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植物功能基因组学研究技术及其在林木中的应用



全 文 :植物生理学通讯 第41卷 第4期,2005年8月 413
植物功能基因组学研究技术及其在林木中的应用
王泽亮 林善枝 张志毅* 林元震 张谦 罗磊
北京林业大学林木花卉遗传育种教育部重点实验室,北京100083
Techniques of Plant Functional Genomics and Its Application in Forest Trees
WANG Ze-Liang, LIN Shan-Zhi, ZHANG Zhi-Yi*, LIN Yuan-Zhen, ZHANG Qian, LUO Lei
Key Laboratory for Genetics and Breeding in Forest Trees and Ornamental Plants, Ministry of Education, Beijing Forestry
University, Beijing 100083, China
提要 介绍了近年来植物功能基因组学研究技术包括表达序列标签、基因表达的系列分析、DNA 微阵列、反向遗传学的
发展及其在植物,特别是在林木中的应用进展。
关键词 林木;植物功能基因组学; 研究技术
收稿 2004-12-17 修定   2005-03-23
资助  国家自然科学基金项目(30271093)和国家转基因植物研
究与产业化专项(J2002-B-003)。
*通讯作者(E-mail: zhangzy@bjfu.edu.cn, Tel: 010-
62338502)。
随着拟南芥与水稻基因组测序的完成,公共
数据库中已经积累了拟南芥、水稻及其它物种的
大量基因序列信息,基因组学研究已开始从结构
基因组学转向功能基因组学,抑制差减杂交、差
式筛选、cD N A 代表性差异分析、mRN A 差异显
示等一系列传统的技术已不能满足功能基因组学研
究的需要,基因表达的系列分析、DNA 微阵列、
反向遗传学等一批新技术应运而生,并迅速发展
成熟,因此从基因组水平上大规模、批量鉴定基
因的功能,进而全面研究控制植物生长发育及响
应环境变化的遗传机制成为可能。目前,植物功
能基因组学研究主要集中于拟南芥、水稻、杨树
等少数几种模式物种上。本文主要概述了植物功
能基因组学技术的发展及其在植物特别是在林木研
究中的应用,并对这一领域研究中存在的主要问
题和发展趋势进行了讨论。
1 植物功能基因组学的研究技术
1.1 表达序列标签(expressed sequence tag,EST)
EST 是将 mRNA 反转录成 cDNA 并克隆到载体构
建成 cDNA 文库后,大规模随机挑选 cDNA 克隆,
对5或3端进行测序所获得的长约150~500 bp的
基因序列片段。由于 EST 代表着一段表达的基因
序列,可与公共数据库中的基因进行“电子杂
交”(electric hybridization),进而可以从理论上推
测其所代表的基因的功能,这个过程是一个虚拟
的 RNA 印迹[1]。EST 可部分替代基因组成为科学
研究的资源或作为全基因组研究的补充[ 2 ]。目
前,已在玉米、小麦、番茄、大麦、大豆、
棉花、油菜等农作物,以及杨树、松树等林木
中进行了 EST 研究。截止到 2004 年 12 月 3 日,
在美国国家生物技术信息中心 EST 数据库中登录
的拟南芥、水稻、火炬松(Pinus taeda L.)、欧
洲山杨(Populus tremula L.)× 美洲山杨(P.
tremuloides Michx.)、毛果杨(P. trichocarpa Torr.
& A. Gray)的 EST 数目已分别超过32、29、17、
6 和 5 万条。
许多实验表明,EST 不仅可用于构建限制性
片段长度多态性(restriction fragment length
polymorphism,RFLP)连锁图谱[3],还可作为探
针有效地筛选酵母人工染色体(yeast artificial
chromosome,YAC)克隆,进而构建染色体物理
图谱[4],而且 EST 还是制备 DNA 微阵列的良好资
源,可用于基因的表达和功能研究。水稻的大规
模基因组测序研究表明,某些 EST 具有明显的文
库特异性分布,其组成在某种程度上可以反映出
与植物生长、分化、环境条件相关的特异基因表
达调控情况[5],由此可认为 EST 是发现新基因的
有效工具。2001 年,Zhang 等[6]用此技术从NaCl
专论与综述 Reviews
植物生理学通讯 第41卷 第4期,2005年8月414
处理过的盐地碱蓬(Suaeda salsa L.)文库中鉴定出
76 个全新的克隆。
此外,EST 还可用于确定其组织来源的基因
转录概况,其基本原理是高效表达的基因产生高
水平的 mRNA,相应的 cDNA 在文库中丰富表达,
随机挑取克隆测序后,EST 数量就大体代表了基
因在群体中的表达谱[7]。Ogihara等[8]在构建小麦
(Triticum aestivum L.)的根、种子等10个组织的
cDNA 文库的基础上,计算 EST 的表达丰度,获
得了小麦组织相关的基因表达模式,并对小麦生
命周期中基因表达的整体变化进行了估计。
1.2 基因表达的系列分析(serial analysis of gene
expression,SAGE) SAGE是 Velculescu等[9]于
1995年提出的一种对正常与发病组织中的表达基
因进行数量化分类与对比的技术,其主要理论依
据是采用来自cDNA 3端的一段9~13 bp长的序列
(称为 SAGE标签)来区分基因组中95%的基因。通
过 cDNA 制备 SAGE 标签,在随机连接、扩增并
集中测序后,可获得各 SAGE 标签所代表的基因
在特定组织中是否表达以及表达丰度等信息。自
SAGE 技术问世以来,它主要用于动物病变组织
的分析。近几年,SAGE 技术开始应用于植物新
基因的发现以及植物组织转录谱的分析。19 9 9
年,Matsumura 等[10]首次将 SAGE 技术应用于水
稻研究,并获得了水稻实生苗 10 122 个 SAGE 标
签,代表了5 921个表达的基因,其中约有23.1%
基因与数据库中已报道的水稻 cDNA 或 EST 序列
相匹配;同时,他还用 SAGE 技术对厌氧处理与
否的水稻实生苗的基因表达差异进行了比较分析。
最近,Jung 等[11]和 Lee 等[12]用 SAGE 技术分析了
经低温处理的拟南芥叶片和花粉的基因表达概况,
分别获得了12 049和4 211个单一的标签,并从正
常和低温处理的叶片中发现 272 个差异表达的基
因,其中高度表达的基因分别有 82 个与 172 个。
另外,Fizames等[13]用 SAGE技术分析了拟南芥根
的转录谱,并根据拟南芥基因组的26 620个注释
基因,建立和提供了一种新的计算机处理方法及
一个可进行拟南芥转录谱研究的 SAGE 参考数据
库。
1.3 DNA微阵列(DNA microarray) 从本质上讲
DNA 微阵列是一种高通量平行反向的Northern杂
交,基本原理是把预先合成的 c D N A 、E S T 等
DNA 片段固定在硅片、玻璃或尼龙膜等固相支持
物 上 , 或 在 固 相 支 持 物 上 用 光 版 印 刷
(photolithographic)等方法合成基因特异的寡聚
核苷酸,随后与放射性同位素或荧光物标记的来
自不同细胞、组织或整个器官 mRNA 或其反转录
生成的 cDNA 进行杂交,然后用激光共聚焦显微
镜或其它系统对芯片进行扫描, 根据探针位置和序
列及杂交信号强弱来确定靶 DNA 的表达情况。这
一技术具有微型化、自动化和平行化等特点,不
仅可同时对大量基因、甚至整个基因组基因的
表达差异进行对比分析,而且还可应用于转录
因子靶基因和顺式作用元件的鉴定[14]。1995 年,
Schena等[15]首次用含45个拟南芥cDNA的微阵列
对拟南芥叶片和根组织的基因表达差异进行了研
究。随后,D N A 微阵列技术得到迅速发展。这
体现在 DNA 片段可高密度点到固相支持物上,而
且样品可用多种荧光物进行标记,这就可以在 1
个杂交反应中同时分析多种探针。1 9 9 7 年,
DeRisi等[16]将 6 000多个 cDNA固定到 18 mm×18
mm 的支持物上。随后,Desprez 等[17]创造了一
种cDNA 膜可重复使用 10 次并能使阵列密度得到
大幅度提高的新方法,而且此方法只需简单的技
术支持,具有较高的应用价值。
目前,DNA 微阵列技术已广泛应用于生物节
律、植物防御、果实成熟、种子发育、环境胁
迫响应等的研究[18],而且当前应用的微阵列系统
主要是 cDNA 微阵列,即 cDNA 克隆的 PCR 扩增
产物固定到固相介质上的一种微阵列。2002 年,
Seki等[19]用包括大约7 000个全长cDNA的微阵列,
分析了拟南芥在干旱、低温、高盐不同处理时间
的基因表达概况,从中分别发现了53、277、194
个上调表达的基因, 其中有22个基因对这3种胁
迫都能起响应。Fowler等[20]用代表8 297个拟南芥
基因的GeneChip array(Affymetrix公司的一种DNA
微阵列,为固相介质表面合成寡聚核苷酸的微阵
列系统),对低温处理不同时间拟南芥的基因表达
差异进行了检测。最近,Maruyama 等[21]用全长
的cDNA 微阵列和GeneChip array从过量表达转
录因子 DREB1A 的转基因拟南芥中鉴定出 38 个下
游基因,其中 20 个为未报道的新基因。
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1.4 反向遗传学(reverse genetics) 尽管从理论上
可以通过与已知功能基因的同源性比较来获知新发
现的基因序列的功能,但由于很多基因缺乏相应
的同源物,以致这些基因的功能无法得到准确鉴
定。Bouchez和 Höfte[22]认为,用创造功能缺失突
变体与结合突变体表型研究的方法,可直接确定
基因的功能。有实验表明,当转座子或 T - D N A
插入到基因组中后基因即发生突变。为了有效筛
选突变体,可根据目的基因序列和插入元件序列
分别设计一个引物,然后利用所设计的引物对突
变体群体进行 PCR 扩增。由于只有目的基因插入
转座子或 T-DNA 的突变体才有 PCR 扩增产物,所
以可根据扩增产物的有无从数以千计的群体中筛选
出所需要的突变体,并进而确定基因的功能。目
前,一般创造植物突变群体的方法是用异源的玉
米转座子(Ac/Ds 或 Mu),或采用根癌农杆菌的T-
DNA。虽然用 PCR 技术可以进行突变体筛选,但
这对数以千计的材料来说,工作量十分巨大。为
克服这一困难,可利用 DNA 混合池进行突变体的
筛选[23],或通过研究突变群体中插入位点的旁侧
序列来预先确定基因组中大量的插入位点[2 4 ]。
2002年,Sessions等[25]用改进的TAIL-PCR(thermal
asymmetric interlaced-PCR)方法,扩增到拟南芥插
入T-DNA 的基因左侧片段,并通过与基因组序列
比较,确定了每一株系 T-DN A 插入的位点。除
了用转座子和 T-DNA 引起突变外,还可用传统的
化学诱变剂。这一方法能在任何植物中诱导单核
苷酸突变,可弥补转座子和 T-DNA 只能在少数几
种植物中引起突变和插入位点在基因组中具有选择
性的缺陷。在此基础上,McCallum等[26]引入一种
鉴定诱导点突变的有效技术即TILLING(targeting
induced local lesions in genomes)技术,从而将高
效快速的突变检测方法与传统的化学诱变结合在一
起。目前,TILLING 技术已用于拟南芥研究,以
获得等位基因的点突变系列[27]。尽管通过一系列
突变方法能建立大量的突变群体,但同野生型相
比,突变体的表型可能只表现为植物生长或发育
的微小改变,因此需要一种有效方法来鉴定突变
体表型的差异。为了解决这一问题,Douglas等[28]
建立了一套高通量的基于一系列生长阶段的表型分
析模型,可有效用于植物表型差异的鉴定。
另外,基因组中基因可能存在多拷贝,基因
敲除可能会引起植物死亡,同时插入因子或化学
诱变剂可能无法使特异的基因发生突变,因而插
入诱变与化学诱变的应用在一定程度上受到限制。
目前已有的研究结果表明,双链 RNA 可通过微粒
轰击、含内含子的发卡RNA (intron-containing
hairpin RNA, ihpRNA)的表达载体、带有能表达
ihpRNA的 T-DNA的根癌农杆菌侵染或病毒诱导的
转基因沉默等方法引入植物中[29],而引入植物中
的双链 RNA 可引发其同源 mRNA 的降解和抑制相
应基因的表达,进而达到鉴定基因功能的目的,
这就是 RNA 干涉(RNAi)技术。近年来,RNAi 技
术在植物研究中已得到了一定的应用,用基因家
族的高度保守序列设计 RNA 可使整个基因家族沉
默,或可采用诱导型启动子使某个基因只在特定
的生长时期或特定的植物器官中表达[30],都有可
能解决基因多拷贝问题。
综上所述,E S T 、S A G E 、D N A 微阵列技
术可有效地应用于植物功能基因组学研究。但
是,它们又各有缺限。在植物体中,有些基因
表达量极少,ES T、SA G E、DN A 微阵列可能无
法检测到这些基因。另外,植物的表型可能是通
过一系列表达调控过程或代谢过程而表现出来的,
因此功能缺失突变体策略可能无法确定单个基因的
功能。这说明植物功能基因组学的研究需要将各
种技术有机地结合在一起,而且需要有更精确的
检测技术或基因功能鉴定技术支撑。
2 植物功能基因组学研究技术在林木中的应用
当前植物功能基因组学研究主要集中于一年
生的拟南芥与水稻两个物种上,这主要是由于它
们的遗传背景清楚,基因组较小,而且易于进行
分子生物学操作等。而林木作为多年生木本植
物,其生长周期长,遗传杂合性高,遗传机制
不明,而且许多重要经济性状是属于多基因控制
的数量性状,这使得常规育种手段往往难以满足
不同目的定向培育林木新品种的要求[31]。但是,
林木作为重要的自然资源,一方面在生态环境建
设中有巨大的生态效益和社会效益,另一方面也
是重要的工业原料和生活用材,具有巨大的经济
价值。因此,开展林木功能基因组学研究很重
要。目前,有关火炬松和杨树的功能基因组学研
植物生理学通讯 第41卷 第4期,2005年8月416
究已取得了较大进展,而且由于杨属树种具有基
因组较小(大约 550 Mb)、生长迅速、遗传转化容
易等特点,已成为林木功能基因组学研究的模式
系统[32~35]。
在火炬松中,Allona等[36]和Zhang等[37]用EST
技术研究了火炬松正常及应拉木(tension wood)的
木质部发生过程的基因表达,并鉴定出一些基因
及相关蛋白。Whetten等[38]分析火炬松次生木质部
发生过程的基因表达时见到有些基因是火炬松所特
有的,而有些基因也存在于拟南芥中,并从中鉴
定出几种与细胞壁发生有关的蛋白。2 0 0 2 年,
Lorenz等[39]在十年生火炬松木质部木质化过程中
基因表达的研究中获得了分别代表树干上部与下部
组织的85 000 与 65 000 个 SAGE 标签,分别代表
了27 398 和 25 983 个表达的基因,在此基础上,
他们还对十年生火炬松木质化过程的转录组作了数
量化的描述。
在杨树中,Sterky等[40]在研究欧洲山杨 ×美
洲山杨、毛果杨木材形成过程的基因表达中鉴定
出 5 692 个 EST 序列。经分析,这些 EST 序列代
表了3 719个单一的转录本。Hertzberg等[41]用来
自杂交杨树的2 995条EST组成的微阵列对欧洲山
杨 × 美洲山杨木质部不同发育时期的的转录谱进
行鉴定的结果表明,编码木质素与纤维素生物合
成的酶的基因和编码木质部发生有关的转录因子及
调控因子的基因受发育时期的严格调控。最近,
Dejardin等[42]在研究杨树不同木材组织中的基因表
达差异中分别构建了应拉木与相对木(opposite
wood)的形成层区域(cambial zone,CZ)、分化木
质部(differentiating xylem,DX)、成熟木质部
(mature xylem,MX)等组织的文库,获得10 062
条 EST 序列。测序分析表明在 CZ 和 DX 间显示出
明显的发育转换,而在 D X 和 M X 间则显示出发
育的连续性。Sterky等[43]在对以前的EST资源以
及新获得的欧洲山杨 × 美洲山杨、欧洲山杨、毛
果杨的16个不同组织或同一组织不同发育阶段的
总共102 019条 EST比较分析中,共获得4 000多
个可用于精确注释杨树基因组序列的全克隆序
列;从其与拟南芥基因组编码序列的比较中可以
看到它们之间有较高的相似性。据此认为,一年
生植物与多年生植物的不同,可能主要是由于基
因表达调控不同。另外,近来有些研究者对胁迫
或衰亡状态下杨树组织的基因表达进行了研究。
2003年,Kohler等[44]在研究毛果杨×美洲黑杨(P.
trichocarpa Torr. & A. Gray × P. deltoids Bartr.)正常
与水胁迫扦插苗的根基因转录情况时,通过对
7 013条 EST进行分析,发现4 874个单一的转录
本中有13%编码代谢途径蛋白的基因在2种材料中
都能表达,而参与编码蛋白合成的基因在水分胁
迫条件下比未受水分胁迫的多 2%。B h a l e r a o
等[45]的研究结果表明,大田欧洲山杨秋天出现衰
老症状前的叶片与温室欧洲山杨×美洲山杨正常叶
片的基因表达模式有明显差异,其中编码金属硫
蛋白、光诱导蛋白、半胱氨酸蛋白酶的 EST 在秋
叶文库中可丰富表达。最近,反向遗传学技术在
林木研究中也取得了一定进展。Fladung等[46]用T-
DNA 与 Ac 因子获得了一系列杨树表型变异体,并
发现Ac因子能比T-DNA更有效地插入到杨树基因
编码区域或编码区域旁侧的序列中。Meyer 等[47]
构建了特异于GUS报告基因的RNAi载体并用于转
化研究,发现 G U S 报告基因的表达明显受到抑
制,从而证实了RNAi技术可用于杨树基因功能研
究。到目前为止,一系列的研究发现杨属树种的
基因组序列是高度保守的,与拟南芥基因组有显
著的同线性和微共线性[48],而且它们的编码序列
也非常相似。这说明拟南芥的基因功能信息及其
研究过程中的经验信息可供杨树功能基因组学的研
究借鉴。
除了木质素、纤维素等主要的组成成分外,
木材还包含了很多具有重要经济价值的化学物质,
这些化学物的含量是随树种、生长条件和砍伐时
间不同而有差异的,但人们对其形成的树木特异
生物学了解很少。Yang等[49]为研究刺槐(Robinia
pseudoacacia L.)心材及其化学物形成的分子机制,
对刺槐树干的基因表达概况进行分析时,发现在
已获得的2 915条EST序列中有55.3%的序列与已
知基因序列不匹配。他们用聚类分析所得到的
2 278 个单基因系所构建的cDNA 微阵列,对刺槐
木材不同区域的基因表达情况进行分析时,发现
各个区域基因表达不同,分别代表了各区域不同
的生理代谢过程。
我国有关林木功能基因组的研究很少,目前
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已用油茶种子、杜仲树皮、杨树黑斑病感抗无性
系、茶树新梢以及盐处理的胡杨根组织等材料构
建了相应的 cDNA 文库[50~54]。陈亮等[53]从构建的
茶树cDNA 文库中得到 2 963 个大于 200 bp 的序
列,去除载体序列与较短的序列后获得 1 687 个
EST;曾会明等[54]用随机引物法标记的探针筛选
盐处理的胡杨(P. euphratica Oliv.) cDNA扣除文
库,确认了 3 个有差异信号的探针,对其中 1 个
进行的测序结果表明内含 6 个开放阅读框,其中
1 个可能编码胡杨耐盐蛋白。但更深入的研究尚
未见报道。
3 结束语
目前,植物功能基因组学研究虽然获得了一
定的进展,但大部分植物功能基因组学研究技术
仅局限于发现大量的基因,而反向遗传学作为目
前有效的研究基因功能的工具,尚处于大量突变
群体建立的初级阶段,真正的大规模基因功能性
研究报道则很少。与拟南芥与水稻等草本植物相
比,林木功能基因组的研究起步更晚,且主要是
研究木材的形成,对林木响应逆境胁迫的研究很
少。同时,由于林木生长周期长,获得突变体
需要更长的时间,反向遗传学的应用也就受到一
定限制。因此,林木功能基因组研究的进一步发
展需要依赖于现有技术的继续发展,以及易于应
用的高通量基因功能研究新技术的出现,并需要
开展广泛的国际合作。
随着拟南芥、水稻、杨树的基因组及功能基
因组学研究的深入以及目前植物蛋白组学和代谢组
学等技术的迅速发展,可提供的植物基因序列信
息、基因表达调控信息、基因功能信息及代谢网
络信息会更多,这必将有助于从理论上进一步阐
明林木基因组的结构与功能,并可为林木分子改
良育种提供必要而有效的技术支撑。
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