全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010年第 10期
模式植物二穗短柄草研究进展与展望
吕东文 王轲 晏月明
(首都师范大学生命科学学院,北京 100048 )
摘 要: 二穗短柄草 (Brachypod ium distachyon )是一种温带禾本科植物,其植株矮小, 自花授粉,生活周期短,生长条件
简单, 基因组小,易于进行遗传转化,与小麦、柳枝稷同属禾本科早熟禾亚科, 是研究小麦、大麦等经济作物以及柳枝稷等能源
植物的比较适合的模式植物。最近, 二穗短柄草基因组测序及注释正式完成,有必要对其研究进展进行全面的总结。综述了
二穗短柄草的基因组特征、基因表达模式、遗传转化等方面的最新研究进展, 并对今后的研究方向作了展望, 以促进对禾谷类
经济作物和能源植物的深入研究。
关键词: 二穗短柄草 遗传转化 基因组学 能源植物
Advance and Prospects in the Studies on Brachypod ium distachyon as a
Model Plant Species
Lv Dongw en W ang Ke Yan Yuem ing
(Co llege of Lif e Science, Cap italN ormal University, Beijing 100048)
Abstrac:t B rachypodium distachyon is a tem pera te g rass w ith sm all stature, se lf fertility, short lifecyc le, s imp le grow th requ ire
m ents, and sm a ll genom e size and can be transform ated easily. Brachypod ium d istachyon be longs to sub fam ily P ooid eae as wheat and
sw itchg rass, and a su itab lem ode l p lant to resea rch the econom ically im po rtant c rops, such as w hea t, barley and seve ra l potentia l b io fue l
g rasses. Recen tly, genom e sequenc ing and anno tation o fBrachypod ium d istachyon has finished and some new advances have been m ade.
In this paper, the genom e features, gene express ion models, and transform ation o fBrachypod ium d istachyon were rev iew ed, and its further
investigation and app lication w ere prospected, wh ich can be ab le to prom ote the deeping research of the cereal crops and bioenergy
p lants.
Key words: Brachypod ium distachyon T ransfo rm ation Genom ics B ioenergy p lants
收稿日期: 20100506
作者简介:吕东文,男,硕士研究生,研究方向:植物蛋白质组学; Em ai:l ldw sw jsn1@ 126. com
通讯作者: 晏月明,教授,博士生导师, Em ai:l yanym@ hotm ai.l com
禾本科植物 ( Poaceae)包含 3个主要的亚科,分
别为早熟禾亚科 ( Poo ideae)、稻亚科 ( Ehrharto ideae)
和黍亚科 ( Panicoideae) ,有超过 600个属, 10 000多
个种, 这些种属中的大部分在生态和农业系统中占
有极为重要的地位。其中, 大部分的冷季型谷物
(如小麦、大麦和黑麦 ), 饲草和草皮草都属于禾本
科中最大的亚科 早熟禾亚科 [ 1] , 是人类食物及
饲料供应的基础 [ 1, 2] , 而一些高产的禾本科植物如
巨芒 (M iscanthus giganteus L. )和柳枝稷 ( Panicum
virgatum L. )也是可持续能源的潜在来源 [ 3]。然而,
这一亚科中大部分物种的基因组巨大, 复杂度高。
例如, 栽培小麦的基因组大约为 17 000M b, 而且包
含 3个相互独立的基因组 [ 4 ]。这就阻碍了对其进行
基因组学研究以及分子育种。
目前, 拟南芥和水稻是研究植物的两种有效的
模式植物,然而,这两种模式植物却并不适用于对温
带禾本科植物的研究。拟南芥个体矮小,基因组小,
易培养,生长迅速, 自花授粉,易于转化,已广泛用于
植物 (包括禾本科植物 )研究; 但是, 作为一种双子
叶植物,拟南芥并不具备禾本科作物的许多农学性
状。水稻作为一种禾本科植物, 在一定程度上能够
作为一种补充,然而,水稻却并不能满足对模式植物
个体矮小,生长周期短, 生长条件简单等要求, 限制
了其作用的发挥。并且, 水稻是一种热带禾本科植
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 10期
物,其许多农学性状, 包括抗病性, 抗冻性, 籽粒成
熟,损伤耐受,分生组织休眠机制等, 与温带禾本科
植物并不相同 [ 5]。从系统发生关系上看, 水稻与小
麦、大麦等的亲缘关系较远,并不适合作为早熟禾亚
科的模式植物。因此, 迫切需要一种温带禾本科模
式植物来解决与改良谷类作物和饲草, 以及与发展
更高品质的能源作物等直接相关的问题。
二穗短柄草 ( Brachypodium distachyon )是一种
冷季型温带禾本科植物,与小麦,柳枝稷等同属禾本
科早熟禾亚科,其植株矮小 ( ! 20 cm ) [ 6] , 柔弱, 颖
果长而狭窄,每穗收获 10- 12粒种子, 全株可收获
80- 200粒 [ 7] ,自花授粉, 种子不散落, 生活周期短
(约 8- 11周 ) [ 6, 8] , 生长条件简单, 既可以土培,也
可以水培,易进行高密度种植。最近,对二穗短柄草
Bd21的测序及功能注释已经完成,这是禾本科早熟
禾亚科第一个被测序的物种。因此, 系统总结二穗
短柄草的基因组学特征,基因表达模式和功能,遗传
转化以及与生物能源植物的对比研究等, 将有助于
将对小麦和大麦等谷类作物的复杂基因组进行分析
以及与拟南芥、水稻和高粱等已测序基因组进行比
较基因组学研究。同时, 这也有助于对禾本科生物
能源作物如巨芒 (M iscan thus g iganteus L. )和柳枝稷
(Pan icum virgatum L. )的研究。
1 二穗短柄草基因组学研究
二穗短柄草有二倍体、四倍体和六倍体三种类
型 [ 9] ,染色体基数 x = 5[ 10]。二倍体二穗短柄草有
50多种生态型 [ 8 ],其中已测序的 Bd21为二倍体 ( 2n =
2x= 10),基因组小 ( ! 272 M b) [ 11] , 介于拟南芥 ( !
119M b)和水稻 ( ! 382M b)基因组之间 [ 12, 13] ; 包含
15%的重复序列 [ 14] ; 预测含有 25 532个编码蛋白
的基因,与水稻 ( 28 236个 )和高粱 ( 27 640个 )相接
近 [ 11]。
美国能源部 Jo int基因组研究所对二穗短柄草
核基因组进行测序并创建了一个转录组数据库,获
得了大约 25 000条 EST序列 [ 11]。最近, 二穗短柄
草 Bd21的基因组测序正式完成, 这些都将大大有
助于像小麦和大麦的这类冷季型作物的复杂基因组
中基因的发现 [ 15]。此外,一些短柄草的突变体也正
在开发之中 [ 12, 16 ]。在核基因测序之前,二穗短柄草
的叶绿体基因组测序已经完成 [ 17 ]。
禾本科植物基因组之间高度的宏观共线性支持
所有禾本科植物来自一个祖先的观点 [ 18, 19]。由于
这些基因组之间的共线性, 禾本科植物被认为是单
一的遗传体系 [ 18 ]。然而,在某种程度上比较作图并
不支持这一观点, 因为基因组的许多小的区域的共
线性并不保守。这是由于禾本科植物进化的复杂性
造成的,基因组首先发生复制,随后又发生基因删除,
这使得很难明确地识别真正的直系同源基因 [ 18]。
二穗短柄草基因组更为保守,很可能是一个合适的
性状遗传分析的模式系统 [ 20 ]。因此, 可以利用二
穗短柄草作为模式植物在早熟禾亚科中进行图位
克隆 [ 21]。
二穗短柄草与小麦的分化时间为 3. 2 - 3. 9千
万年前,与水稻的分化时间为 4- 4. 3千万年前 [ 11]。
水稻是一种半水生的热带禾本科植物, 它和高粱、二
穗短柄草以及重要的温带禾本科植物大麦 (H or
deum vulgare L. )、小麦 (Triticum aestivum L. )、黑麦
( Secale cereale L. )和燕麦 (Avena sa tiva L. )在约 5
千万年前就发生了分化 [ 22 ]。短柄草在 5. 6- 7. 2千
万年前染色体加倍,早于禾本科植物的分化 [ 11]。因
此, 与水稻相比短柄草与谷类作物亲缘关系更为接
近 [ 1]。作为早熟禾亚科的首次测序的一个种,二穗
短柄草基因组有助于对早熟禾亚科中最重要的经济
作物,如小麦和大麦的巨大而且复杂的基因组进行基
因组分析和基因识别。二穗短柄草、水稻和高粱在
基因含量和基因家族结构上的相似性也使得二穗短
柄草成为所有禾本科植物的功能基因组模型之一。
2 二穗短柄草一些重要基因表达模式及其
功能研究
目前, 对二穗短柄草的基因表达模式和功能的
研究仍处于初步阶段。Hong等 [ 23 ]对二穗短柄草
Bd21在 qRTPCR中的内参基因进行了研究, 发现
泛素结合酶基因 ( UBC18)在所有样品中都稳定表
达, 在不同的组织和生长激素处理样品中泛素基因
( Ub i4和 U bi10)表达稳定。而在不同非生物逆境条
件下, S腺苷甲硫氨酸脱羧酶基因 ( SamDC )表达最
为稳定。这些基因有助于二穗短柄草基因表达和生
物能源作物的研究。Hong 等 [ 24 ] 对二穗短柄草
Bd21控制开花和发育时期转变的基因 G IGANTEA
( BdGI)基因进行了研究, 发现 BdGI基因与拟南芥
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2010年第 10期 吕东文等 :模式植物二穗短柄草研究进展与展望
开花启动子 A tG I基因是同源基因。BdG I基因受昼
夜节律和光周期的调控,光照和冷处理可以使 BdGI
基因表达上调。O lsen等 [ 25]也对二穗短柄草的控制
开花的基因进行了研究,指出与拟南芥和水稻相比,
二穗短柄草在花形态学以及光周期调控方面与冷季
型温带禾谷类更为接近。此外,二穗短柄草不含有
Ehd1基因, 而水稻, 高粱, 玉米却都含有这一基因,
可见, 二穗短柄草控制开花时间的途径与水稻等
不同 [ 11]。
3 二穗短柄草的蛋白质组特征
二穗短柄草 Bd21的蛋白编码位点有 25 532
个,外显子有 140 142个, 外显子平均大小为 268
bp,内含子平均大小为 391 bp, 每个基因平均有
549个外显子 [ 11]。到目前为止, 对二穗短柄草的
蛋白质组学研究主要集中在种子蛋白方面。谷类作
物品质主要取决于粮食中的各种蛋白质的组成,通
常情况下,谷物种子中的蛋白质可分为清蛋白,醇溶
谷蛋白 (醇溶蛋白 ) , 谷蛋白和球蛋白。 Debb ie
等 [ 26]证明了球蛋白是二穗短柄草种子主要的贮藏
蛋白。本课题组采用 SDS电泳对二穗短柄草不同
株系籽粒的谷蛋白与中国春进行了对比分析 (待发
表 )发现,二穗短柄草几乎不含有高分子量谷蛋白
(HMW GS)亚基,而含有与小麦 (中国春 )低分子量
谷蛋白类似的低分子量谷蛋白 ( LMW GS )亚基
(图 1)。
1.中国春; 2. Bd2; 3. Bd3; 4. Bd4; 5. Bd9; 6. B d10;
7. Bd11; 8. Bd12; 9. Bd13; 10. Bd14; 11. Bd16; 12. B d17;
13. Bd19; 14. Bd21
图 1 Brachypodium distachyon不同株系贮藏
蛋白 SDSPAGE图谱
4 二穗短柄草的遗传转化
目前, 对二穗短柄草的遗传转化主要有两种方
法,即基因枪转化法 [ 6, 27]和农杆菌介导的转化法。
然而,基因枪转化法经常会导致复杂的基因插入类
型,包含所转基因的多重拷贝以及插入 DNA与染色
体 DNA的重排 [ 28] , 复杂插入使得随后的基因分析
变得困难。与基因枪转化相比, 农杆菌介导的转化
中的 TDNA插入常常是一个或最多几个位点的插
入。例如,在拟南芥和水稻的农杆菌转化的转基因
植株中分别只有平均 1. 5和 1. 4个 TDNA插入位
点 [ 29, 30]。农杆菌已被用来转化多种禾本科植物, 已
成为某些禾本科植物转化的常规方法 [ 31 ]。Voge l
等 [ 8]从 27种二穗短柄草株系中选出 5种二倍体株
系, 这些二倍体显示出不同的形态学特征,并得到了
这些二倍体植株在两个月内完成生命周期的条件。
他们还构建了一种农杆菌介导的转化体系, 成功转
化 19种株系中的 10种,转化效率从 0. 4% - 15%
不等,其中,二倍体株系 Bd21转化方便。分离的转
基因 T1代中显示, 这些株系中大部分只有单一基因
位点插入。随后, V ogel等 [ 32 ]又改进了农杆菌介导
的转化方法,使得转化效率提高了 15倍,这使得二
穗短柄草的转化效率达到了与水稻转化体系同样的
效率 [ 33]。这一体系使得从愈伤组织到转基因植株
的时间缩短到 16周,而从非转基因种子到转基因种
子的时间缩短到 30周。
5 二穗短柄草与生物能源
二穗短柄草与能源作物, 如草芒 (M iscanthus
giganteus L. )和柳枝稷 (Panicum virgatum L. )在进化
上亲缘关系接近,因此,二穗短柄草可以作为研究能
源作物尤其是禾本科能源植物的一种适合的模式植
物。Y ang等 [ 34 ]对短柄草、拟南芥和能源作物柳枝稷
的叶片在自然衰老过程中的脂肪酸转化进行了对比
研究,发现短柄草和柳枝稷的叶片中亚麻酸 ( 18∀3)的
含量最高,而且都不含十六碳酸 ( 16∀3) ,而拟南芥中
则含有十六碳酸 ( 16∀3)。因此,短柄草可能与柳枝稷
的脂肪酸代谢过程更为相似。已测序株系 Bd21属于
典型的长日植物。在长日条件下, Bd21在 4周左右
抽穗,这时约有 6片伸长的叶和 5个节;但在短日下,
Bd21在 130 d才抽穗,成熟时个体约 70 cm,此时的叶
片数约为 20,节数为 18[ 7]。开花抽穗和发育时期的
转变对作物产量和生物量起决定性影响,而能源作物
的关键在于提高其生物量的产量 [ 13] ,因此,推迟开花
抽穗并延长营养生长时期有助于提高产量。植物细
33
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 10期
胞壁中的多聚糖可以转化为液体燃料,而整个植株的
细胞壁燃烧可以转化为热量或电能。可见, 植物细胞
壁是可再生能源的来源。对短柄草细胞壁成分的初
步研究表明,木质素和多聚糖是细胞壁的主要构成成
分 [ 35]。Gomez等 [ 36]对二穗短柄草的茎在温和条件水
解过程中的糖化作用进行分析发现,与拟南芥相比,
二穗短柄草与能源植物构成细胞壁的非纤维素多聚
糖更为相似。
6 展望
二穗短柄草植株矮小, 自花授粉,生活周期短,
一年可以繁殖 4- 5代, 生长条件简单, 可高密度种
植,易于进行遗传转化,已经成功建立了基因枪转化
法和农杆菌介导的转化体系。其二倍体株系染色体
少,基因组小, DNA重复序列低, 易获得突变体, 已
测序二倍体株系 Bd21的基因组序列与小麦、大麦
等早熟禾亚科物种共线性好,许多主要的农艺性状
与温带禾本科植物相似,如株型、穗型、粒型、病原菌
(锈病、白粉病、赤霉病等 )、抗逆性和生长习性
等 [ 37] ,适合作为模式植物。
目前,二穗短柄草的测序及基因注释已经完成,
下一步的工作主要是对拟南芥、水稻和高粱等已测
序的植物进行比较基因组学研究。在二穗短柄草的
基因表达模式和功能研究方面,由于二穗短柄草适
合大规模诱变,其球蛋白基因可以作为选择标记,用
以识别控制种子贮藏蛋白基因表达的基因。此外,
二穗短柄草的种子较大, 比较适合用于研究种子发
育和谷物灌浆,可以将二穗短柄草作为模式系统,通
过突变和分子生物学方法更方便地分析和控制谷物
形态及生化途径, 最终提高经济类谷物的品质。由
于二穗短柄草与小麦等早熟禾亚科作物亲缘关系密
切,可以对其抗病、抗逆性基因,品质基因和生长发
育基因进行筛选、克隆和鉴定, 推动小麦、大麦等经
济作物的研究。目前对二穗短柄草的遗传转化的研
究取得了重要的进展, 但是基因枪转化法的效率太
低,尤其是二倍体株系的转化效率有待进一步提高。
尽管草本能源作物 (尤其是禾本科植物 )正在成为
新型的可持续能源的来源, 但对其具有生物能源特
性的生物学基础却知之甚少,因此,二穗短柄草可以
作为模式植物来解决与发展更高品质的能源作物等
直接相关的问题。
参 考 文 献
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