演化和人工创造而形成的一种重要的自然资源，是改良植物的基因来源 6.人工种子：通过组织培养技术，将植物体细胞诱导成形态和生理上均与合子胚相似的体细胞胚，然后将其包埋于一定营养成分和保护功能介质中，组成类似种子的单位。 7.原生质体：去细胞壁厚的裸露细胞团。 细胞全能性：指细胞经分裂和分化后仍具有形成完整有机体的潜能或特性。 二、简答题（回答要点，每小题 6 分，共 30 分） 1. 简述园林植物种质资源保存的主要方法以及各自的特点。 ①就地保存：保存原有的生态环境与生物多样性，保存费用较低；但易受自然灾害。（ 1.5 分）
植物瞬时表达系统的研究进展
种植与养殖 植物作为生物反应器为人类提供了一个更加安全和廉价的生产体系。与所有的生物反应器相比，植物是最廉价的“工厂”。植物所需要的仅是阳光和土壤及水分。另外，植物细胞中绝对不会含有潜在的动物或人类病原。自从1983年Fraley等[1]首次报道将细菌基因导入植物细胞获得成功表达以来，至今已有多种蛋白质在不同植物中成功表达[2-4]。研究表明植物生物反应器具有广阔的应用前景。 1植物生物反应器的表达系统 植物生物反应器主要有两大表达系统，既稳定表达系统和瞬时表达系统。稳定表达系统是利用稳定遗传转化方法表达和生产重组蛋白质，特点是操作简便，重组蛋白质产物置于种子或块茎中易于保存。如将抗癌基因p53克隆到表达载体，农杆菌遗传转化并在受染植物中表达[5]。由于外源性目的基因整合入植物基因组中，因此外源基因可以在后代中稳定表达。 以植物病毒为载体的瞬时表达系统具有快速的优势。不需要稳定遗传转化，从病毒侵染到高量表达仅需要7-14天。这种表达系统是应用植物病毒在植物中复制、转录和传播。其技术具有简单、快速和产量高等优点。 2植物瞬时表达系统的研究进展 2.1病毒表达载体 常用的植物病毒载体包括多烟草花叶病毒(TMV)、豇豆花叶病毒(CPMV)、马铃薯X病毒（PVX）等。Lim等[6]通过TMV和ORSV的启动子分别控制外源性基因和ORSV衣壳基因的表达，提高了重组蛋白质的表达量。Gleba等研究表明，外源蛋白表达量最高 植物瞬时表达系统的研究进展 （吉林师范大学生命科学学院136000） 【摘要】利用植物作为生物反应器是一个新兴的研究领域。本文概述了植物生物反应器的两 个主要的表达体系、病毒载体介导的植物瞬时表达系统在表达外源方面的优势，以及植物瞬时 表达侵染技术的研究进展，并阐述了植物生物反应器的发展趋势。 【关键词】植物生物反应器；转基因植物；重组蛋白质 杨丽萍 Research Progress of Plant transient expression system Yang Liping [Abstract]The use of plant as a bioreactor is a new research field.In this paper,the two main expres? sion systems of plant bioreactor,the advantages of virus vector-mediated transient expression system in expressing exogenous genes,and the research progress of plant transient expression infection tech? nology were reviewed.The development trend of plant bioreactor was also described. [Keywords]plant bioreactor;transgenic plant;recombinant protein (School of Life Sciences,Jilin normal University,Siping,Jilin136000) *基金项目 基金项目：：吉林省教育厅“十三五”科研规划项目，名称：《基因沉默抑制子HC-Pro在植物基因组中的表观遗传调控作用》，编号：JJKH20191013KJ。 作者简介 作者简介：：杨丽萍（1974.-），女，汉族，吉林省吉林市人，植物学博士，吉林师范大学，副教授，从事植物学、遗传学教学和研究。 现代农业研究
转基因植物的安全性评价.
1转基因植物安全评价的意义 转基因植物育种,是利用遗传工程的手段,有目的地将外源基因或DNA构建导 入植物基因组,通过外源基因的直接表达,或通过对内源基因表达的调控,甚至通过直接调控植物相关生物如病毒的表达使植物获得新的性状的一种品种改良技术,可最大限度地满足人类的需要[1]。 与此同时,转基因技术使物种的进化速度远远超过生物自然变异与选择的速度,对于这种急剧的生物物种变化,自然界能否容纳和承受?自然界的其他组成部分是否会因此受到伤害或破坏?转基因植物及其产品被人们食用时,是否会向人体肠道微生物发生基因转移?是否会出现由于某种新物质的形成对人体健康产生危害或潜在影响?要消除这些疑虑就要进行转基因植物的安全性评价。要经过合理的实验设计和严密科学的实验程序,积累足够的数据,根据这些数据判断转基因植物的大田释放和大规模商业化生产是否安全,对实验证明安全的转基因植物正式用于农业生产,对存在安全隐患的加以限制,避免危及人类生存及破坏生态环境[2]。因此,制定科学完善的安全性评价的原则与方法,对确保人类健康和环境安全及转基因技术的健康发展具有十分重要的意义。 2转基因农产品安全评价的内容 2.1转基因植物的环境安全性 转基因植物的环境安全性评价要解决的核心问题是转基因植物释放到田间后是否会将基因转移到野生植物中;是否会破坏自然生态环境,打破原有生物种群的动态平衡[2]。 转基因植物演变为农田杂草的可能性:转基因植物可通过传粉进行基因转移,可能将一些抗虫、抗病、抗除草剂或对环境胁迫具有耐性的基因转移给近缘种或杂草,如果杂草获得了这些抗性,就会变成超级杂草,使农田杂草难以控制。 基因漂移到近缘野生种的可能性:在自然生态条件下,有些栽培植物会和周围生长的近缘野生种发生天然杂交,从而将栽培植物中的基因转入野生种中。在进行转
抗虫转基因植物的研究进展及前景
抗虫转基因植物的研究进展及前景 由害虫、真菌、病毒、细菌等有害生物因子引起的病虫害是森林树木死亡和产品减少的重要因素一个世纪以来,科学们应用常规育种的方法为林木抗性品种的选育做出许多努力,取得了不少可喜的成绩。但林木生长周期长,这是林木抗性育种工作一个最大障碍。基因工程的诞生给林木抗性育种带来了新的、突破性的方法。 林木抗病虫基因工程就是利用重组DNA技术,将抗性外源基因导入林木染色体,从而产生具有外源基因表达的转基因林木。80年代以来,随着基因分离、表达载体构建、植物遗传转化和外源基因在高等植物细胞中的表达等方面的深入研究,特别是利用真核基因启动子构建融合基因的工作解决了外源基因在植物转化细胞中的表达问题,加速了林木基因工程的进展。在近10余年里,已有20余种树木如杨树、火炬松、花旗松、白云杉、桤木、核桃、刺槐、麻栎、桉树、苹果、欧洲赤松、兰伯氏松、挪威云杉和思格曼云杉等先后进行了基因工程的研究,已获得转基因植株的有杨树、核桃、柳、松树、苹果、李和葡萄等。到目前为止,有些项目开始或已经进入商业化操作阶段。研究领域有抗虫、抗病、抗除草剂耐盐、耐高温、耐干旱、耐冻等基因工程。本文对国内外林木抗病虫基因工程的现状以及在其研究发展中存在的问题作一概述。 1 抗虫转基因植物的研究进展 害虫是林业生产上的大敌之一。化学药剂杀虫不仅成本高,且造成严重的环境污染和食品中的残毒。人们很早就知道可以利用生物防治的方法来控制虫害。现在利用基因工程可以有效地达到这个目的。目前,人们已从细菌、植物本身及昆虫体内发现并分离到许多抗虫基因,有的已导入植物获得了抗虫转基因植株。目前,研究的抗虫基因有以下几方面。 1.1苏云金杆菌毒蛋白基因 苏云金杆菌(Bacillusthurigiensis简称Bt)制剂长期以来用于多种害虫的生物防治,因其产生大量的伴胞晶体蛋白对昆虫幼虫有很强的毒杀作用。伴胞晶体由具有高度特异性杀虫活性的结晶蛋白组成。根据毒蛋白基因的序列同源性和它们编码蛋白的抗虫谱,可划分为四大
园林植物遗传育种学
园林植物遗传育种学 教案 适用园林、药用植物高职班 学校：楚雄农校 任课教师：罗春梅 二OO六年八月二十日
第一篇园林植物遗传学 第1章园林植物遗传学基础 计划学时：2学时属累计学时：1-2学时 教学目的：让学生了解遗传与变异的概念和关系，分离规律的实质。 教学重点：基因型和表现型的概念，分离规律的实质。 教学难点：分离规律的实质。 教学方法：理论讲解 教学过程：[A]组织教学 [B]讲授新课 第一节遗传、变异和环境 一、遗传学的概念 遗传学是研究生物遗传与变异的科学。即是一门研究亲子代之间的传递和继承的科学。 如：为什么出现“种瓜得瓜，种豆得豆”，“一娘生九子，九子各不同”等现象，这些都属于遗传学解决的问题。 二、遗传与变异的概念及关系 （一）遗传 1、概念：指亲代的性状又在子代出现的现象。 2、原因：是由于遗传物质从亲代传递给了子代，使得子代按照遗传物质的规定，发育成了与亲代相似的各种性状。 3、遗传物质：指生物体的细胞内部传递遗传信息的物质，能自我复制。染色体是遗传物质的载体。染色体的主要成分是DNA和蛋白质。其中DNA（脱氧核糖核酸）就是遗传物质。少数病毒不含DNA，其遗传物质是RNA(核糖核酸)。 4、基因：是遗传物质（DNA）的基本单位。它是DNA分子链中各个微小的区段。基因控制着生物的某个或某些性状。具有相对的稳定性。 （二）变异 1、概念：指生物的亲代与子代或同一亲本的子代个体之间，有些性状彼此不同的现象。 2、变异的类型
生物的变异是很复杂的，在农业生产中常有这样的情况：在田间选择穗大粒多的变异植株为亲本，把它们的种子种下去后，在子代中有的保持了亲代穗大粒多的性状，有的却不能。这就说明，并不是所有的变异都能遗传。我们把能遗传的变异称为可遗传的变异，不能遗传的称为不遗传的变异。 （1）不遗传的变异 指生物性状的变异不能遗传给子代。 原因主要是由于外界的环境条件而引起，即环境条件仅能使生物的某些外部性状发生变异，而遗传物质并未变化。 （2）可遗传的变异 指能够遗传的变异。 原因主要是由于遗传物质发生了变化，故所产生的变异可遗传给后代。 （3）两种变异的区分及其重要性 两种变异主要根据其变异性状能否遗传来进行区分，这两种变异有时容易分清楚，而有时不易分清。例如：象植物的花冠颜色、形状及籽粒颜色、穗色、芒的长短、茸毛的有无等这些性状，往往受环境影响较小，若发生变异，一般是可以遗传的。如：长芒小麦后代中产生无芒的变异，红粒高粱后代中出现白粒变异单株等。类似这样的性状变异，一般是能够遗传的。 而有些性状如穗子大小、植株高矮、叶色的深浅等，往往受环境条件影响大，类似这里边些性状发生就异，可能是由于遗传物质变化造成，也可能是由于地力肥瘦不同造成，或者是由于两种变异共同作用的结果。对于育种工作来讲，能够遗传的就异是遗传育种工作的重要课题之一，因为只有从可遗传的变异中才能选育出新品种。 三、遗传与变异的关系 遗传和变异是生物界最普遍和最基本的两个特征，两者是生命运动中的一对矛盾，它们是对立而又统一的，正是由于这对矛盾的不断运动才使生物界生生不息、世代留传和更新发展，不断进化。 遗传使生物性状得到相对稳定，但这种不变是相对的，通过变异使得这种稳定性遭到破坏，在一定范围内表现差异，产生新的性状，使生物
基因工程在植物育种中的应用
基因工程在植物育种中的应用 官玲(GUAN Ling) (莆田学院环境与生命科学系福建莆田351100) 摘要：在现代生物技术中，基因工程作为一个重要的部分，已经在生产和生活等多方面起着重要的作用。不断成熟的基因工程技术它解决了传统育种不能突破的问题，与传统育种方法相比, 基因工程技术具有独特优势可以定向修饰植物的某些目标性状并保留其它原有性状通过引入外来基因扩大基因库。本文主要综述了基因工程在药用植物和花卉植物育种中的研究状况及对以后的发展现状进行的展望。 关键词：基因工程;植物育种;基因芯片技术;前景展望 基因工程是指运用分子生物学技术, 将目的基因或DNA片段通过载体或直接导入受体细胞, 使受体细胞遗传物质重新组合, 经细胞复制增殖, 新的基因在受体细胞中表达, 最后从转化细胞中筛选有价值的新类型, 继而它再生为工程植株, 从而创造新品种的一种定向育种技术。与传统育种相比, 植物基因工程具有以下特点植物基因工程是在基因水平上来改造植物的遗传物质, 更具有科学性和精确性,同时育种速度也大大加快能定向改造植物的遗传性状, 提高了育种的目的性与可操作性植物基因工程大大地扩展了育种的范围, 打破了物种之间的生殖隔离障碍, 实现了基因在生物界的共用性, 丰富了基因资源及植物品种。 1.基因工程技术在药用植物育种中的应用 由于医药事业的快速发展, 野生药材资源已远远不能满足需要, 尤其是许多原料性药用植物资源已面临资源枯竭的威胁, 加之人工驯化和栽培的药用植物物种退化和濒危的问题极为突出。根据这些中药资源的活性成分、生长规律、生产特性, 运用生物工程技术对其进行保存性研究, 从而保护濒危紧缺的药用植物资源.。 通过遗传转化, 将目的基因（如抗逆、抗病毒、抗虫、抗除草剂等相关基因）导入药用植物以改变传统遗传性状, 培育优良品种, 增强药用植物抗病毒、抗虫害、抗除草剂的能力, 利用植物生产异源蛋白及改变植物质量性状、保护和繁殖濒临灭绝的植物材料[1]. 1.1优良品种的培育 刘建勋等[2]利用PCR 技术克隆出青蒿素生物合成途径中的关键酶基因和东北红豆杉中紫三醇生物合成途径中起限速作用的紫三烯合成酶基因, 该基因cDNA 片段由2586 个核苷酸组成, 将该cDNA 片段导入红豆杉细胞后, 影响紫杉醇含量。NSFC 资助的“银杏内酯合成二萜环化酶基因克隆与生物转化研究”、“水母雪莲P 基因克隆及其对3-脱氧类黄酮化合物生物合成调控的研究”、“丹酚酸类化合物生物合成关键酶基因克隆与调控研究”、“重组蝎毒素
转基因植物的研究进展
转基因植物的研究进展 1.植物转基因的方法及其优缺点 就目前技术而言，植物转基因方法大致可分为两大类，第一类必须通过组织培养为媒介，使其产生新的植株，常用的方法有农杆茵介导转化法、直接转入法等；另一类方法则不需要通过组织的培养，如花粉管道通法。 1.1农杆茵介导转化法 农杆菌介导法主要以植物的分生组织和生殖器官作为外源基因导入的受体，通过真空渗透法、浸蘸法及注射法等方法使农杆菌与受体材料接触，以完成可遗传细胞的转化，然后利用组织培养的方法培育出转基因植株，并通过抗生素筛选和分子检测鉴定转基因植株后代。 农杆菌是一种革兰氏阴性土壤杆菌，1970年人们发现它是植物致瘤的起因，它在自然条件下能感染大多数双子叶植物的受伤部位，植物细胞被侵染后会形成肿瘤，能够诱发冠瘿瘤的称为根癌农杆菌，而诱发毛状根的称为发根农杆菌，两者细胞中分别含有Ti质粒和Ri质粒，其上有一段T-DNA，通过侵染植物伤口进入细胞后，可将T-DNA插入到植物基因组中。农杆菌的Ti质粒可以作为载体。Ti质粒上有两个区域，一个是T-DNA 区，这是能够转移并整合进植物受体的区段；另一个是Vir区，它编码实现质粒转移所需的蛋白质。将待转化的外源基因先克隆在大肠杆菌质粒上，然后将此质粒转入不会引起冠瘿瘤的农杆菌，使外源基因通过同源重组整合在Ti质粒上；然后用带有外源基因的这种农杆菌去转化植物细胞，将外源基因转入植物细胞的基因组。因此，农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系，尤其是根癌农杆菌，它在转基因技术中的应用相对较多。 相比于其他植物转基因方法，农杆菌有许多优点，它能将载体上特定区域内的目的基因导入细胞，并整合在染色体上，这种方法仪器设备简单，操作容易，可直接用不同的植物组织进行基因转移；另外，这种方法外源基因插入一般为单拷贝或低拷贝，可较稳定地表达和遗传到子代，转移DNA片段明确，可转移大片段DNA，并能保证导入的外源基因的完整性、转化频率高、费用也相对低廉，再生植株可育率高。因此，农杆菌介导转换法深受科学工作者的青睐，并具有巨大的发展潜力，其应用也将越来越广泛。但是它最大的弱点就是寄主范围狭窄，主要应用于双子叶植物，农杆菌介导的单子叶植物转化直到20世纪90年代之后才取得一系列进展。 1.2直接转入法 直接转入法方法将裸露的DNA直接导入植物细胞，然后将这些细胞在体外培养再生出新的植株。 由于裸露在外的DNA的转化效率较低，因而需要辅佐以效率较高的组织培养系统。每个植物细胞都有一层很厚的细胞壁，因此运用该技术前需先除去植物细胞壁，从而使之成为原生质体，然后用来直接转入外源DNA。除此之外，也可用其他机械的方法将DNA直接注入植物细胞，这样就无须去除细胞壁，这类方法有用显微操纵仪把DNA直接注入植物细胞内，也可在金属微粒上蘸涂了外源DNA，把它当作“子弹”，用“基因枪”轰击植物组织而进入植物细胞。基因枪介导的转化法，就是利用火药爆炸或高压气体加速，将包裹了带目的基因的DNA溶液的高速微弹直接送入完整的植物组织和细胞中，然后通过细胞和组织培养技术，再生出新的植株，最后筛选出其中的阳性植株即为转基因植株。 与上面提及到的农杆菌介导转化法相比，基因枪介导转化法的主要特点是不受受体植物