全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 4期，2008年 8月 781
新型禾本科模式植物——二穗短柄草
陈军营, 李香妞, 赵一丹, 陈新建 *
河南农业大学农学院, 郑州 450002
A New Model Plant in Gramineae——Brachypodium distachyon L.
CHEN Jun-Ying, LI Xiang-Niu, ZHAO Yi-Dan, CHEN Xin-Jian*
College of Agronomy, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
提要: 文章介绍二穗短柄草这一种新型的禾本科模式植物的分类地位、生物学特性和基因组学等方面的研究进展。
关键词: 禾本科; 二穗短柄草; 新型模式植物
收稿 2008-04-09 修定 2008-07-04
资助 国家转基因植物研究与产业化专项基金(JY03-B-19-2)和
河南省杰出人才创新基金(02 21 00 09 0)。
* 通讯作者(E-mail: xinjian@371.net; Tel: 0371-63554960)。
模式植物拟南芥和水稻已在植物学的各个研
究领域内广泛采用。但作为双子叶的拟南芥在某
种程度上并不具有禾谷类作物的生物学特性和相关
的农艺性状(如分蘖、穗分化等), 且在进化上与单
子叶植物距离较远(Keller和Feuillet 2000), 因此, 将
拟南芥中研究的结果直接应用于单子叶植物不完全
能得到好的效果; 水稻是热带植物, 与温带作物如
小麦等亲缘关系相差较远, 且具有个体大、半水
生、生活周期长、生长要求高等局限性(Draper等
2001)。因此, 需要一个新的模式植物来研究与禾
本科植物相关的一些问题。
二穗短柄草(Brachypodium distachyon L.)是一
年生温带禾本科植物, 起源于中东、北非、亚洲
和欧洲, 分布较广。它具有植株矮小、生活期短
(一般为 70 d左右)、自花授粉、繁殖力强、要
求的生长条件简单且易转化、基因组小、遗传资
源丰富、与禾谷类作物血源关系密切等特点, 所以
有望成为更有研究前途的禾谷类模式植物(Catalan
和Olmstead 2000; Kellogg 2001; Caetano-Anolle
2005)。本文就二穗短柄草生物学特性、组织培
养、遗传转化、基因组学和分子生物学应用中的
研究进展作简要介绍。
1 二穗短柄草的生物学特性、基因组大小和分类
地位
二穗短柄草植株矮小, 成熟后植株高度为
15~20 cm; 生活期短, 在室内长日照条件下, 生活
周期一般为8~11周; 通常在第7片叶长出时开始开
花, 每小花有 1枚雌蕊和 3枚雄蕊, 自花授粉; 节间
多毛, 穗子纺锤型; 颖果长而狭窄; 分枝较多, 每株
能收获多达 800粒种子(Catalan等 1995; Draper等
2001; 王宏归等 2007)。二穗短柄草有二倍体(2n=
10)四倍体(2n=20)和六倍体(2n=30)品种等丰富的多
倍体资源可供研究利用, 其多倍体基因组模式和小
麦等作物极其相似(Shi等 1993)。其中常见的是具
5对染色体和二倍体的二穗短柄草(2n=2x=10), 其生
态型多达50种(Khan和Stace 1999; Draper等2001;
Vogel等 2006a)。二穗短柄草的基因组(164 Mbp)
介于拟南芥的基因组(157 Mbp)和水稻的基因组
(490 Mbp)之间, 约是面包小麦(16 979 Mbp)的1/10,
硬粒小麦(12 030 Mbp)的 1/7以及大麦(5 439 Mbp)
的 1/3 (Bennett和 Leitch 2004; Catalan等 1995)。
DNA重复序列不到15%, 低于拟南芥(16%)和水稻
(20%)。约 35 000个基因, 在染色体上高密度分
布, 平均每 8~ 10 kb 涵盖 1 个基因(D ra pe r 等
2 00 1)。
二穗短柄草属于早熟禾亚科, 与小麦、大
麦、燕麦和水稻等粮食作物以及玉米、高梁、柳
枝稷等作物关系密切(Catalan和Olmstead 2000;
Kellogg 2001; Caetano-Anolle 2005)。Foote等(2004)
用小颖短柄草(Brachypodium sylvaticum)的 371 kb
的DNA测序片段与小麦、水稻中直系同源区域做
比较的结果显示, 二穗短柄草与小麦存在较高的微
共线性(microcolinearity), 而且比以往报道的小麦和
水稻间的微共线性好, 这说明二穗短柄草和小麦的
基因组在进化中有一定程度的保守性(Bossolini等
2007)。VogeI等(2006b)通过来源于二穗短柄草叶
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片、茎、根、愈伤组织和发育中的籽粒的 5 个
差异表达的 cDN A 文库中获得 20 440 条 EST
(expressed sequence tags)序列, 并对部分 ESTs的
系统发生作分析的结果表明, 二穗短柄草与小麦和
大麦之间的关系密切。总之, 二穗短柄草与麦类作
物的亲源关系比其与水稻之间的关系密切(图 1)。
图 1 二穗短柄草与几种禾本科作物的亲缘关系(Opeanowicz等 2008)
2 二穗短柄草的组织培养、遗传转化和生化诱变
Bablak等(1995)将二穗短柄草 3个基因型
B200、B373和 B377的成熟胚分别放在MS和N6
培养基上诱导出的愈伤组织再放在MSO或N6O培
养基上继续分化培养的结果表明, 60%以上的种子
接种在所有的培养基上10~12 d后都可以产生愈伤
组织, 加有 2.5 mg·L-1 2,4-D的MS和N6培养基最
适合于二穗短柄草胚性愈伤组织的诱导。
Christiansen等(2005)将二穗短柄草二倍体和四倍体
基因型的幼胚放在 LS培养基上培养的结果显示,
BDR017 (4n)和 BDR030 (4n)胚性愈伤组织诱导率
分别为 67%和 91%, 高于二倍体基因型 BDR001
(51%)和 BDR018 (46%)。所有基因型都可以获得
再生植株, 3~6周的 BDR017、BDR030、BDR001
和 BDR018愈伤组织的再生率为 90%~100%。
Chr is tiansen等(2005)用基因枪转化法对
BDR001、BDR017、BDR018和 BDR030这 4种
基因型的二穗短柄草幼胚的胚性愈伤组织进行转化
的结果表明, 4个基因型的平均转化率分别为 0、
3.8%、5.3%和4.1%, BDR017、BDR018和BDR030
最高转化率分别为 11%、9% 和 14%。Vain等
(2008)和 Pacurar等(2007)用农杆菌转化法对来源
于二穗短柄草Bd21和BDR018幼胚愈伤组织进行
转化的结果表明, Bd21的效率在 6%~17%之间,
BDR018农杆菌转化的效率则高达 55%, 说明基因
型不同的二穗短柄草的转化效率不同。
化学诱变方法和T-DNA插入突变方法都已在
二穗短柄草中得到应用。Engvild (2005)用不同浓
度叠氮化钠和甲基磺酸乙脂( e t h y l m e t h a n e
sulphona te, EMS)诱导二穗短柄草 BDR018、
BDR001和 BDR037 (2n)种子突变的结果表明, 叠
氮化钠诱变率比EMS的诱变率高。10 mmol·L-1叠
氮化钠诱变不同基因型的诱变率有较大差异 ,
BDR037 M1代的叶绿素诱变效率可高达45%, M2代
的叶片产生白化、黄化、浅绿和条纹 4种叶绿素
突变型; BDR018 M1和M2代的叶绿素基本上没有
突变; BDR001 M1和M2代全部表现为白化突变体。
Vain等(2008)以双元表达载体pVec8-GFP T-DNA插
入方法构建二穗短柄草突变体库时获得到2 500个
Bd21的T-DNA插入突变系, 这些突变系的部分突
变体的侧翼序列(flanking sequence)测序正在进行
中。
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3 二穗短柄草的分子生物学和基因组学
Allwood等(2006)以二穗短柄草对水稻稻瘟病
敏感的ABR1 (易感)和ABR5 (抗性)基因型为材料,
用傅立叶红外光谱仪(FT-IR)和电喷雾电离质谱
(ESI-MS)检测二穗短柄草与病原交互作用中的一些
关键代谢物变化的结果表明, 在感病过程中, ABR5
体内的磷脂酸(生物膜的组成分)增加而ABR1体内
则减少; ABR1中的磷脂酰甘油合成受抑制, 说明二
穗短柄草抗(或感)稻瘟病的机制中膜成分(磷脂酸)
的合成有增加或受抑制, 这些结果对水稻的抗性研
究提供了有价值的参考。Olsen等(2006)用基因枪
转化方法将受泛素启动子Ubi (ubiquitin)控制下的拟
南芥和多年生黑麦草开花负调控基因 T F 1 L 和
LpTF1L分别转入 2个二穗短柄草基因型 BDR017
(不需要春化处理也能够抽穗开花)和BDR018中过
量表达的结果表明, 转LpTF1L和TF1L的BDR017
植株抽穗比非转基因植株分别延迟 20和 23 d, 转
LpTF1L的 BDR018的植株抽穗则推迟 67 d, 说明
源于其他植物中的开花负调控基因在二穗短柄草中
也起作用。迄今, 二穗短柄草的研究还在起步阶
段, 以之研究与穗分化和分孽等有关的农艺性状的
结果尚未见报道。
国际短柄草协会(International Brachypodium
Initiative, IBI)正在构建二穗短柄草 Bd21的遗传连
锁图(http://www.brachypodium.org)。Luo等
(2007)曾构建了2个二穗短柄草(BD21)的BAC文库,
每个文库的覆盖度是基因组的10倍, BD-21指纹图
谱的绘制也已初步完成, 其中 26 967个为HindIII
酶解的BAC (bacterial artificial chromosome)以得到
克隆, 其指纹图谱(fingerprint)占 75%; 包括 1 987
个非重叠群(singletons)和705个重叠群(contigs), 重
叠群平均大小为 0 . 4 7 M b p ( h t t p : / / w w w .
brachypodium.org)。人们试图将这些图谱与水
稻、小麦和一些作物的基因组联系起来。加州大
学先后构建了 3个高覆盖度的二穗短柄草BAC文
库, 总覆盖度为基因组的 19.3倍, 包含 73 728个克
隆, 平均插入片段为 100~105 kb, 获得的约 6万个
BAC末端序列(BAC end sequences, BES)中有约10%
的BES与数据库中已知的DNA重复序列具有同源
性, 约有 40%的BES与EST库中的序列有关, 尤其
是与小麦和玉米的 EST有关(Huo等 2006, 2008;
Vogel等2006b)。二穗短柄草的基因组序列草图已
经完成, 全部序列的注释有望在 2008年完成(http://
www.brachypodium.org/node/8) (Bevan等 2007)。
4 结语
二穗短柄草不但生长周期短、基因组小、繁
殖力强、要求的生长条件简单、容易转化, 而且
具有拟南芥和水稻所不具备的生物学特性。二穗
短柄草有3~4周就能完成整个生长周期的品种, 有
需春化(如Bd21)和不需春化的品种; 二穗短柄草个
体虽小, 但籽粒较大, 适合于研究籽粒的灌浆和成
熟过程; 二穗短柄草中有些品种的种子有休眠现象
(如 Bd21), 可用于研究禾本科植物的相关问题; 二
穗短柄草对多种农作物病原菌敏感(如白粉病、大
麦和小麦的叶锈病和条锈病、水稻的稻瘟病等),
是研究农作物抗病机制的良好材料; 二穗短柄草的
细胞壁结构和组成与黍属植物(Panicum virgatum)
和荻属植物巨芒(Miscanthus giganteus)等能源植物
很相似, 可用于研究这些能源植物特性的分子机制
和品质改良(Draper等 2001; Vogel等 2006a; Olsen
等2006)。二穗短柄草全基因组功能注释将很快完
成, 这将更有利于解决拟南芥和水稻模式植物所不
能解决的禾本科植物中的一些问题。总之, 作为一
种新型的禾本科模式植物的二穗短柄草, 将在研究
与农业生产关系密切的禾本科植物各种生物学问题
方面发挥作用。
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