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拟南芥介绍（请多多交流） 已有5人参与
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拟南芥（Arabidopsis thaliana），是一种广泛分布于亚洲、欧洲以及北非地区的小型开花植物。从分类地位上讲，它属于十字花科(Brassicaceae) 鼠耳芥属(Arabidopsis)。作为近年来最为广泛应用的模式植物，拟南芥在分子遗传学、植物学以及农业科学的研究中发挥了重要的作用，被称为植物中的果蝇，是目前公认的五大模式生物之一。拟南芥基因组测序已于2000年由国际合作完成，也是第一种完成全基因组测序和分析的植物。 拟南芥是二年生草本植物，高7～40厘米。基生叶有柄呈莲座状，叶片倒卵形或匙形；茎生叶较小，无柄，披针形或线形。叶片表面覆盖有单细胞表皮毛。总状花序顶生，花朵直径约3mm，花瓣4片，白色，匙形。长角果线形，长0.5～2厘米，每个含20～30粒种子。根分为主根和侧根，可容土壤细菌共生。春型拟南芥萌发后3周左右就可开花，能在6周内完成一个世代。严格自花传粉（图1）。 拟南芥生活史与一般的开花植物无异：减速分裂形成的大小孢子分别形成雌雄配子体，即胚囊和花粉。胚囊经过双受精的过程，受精卵与受精极核分别发育成胚和胚乳。  图1. 拟南芥的形态 左：拟南芥成株；右：从上到下分别为：花，幼苗，种子。 历史上对拟南芥的记载最早可追溯至16世纪，由德国学者Thai在德国北部的哈茨山区中首次发现并记录了这个物种。19世纪分类学家Heynhold将其命名。现在人们在世界各地共收集到750多个拟南芥生态型，这些生态型在形态发育、生理反应方面存在很大差异。在拟南芥的众多生态型中最常用的三种是Landsberg erecta(Ler)、Columbia(Col)、Wassilewskija(Ws)，其中Col生态型用于拟南芥的全基因组测序。 在1873年，Braun报道了第一种拟南芥突变体，描述了其一个花柄上开出两朵花的表型。他当时所发现的这个突变体极有可能就是植物科学研究领域中为人们所熟知的AGAMOUS(AG)基因的突变体。这个基因是花发育ABC模型中的C类基因（图2）。Meyerowitz实验室于1990年成功克隆了AG基因（Yanofsky等，1990）。之后，Laibach在1907年首次报道的对拟南芥染色体的研究并最终确定了拟南芥具有5条染色体。Laibach于1943年详细阐述了拟南芥作为模式生物的优点，并大力推动了对拟南芥的研究。1945年，Erna Reinholz首先创立了用X-Ray人工诱变拟南芥的方法。同时，Laibach对拟南芥不同生态型进行了收集和整理。这些工作为拟南芥称为一种遗传研究模型奠定了基础。从1950年代到1960年代，John Langridge和George Rédei在拟南芥人工培养和相关实验技术方面做了大量的工作。在众多科学家的共同努力下，促成了拟南芥研究合作组织Arabidopsis Information Service (AIS)的建立，并于1965年在德国哥廷根召开的第一届国际拟南芥会议。  图2. agamous突变体（Page等，2002） a. 野生型植株（Ler）；b. 野生型的花；c. ag突变体的花。 1980年代分子生物学技术的迅猛发展， 给植物科学研究带来了巨大的机遇。1986年，Meyerowitz实验室第一个克隆了拟南芥的基因。同年，Horsch实验室报道了利用根瘤农杆菌介导的T-DNA对拟南芥进行的遗传转化。1988年，Meyerowitz实验室发表了拟南芥基因组的首个RFLP图谱。在之后的几年中，相继报道了T-DNA插入突变基因的克隆、基于基因组图谱的基因克隆。这些突破使人们逐渐认识到拟南芥作为实验材料对植物生命进行探索的价值（Meyerowitz，2001）。 近十年来，植物科学家们利用拟南芥模式系统，对植物的遗传、细胞、发育、生理等方面进行研究。通过大量拟南芥突变体的遗传分析和生化分子实验，科学家们对植物根、茎、叶、花、胚胎和种子的发育，对植物抗病性和抗逆性机理，以及对各种生命活动有关的激素、光和环境因子引起的信号传导过程等进行了深入的研究，丰富了人类对于植物生命活动内在机理的认识（Meinke等，1998）。 作为模式生物，拟南芥主要有以下几方面的优势： 第一，拟南芥的基因组在常见的植物模型中是最小的，总共大约有1.57亿个碱基，大约只有小麦的1/80。拟南芥的染色体数目也很少，只有五对同源染色体。这些特点对于基因的图位克隆是非常有利的。早在2000年，国际合作完成了拟南芥的全基因组测序和分析，并将全部信息放到The Arabidopsis Information Resource (TAIR)网站上供研究人员查询使用，在植物中也是第一个被完成的基因组。在后基因组时代，对拟南芥27 000个基因和35 000个编码蛋白的研究分析也已经取得了很大的进展，为下一步的研究奠定了基础（Meyerowitz，2001）。 第二，相比水稻、小麦、玉米等作物，拟南芥植株体积小，对环境的适应性强，能在普通MS培养基上生长，因此很容易在实验室或人工气候室内大量培养；它生活周期短，繁殖能力强，大大节省了实验时间。这些特征使得拟南芥作为遗传研究模型具有其它植物所不可比拟的优势。 第三，拟南芥还具有一些特殊的遗传特点。例如，自然条件下，拟南芥是严格的闭花自花传粉，基因高度纯合，使得基因的突变或者其他的遗传特征能够稳定的传递下去。另一方面，拟南芥又具有很强的可诱变性。目前已知可用于拟南芥人工诱变的方法包括物理的X-Ray、慢中子，化学的EMS，生物的T-DNA插入等，都能或得较高的突变率（Page 等，2002）。 第四，拟南芥研究的相关遗传手段和生化分子技术都已经比较成熟了。尤其是其基因图位克隆技术和转基因技术，对于拟南芥基因结构和功能的研究提供了很大便利，我们将在后面详细介绍。 第五，由于自然界中拟南芥分布广，种群大，提供了丰富的种质资源。数十年来，该领域的先驱们通过大量的工作收集和整理了数百种拟南芥的生态型和大量的突变体。尤其是运用高通量转化技术得到的T-DNA插入的突变体库，已经鉴定了300 000个独立的T-DNA插入株，几乎覆盖了所有的编码基因。这些插入突变株的种子免费供全世界的研究者使用，相关信息也可通过T-DNA database网站查阅。 最后，拟南芥的整个幼苗以及成苗的根都是半透明的，可以直接在光学显微镜下观察。还可以表达外源转化的荧光分子标签，通过荧光显微镜对其生长和发育过程中的细节进行实时动态研究。这些特点为拟南芥细胞学研究和遗传研究中的表型观察提供了便利。 可见，拟南芥作为模式生物具有诸多优点，这些优点使得人们越来越接受其在各方面研究中的重要作用，从而推动了近二十年来植物学和农学研究的迅速发展。可以预见的是，在未来的一二十年中拟南芥仍将是最重要的植物模型，并为人们知识的进步做出更多贡献。 拟南芥转基因技术 当前拟南芥转基因所使用的方法主要是农杆菌介导的转化。这种方法操作简便快捷，不需要经过操作复杂、技术要求高的组织培养和重新诱导分化，就能够直接获得转基因植株，为拟南芥遗传发育、生理代谢等各方面的研究工作提供了一种重要的技术手段。 农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)是一种革兰氏阴性的土壤细菌，从1907年起，人们发现它在自然条件下能够趋化感性染双子叶植物的受伤部位，侵染植物细胞后会诱导细胞增殖形成冠瘿瘤，因此也称为根瘤农杆菌。根瘤农杆菌细胞中含有Ti质粒，其上有一段含有植物激素和冠瘿碱合成酶基因的T-DNA，农杆菌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。因此，农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系。基于Ti质粒这个结构特点，1983年Hoekema等提出双元载体策略：将去除致瘤基因的T-DNA区从Ti质粒中分离，放置在一个能在农杆菌和大肠杆菌中复制的穿梭质粒中。这个穿梭载体称为双元Ti载体（Hoekema等，2000）。人们只要将目的基因插入到Ti载体上经过改造的T-DNA区，就可以借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移与整合。由于野生型Ti质粒过于庞大，约200～500kb，为了便于重组DNA操作，研究人员对Ti质粒进行了改造从而构建一系列合适的Ti衍生载体。首先除掉了野生型Ti质粒TDNA区的一段DNA片段，如植物生长素和细胞分裂素合成基因，还在T质粒上加上E. Coli复制起始位点，使得插入外源基因的质粒不但可在农杆菌中复制，而且便于在E. Coli中重组操作与保存。农杆菌介导法起初只被用于双子叶植物（如拟南芥）中，近年来，农杆菌介导转化在一些单子叶植物（尤其是水稻）中也得到了广泛应用。 拟南芥转基因过程的第一步是将目的基因以及相关元件插入穿梭载体中。现在常用的载体包括pCAMBIA系列、pPZP系列等。因为它们可以在大肠杆菌中复制和筛选，其构建的方法与一般的质粒是完全一样的。除目的基因编码区外，插入椰菜叶病毒(CaMV) 35S启动子可以介导外源基因在拟南芥体内组成型表达，研究者也可以根据需要选用不同的特异性表达的启动子。 完成质粒构建后，我们在大肠杆菌中扩增并制备质粒，用化学转化或电击法将穿梭载体转入农杆菌GV3101菌株的感受态细胞中。农杆菌GV3101菌株本身带有庆大霉素（Gent）和利福平(Rif)抗性,而载体携带并在细菌中表达卡那霉素（Kan）抗性基因，所以经三种抗生素共同抗性筛选可以去除大肠杆菌和非转化的农杆菌。通过进一步的PCR或酶切鉴定，将得到的阳性农杆菌克隆在YEB培养基中28℃扩培，以备植物转化。 用农杆菌转化拟南芥现在采用的是浸花法（floral dip method）（Clough等，1998）。用于转化的植株需在正常条件下培养4～5周，直到其抽苔开花，转化前去除果荚和已授粉的花，以提高转化的阳性率。另一方面，离心收集农杆菌并用转化介质重悬。拟南芥的转化介质中含有5%的蔗糖，1/2浓度的MS，0.05%的去垢剂Silwet－L77以及微量的植物激素脱落酸(ABA)，PH值调至5．7。只要将拟南芥的花序放到含有农杆菌的转化介质中浸泡3～5分钟即可完成转染。在转化介质的帮助下，农杆菌可以穿过植物细胞壁和质膜，侵染雌配子体即胚囊，并将带有目的基因和元件的T-DNA片段整合到雌配子的基因组上（Desfeux等，2000; Bent A, 2006）。 我们通常将用于转化的这些植物称为T0代，而从T0代上收集到的种子是T1代。在穿梭载体的T-DNA片段上还带有35S启动子控制的潮霉素（Hyp）或除草剂抗性基因，它们能够与目的基因一起整合到植物的基因组上，使得阳性的目的基因转化子同时具有相应的抗性。因此，我们可以将T1代种子铺种在含有抗生素的MS培养基上，直接筛选出转基因阳性的幼苗。这种方法大大节省了基因型鉴定的时间。由于转化只发生在雌配子体，T1代植株都是转基因的杂合子。其后代T2的抗性如果符合3：1的分离比，则T-DNA为单拷贝插入，否则可能有多个拷贝插入不同位点。单拷贝的T2代植株中，可以根据后代的抗性是否分离找到其中转基因纯合的单株。 花器官发育的ABC模型 在自然界中，植物的花呈现出特别的多样性。人们一直想要了解，植物花器官是怎样发育形成的，又是怎样演化出如此多样式的。在这其中是否存在统一的控制机制。观察发现，花的形态是有一定规律的。以野生型拟南芥为例，其花器官有四种类型：萼片、花瓣、雄蕊和心皮。这四种花器官由外向内围绕中心轴成同心圆状排布，各占一轮。这些花器官都是由花顶端分生组织发育而来的。 导致某种花器官变成另一种花器官的现象被称为同源异型转换。这些引起同源异型转换的突变基因被称为花器官决定基因（floral-organ identity gene）。人们在研究中发现两个关键现象：首先，在众多同源异型的突变体中，某种缺失的花器官本来的位置总是被另一种所占据。比如人们常见的野玫瑰只有5片花瓣，但有许多雄蕊；而观赏玫瑰中雄蕊减少了，而原本生长雄蕊的位置多出相应数量的花瓣。其次，每种同源异型突变导致两类花器官的变化，如同时影响了花瓣和萼片，或者花瓣和雄蕊。拟南芥中，A. thaliana apetala 2 (ap2)突变体的萼片被心皮取代，而花瓣被雄蕊取代（图4b）；apetala 3 (ap3)和pistillata (pi)突变体的花瓣变成了萼片，雄蕊变成了心皮（图4c）；agamous (ag)突变体的雄蕊变成了花瓣，心皮变成了萼片，此外ag突变体中花分生组织在完成四轮花器官产生后，不能正常的终止活性，而是继续发育出更多轮的花瓣和萼片（图4d）。1991年，基于对拟南芥和金鱼草中花同源异型突变体的观察和分析，E. Coen和Elliot Meyerowitz首先提出了花器官发育的ABC模型（Coen等，1991）。  图4. 花器官发育的ABC模型（Krizek等，2005） ABC模型假设存在三类功能上不同的调控基因，即A类、B类和C类，它们共同作用决定了每一轮花器官的发育。拟南芥AP1和AP2基因就属于A类，决定了在第一轮的位置上形成萼片。同时，它们还与AP3和PI等B类基因共同决定了第二轮位置上花瓣的形成。而B类的基因也与C类基因，如AG等一起控制第三轮位置上形成雄蕊。当C类基因单独作用，就决定了心皮出现于第四轮的位置，然后终止一朵花的形态建成。这个模型的另一个关键假设是A类与C类基因在功能上是拮抗的。如果A类基因突变而失去功能，那么C类基因的作用就会延伸到前两轮的位置上，反之亦然（图4e）。尽管还没有把所以细节都弄清楚，这个模型基本上解释了植物中花器官形成和定位的内在发育机制。近年来的研究表明，ABC模型不仅在拟南芥中是正确的，在其他物种如郁金香、矮牵牛花、水稻和玉米中也是保守的（Krizek等，2005）。 近年来的研究结果对ABC模型有了进一步的完善。拟南芥遗传分析发现SEP家族基因也在花器官发育过程中起着重要的作用。SEP1、SEP2、SEP3在决定花瓣、雄蕊和心皮的发育上是功能冗余的，它们三重突变体的花四轮都形成萼片一种结构。而这个家族中的另一个基因SEP4，与前三者冗余性的共同控制萼片的形成，在sep1/2/3/4四突中四种花器官都转变成类似叶片的结构，这与ABC三类基因都功能缺陷的ap2 ap3 ag三突的表型是相识的（Ditta等，2004）。因此，我们将SEP家族的基因归为E类基因，这类基因对于四种花器官的形成都是必须的（图4a）。SEP在其它物种中的同源基因（如矮牵牛花的FBP2, FBP5）功能也是保守的（Vandenbussche等，2003）。 此外，人们还发现了一类参与决定胚珠形成的基因，称为D类基因。在拟南芥中起着这种功能的基因包括：AG、SEEDSTICK (STK)和SHATTERPROOF 1 / 2(SHP1 /2)。stk shp1 shp2三突的花中，相当比例的胚珠会转变成类似于真叶或者心皮的结构。而异位表达STK或SHP基因都能够诱导萼片发生心皮化的转变（Pinyopich等，2003；Favaro等，2003）。 花器官决定基因所编码的蛋白都具有转录因子的活性。其中，AP2和LIP1/2属于植物所特有的一类AP2/ERF（乙烯反应元件结合因子）家族转录因子，其余的花器官决定因子，包括SEP、STK和SHP，都属于在真核生物中十分保守的MADS类转录因子。近年来，人们通过研究系统发生关系将拟南芥中的MADS蛋白分为了五个亚家族，花器官决定因子属于其中的MIKC亚家族。在拟南芥中，利用转基因异位表达花器官决定因子的方法，人们发现ABCE各组基因的协同作用对于花器官特异的形成和发育是充分条件。通过操控ABCE基因的特异表达，可以在四轮位置上产生任意的花器官组合。从而证实了ABC模型的主要假设（Honma等，2001）。 近年来，我们对于花器官决定的分子和生化机制的了解越来越深入。拟南芥MADS家族的花器官决定因子可以以二聚体形式结合靶基因启动子的CArG (CC(A/T)6GG) 特征DNA序列。例如，B类的基因编码的AP3和PI在形成异源二聚体时才具有DNA结合能力，并通过结合自身启动子来自主维持它们的转录活性。最近的研究还发现，这些MADS转录因子会以两个同源/异源二聚体组合成四聚体，而且四聚体相比二聚体有着更高的DNA结合活性。根据上述发现，人们提出了花器官决定的四聚体模型（Quartet Model）作为对ABC模型分子机制的补充。该模型认为，由两个MADS二聚体通过蛋白相互作用形成的四聚体复合物，能够结合靶基因启动子的两个CArG盒序列位点，并激活其转录。由于ABCE基因时空表达的特异性，在花的四轮位置会形成不同的四聚体：预测在第一轮位置是AP1–AP1–SEP–SEP,决定萼片的形成，第二轮是AP1–SEP–AP3–PI，决定花瓣；第三轮是AG–SEP–AP3–PI， 决定雄蕊；第四轮是AG–AG–SEP–SEP，决定心皮（图4a）（Theissen等，2001）。 该模型已经找到一些支持性的证据。例如，sep1 sep2 sep3三突的表型与BC类基因双突的表型一样，而在三突中BC类基因的表达是正常的，说明SEP不是通过调节ABC基因表达，而是通过与ABC因子共同形成复合体来参与花器官的决定机制。在免疫共沉淀实验中，AP3-PI异源二聚体能与AP1和SEP3直接相互作用，并通过SEP3与AG间接作用。在酵母双杂交系统中，AG与SEP1/2/3，AP1与SEP3以及其它一些MADS因子间的相互作用也得到证实（de Folter等，2005）。另一方面，人们发现AP3-PI异源二聚体能够结合到AP3启动子的CArG盒序列上，但不能激活转录；而AP3-PI-AP1或AP3-PI-SEP3三聚体都能够激活AP3的转录，说明AP1和SEP3能够促进转录（Krizek等，2005）。  图5. MADS转录因子的四聚体模型（Krizek等，2005） 过去的20年里，花器官发育领域的研究取得了很大的进展。研究的方向从逐个克隆花器官同源异型基因，转向从生化与分子水平解析花器官决定因子的协同控制花器官发育的作用机制。在未来的一段时间里，该领域研究的重点仍然在于深入了解花器官决定因子行使功能的具体机制，阐明MADS类转录因子控制高等植物遗传发育的内在机理。microRNAs在花器官形成中重要作用的发现，揭示了其调控机制中一个新的层面，成为近年来该领域研究的又一热点。而一些新技术，如染色质免疫共沉淀、microarray、高通量测序技术的应用，对于我们纵向的寻找转录因子下游的靶基因，以及横向理解发育过程中各个基因间相互调控的关系网络提供了重要的手段。 声明：本文系转载自（https://lt.cjdby.net/thread-1250501-1-1.html），该作者fdbiology发表于《临床医师科研与实践指导》，陕西师范大学出版社，2011年。 |
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