全 文 ：遗传 _H E又 E D IT A s ( B e i i i n g ) 1 4 ( 3 ) : 4 0一 4 2 19 9 2
拟南芥的分子遗传学研究概况 ` )
樊 妙 姐
(广西农学院实验中心 , 南宁 , , 3 0 0 0 , )
拟南芥 ( A r a b i d o夕了“ r h a l亩a 丹 a ) 是十字花科植物 ,
作为传统的遗传学研究材料已有 4 。多年的历史` ” , ” ’ 。
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 30 厘米高 。 而生态特征却较复
杂 , 品种 }可差异也较大 ,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 , 07 年 , aL i b ac h 观察
到了拟南芥二倍体染色体为 5 对 “ ” , 并收集了许多不
同的品种 〔 2 , 1 。 和 年后 ,他和他的学生 R e i n h ol z 成功
地做了第一个诱变实验 ` ’ ` ’ 。 通常用的诱变剂有 EM s
( 甲基磺酸乙醋 ) 、辐射 、 x 一射线等 。 不同的诱变剂诱
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 2。。 。株 M : (诱
变子二代 )植株则可获得一个失去某 种 功 能 的 突 变
体 〔 ` ’ 。 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 1 0 个突变以经典遗传学图谱的形式归
于 5个连锁群 , 这个基因图总的遗传学距离有 4” 厘
摩 ( c M ) ` , 8 〕。
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 ,如抗氯
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 【’ 2 1 ; 也有的在各种变化的生化途径中
编码酶的基因发生变化 ,如 A L s (乙酚乳酸脂合成酶 )
表 1 拟南芥蓦因大小与其他植物 的比较
二倍体基因组大小
( k b )
二倍体基因组中
D N A 重复数t
拟南芥
虹豆
棉花
烟草
大豆
毓豆
嶂 _ - 一 }
70 0 0 0
4 7 0 0 00
7 8 0 0 00
16 0 0 0 0 0
18 0 0 0 0 0
45 0 0 0 0 0
5 9 0 0 0 0
18 0 0 0
1 6 0 00 0
3 10 0 0 0
1 2 0 0 00 0
1 1 0 0 00 0
3 8 00 00
4呜0 0 0 0 0
基因突变 ` ” ’ 。 拟南芥具有许多适合于遗传学研究的
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 。
一 、 D N A 的组成
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 7 O0 kb , 仅为酵
母菌的 , 倍 , 大肠杆菌的 15 倍 , 比 豌 豆 的 基 因 组
略 , 。。 。 OO k b 要小得多 , 这样易于进行文库筛选 ; 而且
1 峪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% 。 拟南芥基因组大小等
与其他作物的比较见表 1 。
D N A 重组动力学 ( k i n o t i c a n a l y s i s o f D N ^
:
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,
oc ia
t i o n ) 和基因组特征分析 ,及随机筛选拟南芥
钓重组 几克隆的方法来分析拟南 芥 的 单 一和重复序
列 ,均表明拟南芥中只有少量的 、分散的 D N A 重复序
列 ` ’ 0 , ’ ` ,。 L ` u t w i l e r等 〔 10 ’在 1 9 8今年发现拟南芥的 1。一
14 %序列为高速复性的序列即为高度重复序列 , 或迥
文重复序列 , 多发生于编码 r R N A 的序列 ; 2 3一 27 %
为中度重复序列 , 主要是来自叶绿体基因组 ; 而 , 。一
” % 为单拷贝序列 。 由于高度 、 中度重复的序列多为
编码 rR N A、 叶绿体基因组的序列 , 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
尸 a , M泣a o i i : A M i n i r e v i e w o n M o l e e u l . r G e o e t三c `
A s P e c t R e s e a r c h i n A r
u
b i d o夕` i , I h 一 l泣一 a
l) 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 9 0 年 1 0 月 2 9 日收到 , 1 99 1 年 12 月 ` 日怪
回 。
用 ch r om o s om ew al k i ng 来克隆大的功能片段 ,分离
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 一甲基 -
胞嚓咤水平均与其他植物无显著差异 。
二 、 已克隆的签因
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 ,对进一步了解其他
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 ,是 p r u i t t 用编码 B r a s s i c a n a p u s 的 1 2 5 种子贮
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 a Zb 的结合蛋白质是由核基因编码的 ,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 k6 b
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 ,如 P un , m iu r 研究了矮牵牛的同种蛋
白的基因 ,表明它至少有 16 个甚至更多的基因编码这
种蛋白 。 而拟南芥叶绿体 : / b 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氢酶
( A d h ) 的基因` ” 。 拟南芥中只有一个 才助 基因 , 即
单拷贝基因 ,而其他植物中至少有 2 个或 3 个 才“ 基
因 。 用标记的大麦 A “ I 基因片段与拟南芥的 D N A
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 ` hI 基因有 70 % 的同源序列 ,而两者蛋白
质的氨基酸组成则有多于 80 帕 是一致的 ,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 ( s q u 。 ` h ) 的硝酸盐还原酶
基因做探针 ,克隆到拟南芥的硝酸还原酶基因「” ’ 。 用
大豆的 R N 人 聚合酶 1 基因做探针克隆到拟南芥单
一的 R N A 聚合酶 1 基因 。 也有例子表明拟南芥的
基因不少于其他植物 , 如 卜 t ub 目 in 基因在拟南芥中
至少有 7 个或许 1 个 。
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 ,再用它来做探针 ,从
有经济价值的植物中分离同源的基因 。 而且可以利用
拟雨芥的许多基因是单拷贝或小基因簇这一特点 , 对
巳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。
三 、 R F L P 图讼
现巳经开始建立了许多作物的 R F L P 图谱 ,随着
图谱的逐步完善 , 将会通过易检测的 R F L P 标记来认
识所求基因的连锁关系 , 以及染色休上的位置等 , 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
这一技术象认识孟德尔因子一样 , 把复杂的多基因看
作一个整休来认识它们的特性 。 随着图谱的完善 , 高
密度的 R F L P 图谱提供了克隆未知产物基因的可能 ,
如克隆植物的抗逆性或抗病性基因 。 az m it 报道了用
R F L p 技术定位了西红柿抗 F u a s r i u m o ” 。 p o r u m 的
基因 1 2 。 对进一步克隆此基因提供了可能 。
拟南芥的 R F L p 图谱是以 K o o r n n e e f 的连锁图
谱等工作为基础建立起来的 “ ” 川 , 巳有上百个 R F L P
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 。
四 、 农杆菌转化
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 N A 转化工作川 ’ . 在烟草已建立了
较好的转化系统 , 并已将这一体系应 用 于拟南芥 【` ” 。
但叶的转化率还较低 , 近年来发展了转化其根组织的
体系` : , ’ 。 经转化可以将某种功能的基因转人整个植物
中 , 以研究调节基因等 ,而且可能引人单基因到突变休
中使之互补突变位点 。 如 才“ 基因失活引起乙醇脱
氢酶缺陷型的突变株 , 当引人野生型编码乙醉脱氢酶
的基因到这个突变基因所在染色体上时 , 可恢复突变
的 A “ 基因的活性 “ ’ 。 拟南芥的 iT 质粒转化是研
究其基因结构和功能的重要手段之一 。
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 。 F I o r 曾提出 g e n e 一 f o r 一 g e n e 的理论 ,此学
说在许多的植物病原菌— 植物致病休系中得到初步证实 。 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
到许多有用的突变体川 。 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「川 。 对致
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 ,开展植物方面的分子遗传学研究是
十分必要的 , 对农业的实际意义也十分巨大 。 由于拟
南芥是黄单胞杆菌 .X .c vP · ca m eP o t r is 的寄主植
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 。 s o m o r , il e 研究了黄单胞杆菌在拟南芥
上的致病性 , 对其一般病症进行了描述 , 同时测定了接
, .fJJ11.一I,几内`,dj ,心2.U,人二二11`几.r`一.L.L尸工`
种黄单胞杆菌后 , 叶组 织 中叶 绿素的变化情况” , ’ 。
D va 认 用拟南芥的细胞培养液做为研究材料 , 研究了
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
义 ` ’ “ ’ 。 本文作者建立了拟南芥— 黄单胞杆菌的植物致病体系【” , 并由此体系出发 , 克隆了 以 拟 南 芥
c o l u m b i a 为寄主的无毒基因 , 并筛选到 c o l u m b i a 的
相关突变体 , 这都证实了所建体系的正确性 , 并且植物
杂交结果也初步证实了这一体系中的 g o n卜 f 。卜 g o n e
理论式植物— 植物病原菌的分子遗 传 学 关 系的存在 。 s ` a , k a w i c z 用 p · s , r i n g a e 与拟南芥建立 T 相似
的体系 , 也找到了相关菌的无毒基因` ” ` 。 对拟南芥的
抗性基因定位 、 克隆的工作正在继续 。 随着对拟南芥
的抗性基因研究的深人 ,对进一步认识植物抗病 、 病原
菌致病的遗传机理有重要意义 。
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2 : 3 6 3一3 6 8 .
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19 8 6
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8 9一 9 3 .
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. : 19 8 0
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亏69一 5 8 6 .
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: 19 8 5
. 左c i e 月 c 亡, 2 27 : 12 29一 123 1 .
H o r s c h
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B
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: 19 8 6
. 占c i e n c 亡, 2 3 7 : 46 4一 46 6 ,
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: 19 8 2
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93 : 10 9一 1 23 .
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. : 19 8 3
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: 19 8 7
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9 : 16 5一 18 5 ,
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: 19 8 6
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: 1 9 8 9
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F a l l e , l o a j aL 灸。 C o : I卜
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V a n M o n t a g u
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: 19 8 8
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1.J,曰` .二,`几`ō了ór.L.J
[ 1 〕
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〔 2 1
[ 3 ]
参 考 文 献
中国科学院植物研究所主编 : 1 , 7 2。 心中国植物图谱 , ,
第二册 , 科学出版社 。
樊妙姬 : 19 叭 。 广西农学院学报 , 1:0 , 弓一 9 6。
B e n o e l l
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M
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D , J
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S m i t h : 19 7 6
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M
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10 1一 10 7 ,
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28 5一 3 12 .
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