1、2014 年 12 月 山东农业大学 Dec 2014与拟南芥对话王畅(山东农业大学生命科学学院生物科学，山东 255080)摘要：拟南芥属于被子植物门，双子叶植物纲，十字花科， 鼠耳芥属，二年生草本，拉丁名为 Arabidopsis thaliala (L.) Heynh，又名阿拉伯芥、鼠耳芥、阿拉伯草。拟南芥作为一种草本植物广泛分布于欧亚大陆和非洲西北部，在我国的内蒙、新疆、陕西、甘肃、西藏、山东、江苏、安徽、湖北、四川、云南等省区均有生长。这种小小的有花植物，是在植物科学，包括遗传学和植物发育研究中的模式生物之一。它是理解许多植物性状的一种流行的分子生物学工具，包括花的发育和向光性。拟南
2、芥是第一个基因组被完整测序的植物，其基因组是目前已知植物基因组中最小的，是进行遗传学研究的好材料，被誉为“植物中的果蝇” 。关键词：拟南芥；模式生物；花发育的 ABC 模型；microRNA(miRNA)；价值 1 形态特征拟南芥的形态特征分明，莲座叶着生在植株基部，基生叶有柄呈莲座状，叶片倒卵形或匙形；茎生叶无柄，披针形或线形。侧枝着生在叶腋基部，主茎及侧枝顶部生有总状花序，四片白色匙形花瓣，四强雄蕊。长角果线形，长约 1-1.5cm，每个果荚可着生 50-60粒种子，花期 35 月。2 模式生物尽管拟南芥在农业上并无多少直接的贡献，但其由于具有以下的特点而成为研究有花植物的遗传、细胞、发育
3、、分子生物学研究的模式植物。拟南芥植株较小（一个 8cm 见方的培养钵可种植 4-10 株） 、生长周期短（从发芽到开花约 4-6 周） 、结实多（每株植物可产生数千粒种子） 。生活力强（用普通培养基就可作人工培养）。拟南芥基因组小，由五对染色体组成。其基因组 1序列已于 2000 年由国际拟南芥基因组 2合作联盟联合完成，这是第一个实现全序列分析的植物基因组。拟南芥基因组约为12,500 万碱基对，包含约 2.6 万个基因，编码约 2.5 万种蛋白质。2014 年 12 月 山东农业大学 Dec 2014拟南芥是典型的自花受粉植物，基因高度纯合，易于保持遗传稳定性，通过物理（如辐射处理） 、
4、化学（如 EMS 诱变）及生物（如利用植物内源转座子或者根瘤农杆菌将 DNA 片段转入拟南芥基因组）的手段，已获得大量的发生在不同基因位点的突变体，易获得各种代谢功能的缺陷型。例如用含杀草剂的培养基来筛选，一般获得抗杀草剂的突变率是1/100000。研究人员建立了若干种质资源中心，方便了突变体的获取和交流。拟南芥是易于转化。经过不断的实践，利用根瘤农杆菌把 DNA 转化拟南芥基因组的花序浸渍法”已是常规操作。对生长 5-6 周已抽苔的拟南芥打顶来促进侧枝生长，待花序大量产生时将其在含有转化辅助剂 silwet 和蔗糖的农杆菌溶液中浸泡几分钟，3-4 周后对转化植株收种子。在含有合适抗生素的平板
5、上对种子进行筛选，能够健康生长的幼苗为转基因植株。这种转化方法不需要组织培养和再生植株的过程，操作简便、转化效率较高，为研究人员建立突变体库、改变目的基因的表达特征以及开展互补验证等实验提供了便利。这些特点使得拟南芥的突变表型易于观察，为突变体筛选提供了便利。同时，可以方便的进行人工杂交，利于遗传研究。同时拟南芥这些优点使得其成为进行遗传学研究的好材料，成为全球应用最广泛的模式植物，被科学家誉为“植物中的果蝇”。3 研究历史1873 年，亚历山大布朗第一次用文献记录了拟南芥的突变体。然而，直到 1943 年，拟南芥作为模式生物的潜能才有文献记录。这个突变体现在称为 AGAMOUS，而这个突变的
6、基因也在 1990 年被克隆分离出来。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。4 研究重要发现4.1 花发育的 ABC 模型在结构上，拟南芥的花与大多数开花植物相似，由四轮基本的花器官组成：从外向里分别为花萼、花瓣、雄蕊 及雌蕊。ABC 模型中的 A、B、C 分别指的是控制不同花器官发育的三大类基因，其中 A 类基因决定了花萼的特征；A 类+B 类基因共同作用决定了花瓣特征；B 类+C 类基因共同作用决定了雄蕊特征；C 类基因单独作用决定了雌蕊心皮的特征，同时也终止花器官在第四轮形成之后继续分化(A)。在野生型花器官中，这三类基因的表达产物大体按照它们所各自决定的
7、花器官位置，分布于相应的区域。当其中某个基因发生突变之后，它所控制的区域则会发育出其他类型的花器官。例如，在 B 类基因的突变体中(B 类基因功能消失)，第二轮的花瓣 区域由于只受到 A 类基因的调控，会发育出与第一轮相同的2014 年 12 月 山东农业大学 Dec 2014花萼，第三轮的雄蕊也会相应地转化成第四轮的心皮组织(雌蕊的组成部分)(B)。A、B、C三大类基因都编码转录因子，在花原基的发育过程中会由外到内被逐个激活，从而确保正确的 花器官在准确的时期出现。拟南芥花发育中所使用的这套机制与动物发育中基因表达系统类似。在果蝇中，不同的 Hox(homeobox)转录因子控制着不同部位的
8、发育，它们也类似 ABC 模型，利用重叠的基因表达区域形成新的器官。4.2 microRNA(miRNA)miRNA3是高等真核生物中一类非翻译 RNA，由基因组编码。miRNA 前体的转录过程与普通基因 mRNA 的转录过程基本类似。不同的是，初始 miRNA 转录本(pri-miRNA)为“发夹”结构，然后通过不同酶的修饰最终形成“成熟”miRNA。成熟 miRNA4仅含有 1923 个碱基核苷酸，但是这些寡聚核苷酸却可以通过碱基配对与一些基因的 mRNA 结合，在一些酶的参与下破坏与之结合的 mRNA 或者干扰 mRNA 的正常翻译。miRNA 最早于 1993 年在线虫中发现,在拟南芥
9、中，大多数已经发现的 miRNA5都参与植物重要的生命活动，例如，植物的形态建成，RNA 诱导的基因 6沉默以及植物对于逆境的适应性等。5 应用价值科学家从拟南芥的功能基因研究出发，在水稻中过量表达拟南芥 HARDY（HRD） 7基因，最终实现了提高水稻的水分利用效率，增强抗旱能力1。拟南芥中功能获得性突变体hrd-D 叶片深绿、根系发达、多个非生物胁迫相关基因的表达水平提高，抵抗干旱和高盐环境的能力显著增强，突变体中 HRD 基因 8表达量升高。HRD 在水稻中的超表达可以增加水稻叶片的生物量和维管束鞘细胞的数目，提高光合效率，降低蒸腾，从而增强水分利用效率和抗旱能力。生长素是一类低分子量的
10、植物激素，它通过调节细胞分裂、伸长和分化对植物生长发育的各个方面发挥重要的调节作用。在拟南芥中生长素通过依赖于泛素分子的蛋白降解途径发挥功能，调控下游基因表达。早在 1993 年人们鉴定到拟南芥分枝增加的突变体 axr1, 发现 AXR1 蛋白参与依赖于泛素分子的蛋白降解途径2。AXR1 能够激活泛素样蛋白 RUB1，并促进 RUB19与 SCFTIR110复合体中 CUL1 蛋白的结合。AXR1 11蛋白的突变使 RUB1 与CUL1 的结合降低，SCF 复合体功能降低，进而带来对生长素响应的降低3。随后在动物中鉴定了 RUB1 的同源物 Nedd8，研究表明 Nedd8 同样是 SCF 复
11、合体发挥功能所必需的4，而 SCF 功能紊乱与多种人类疾病如癌症、阿尔兹海默症等密切相关。由此可见，拟南芥中生长素信号途径的研究对于认识人类某些疾病的发病机理提供了重要帮助。2014 年 12 月 山东农业大学 Dec 20146 讨论在过去十多年里，拟南芥遗传学在植物生物化学、生理学、病理学和发育生物学研究中发挥着越来越重要的作用,但仍有许多问题值得研究者深入讨论。某种性状是由那个基因改变产生的？如果突变是由 T-DNA 或转座子插入引起，插入序列会提供一个直接指向基因的标签，但是绝大多数遗传变异不属于这种情形，这是什么原因呢？除定位克隆诱导基因突变外，还有什么方法能更好的避免诱变带来的不良
12、反应呢？ 7 结论拟南芥作为第一个基因组被完整测序的植物，是在植物科学包括遗传学和植物发育研究中的模式生物之一。拟南芥在遗传学研究中发挥了重要作用，为人类知识进步作出巨大贡献。参考文献1 黄娟，李家洋.拟南芥基因组研究进展.微生物学通报.2001,28 （4）2 徐平丽，张传坤，孙万刚，单雷，李新国.模式生物拟南芥基因组研究进展 .山东农业科学.2006,61001-4942（2006）06-0100-033 金伟波,孔栋,应晓敏,郭蔼光,李伍举. 拟南芥基因组中新的 microRNA 预测及分析.生物物理学报.2007 年 05 期4 林妍,陈松,吴德伟.MicroRNA 的生物合成及作用机
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