植物间水平基因转移——基因交流新途径及其农业利用潜力

水平基因转移(horizontal gene transfer, HGT)指通过受精以外的方式进行的跨物种遗传物质传递,是原核和真核生物基因组构成的重要来源,对生物进化具有重要推动作用。近年来,基因组测序技术的发展进一步证明了植物之间存在着大量的水平基因转移事件。文章主要对国内外植物间水平基因转移的途径、转移的基因分类,以及水平基因转移在农业中的应用潜力等方面进行了综述和讨论,分析了当前植物水平基因转移研究存在的问题,并就未来基础理论研究及利用的方向作了展望。     

花粉转移外源DNA片断

通过使用常规的遗传技术,植物育种家成功地改良了主要农作物的产量和品质。不过,在未来的10年之内,遗传工程一定会对玉米改良做出可观的贡献。当然,遗传工程只可能作为植物育种家在工作中的一个工具而已。 遗传工程师首先要在分子水平上分离出单个的基因,而后把这些分离的基因输入到受体基因组,变成重组DNA片断。只有在不严重干扰受体基因组遗传平衡的情况下,输入的外源基因发挥作用,这项技术才能成功。一般的程序是首先把外源基因输入到质粒基因组,而后让质粒进入真核生物细胞,通过质粒基因组和寄主染色体组     

植物质体基因组研究进展

质体是植物细胞合成代谢中最主要的细胞器,包括叶绿体、有色体和白色体。质体中含有独立于细胞核的质体基因组。质体基因组是植物三大遗传系统之一。质体基因组具备一些不同于核基因组的特性,如无5-甲基胞嘧啶、基因组成和结构保守、经常发生基因转移事件等。对质体基因组的遗传方式、质核互作、保守性、不稳定性、系统进化进行简要总结,重点综述植物质体基因转移现象。本研究认为质体基因组遵循"用进废退"规律,植物体的折衷法则和(或)冗余机制使质体基因组的容错性增强,细胞核基因(与质体基因相比)能够赋予植物更强的适应性和表型可塑性。     

植物微核技术的原理与应用

植物微核技术是近年来发展起来的一种有性杂交不亲和植物间部分基因组转移的新途径 .通过微核技术可在不同属植物间转移单条或多条染色体 ,且所得再生植株性状稳定 ,在植物育种方面具有重要意义 .微核技术还可用于定位基因、建立特异染色体 DNA文库、鉴定基因功能等     

通过辐射花粉实现基因转移——一种有希望的植物育种新途径

基因转移(Gene transfer),是指通过杂交或转化等生物学措施,将一种生物体的某些基因转移到另一生物体的基因组内。在植物中,进行基因转移的方法有利用Ti质粒等载体将供体的基因转入受体植株:对子房、胚珠、胚囊或原生质体注射外源DNA;利用亲和花粉将外源DNA导入胚囊等等。但这些方法在技术上较复杂,且不够成熟,所需仪器、设备、药品较昂贵,一时尚难应用到植物育种中。近年来一些国家的科学家采用辐射过的花粉进行授粉,使供粉植株的部分基因转移到母本基因组内,并在主要表现母本形态特征的后代中表达出这些基因所决定的性状。由于这种基因转移的方法简便易行,而所转移的基因仅涉及到父本基因组的很小部分,这就使得植物育种工作者在进行杂交育种时,有可能避免把父本中目的基因以外的复杂的遗传背景也牵涉进去,因而可能减少冗长的     

植物水平基因转移研究进展

水平基因转移,一般分为细胞内部或者跨越物种边界的遗传物质交流。跨界直接介导方式,包括共生、内共生、寄生、嫁接等。细胞内的基因转移,主要包括细胞核与细胞器基因组间的相互渗透;跨越物种边界的遗传物质交流,主要涉及寄生与寄主植物的基因横向转移,寄主与寄生植物mRNA也会发生大规模的水平转移。基于基因组学研究进展,本研究综述了植物水平基因转移的迁移序列类型、迁移方向及迁移机制:首先,植物细胞的线粒体基因组能够整合细胞核转座元件以及叶绿体起源的tRNA基因,线粒体和叶绿体基因组的功能基因及间区序列能够迁移到核基因组;其次,植物种间,通过寄生、嫁接等方式转移大量的DNA(如线粒体基因、叶绿体基因和转座元件)和RNA(如mRNA)序列;迁移机制涉及到DNA介导和RNA介导方式,迁移方向包括单向和双向转移。迁移序列的基因功能活性研究是重要的后续研究方向。     

4种金花茶叶绿体基因组比较分析

利用全基因组重测序数据组装得到了夏石金花茶等4种金花茶的叶绿体全基因组序列,并进行了注释和比较分析.结果表明,4种金花茶植物叶绿体基因组序列高度相似,约为156 657～157 046 bp,均预测注释134个基因,包含89个蛋白编码基因、8个rRNA和37个tRNA;金花茶植物的叶绿体基因组在结构和进化上具有保守性,它们具有相似的密码子偏好性且均未发生大面积的倒位和基因重排;通过叶绿体基因组的比较分析和核苷酸多态性分析发掘了rps16和ycf1等高变异片段,这些片段可作为金花茶植物的分子标记;基于金花茶叶绿体基因组数据构建的系统进化树具有较高的支持度,说明金花茶叶绿体基因组序列的公布对其系统发育的研究具有重要意义.     

天蚕丝素基因向家蚕的转移及表达

为了获得具有天蚕丝质某些优良性状的转基因家蚕新品种，用显微注射法将天蚕丝素基因转移到家蚕受精卵中，从其后代中筛选出变异个体。对变异个体进行外源基因转移表达的分析研究，结果表明，天蚕丝心蛋白基因已进入家蚕的基因组，并已成功地表达     

植物线粒体结构基因组研究进展

植物线粒体基因组具有复杂的结构特征:基因组200~2 400 kb不等,变化大、重组频繁,存在水平基因迁移现象等。基因组中既含有非常保守的功能基因,也存在高度变异的基因间区序列。大量研究表明,线粒体基因组是植物细胞质雄性不育因子的载体。综述了近年来植物线粒基因组结构特征、基因组成和热点研究的进展,为进一步深入研究植物细胞质雄性不育的分子机理,并为胞质雄性不育三系杂交种选育、作物杂种优势利用提供理论指导。     

小麦转基因系中B、D基因组上的Bar基因转移至联合山羊草中的风险评价

通过调查杂交和回交后代的结实率 ,评价小麦转基因系中位于 B、 D基因组上的 Bar基因向联合山羊草转移的风险。B基因组含有 Bar基因的 Bobwhite 3 1系、D基因组含有 Bar基因的 Bobwhite 71系和联合山羊草作为亲本。采用不去雄、天然授粉 ,去雄、天然授粉和去雄、人工授粉 3种授粉方式以鉴定不同授粉方式对 Bar基因转移的影响 ;通过测定回交后代 Bar基因抗性植株的比例对分别位于 B基因组和 D基因组中的Bar基因进行安全评价。结果表明 ,在不去雄、天然授粉的条件下 ,结实率是非常低的 ,在本次试验中未得到种子。但是 ,在人工授粉条件下 ,可以获得杂种。基因位点在 B基因组或在 D基因组上 ,Bar基因的转移有很大差别。位于 B基因组上 Bar基因向联合山羊草转移比位于 D基因组上的 Bar基因更为困难。因为小麦基因组构成为 AABBDD,联合山羊草为 CCDD,它们有公共的 D基因组 ,在配子形成时 D基因组的染色体不会形成单价体而丢失。试验中 ,( 71系×联合山羊草 )×联合山羊草群体中 Bar基因抗性植株比例较高 ,( 3 1系×联合山羊草 )×联合山羊草未检出抗性植株。因此 ,B或 A基因组带 Bar基因的转基因小麦可以用来控制杂草 ,以减轻抗性基因从转基因小麦中向联合山羊草转移的风险。     

运用遗传工程提高生物固氮能力

植物仅仅吸收利用土壤中的氮素还不能满足生长发育需要,必须施用化学肥料作补充。一些固氮细菌能直接利用空气中的氮,而植物则不能直接利用。1971年,生物学家Ray Dixon成功地用克氏杆菌将固氮基因转移到大肠杆菌,产生了一种新的固氮细菌。     

酵母SAMDC基因表达载体构建以及农杆菌介导转化番茄的研究

SAMDC(腺苷甲硫氨酸脱羧酶)是参与植物多胺合成的一个关键酶.通过GenBank上已经发表的序列,设计两对引物,分别以酵母基因组DNA和番茄基因组DNA为模板克隆出SAMDC基因和E8启动子.构建了以CaMV35S和E8为启动子的两个SAMDC基因植物表达载体,酶切分子鉴定后,经农杆菌介导以叶盘法转入番茄中,获得了转基因植株.经PCR检测和X-Gluc组织化学染色检测,目的基因已经成功转入番茄中.为研究多胺在番茄中代谢活性以及SAMDC基因对番茄抗逆性和番茄果色的影响提供了研究基础.     

高等植物的基因转移及其在作物改良上的潜力

本文从植物基因工程的一个侧面,简述了近年来高等植物基因转移技术的一些进展及其在作物改良上的潜力。     

细菌源水平转移基因可合成生物素提高动物的适合度

正昆虫共生菌在自然界中广泛分布,水平基因转移在昆虫-共生菌系统中普遍存在。然而,水平转移基因(HTGs)在昆虫-共生菌系统中的作用仍属推测。例如,植物韧皮部缺乏B族维生素,然而,水平转移基因如何帮助昆虫适应植物韧皮部的机制尚不清楚。之前发现,由于烟粉虱基因组携带细菌源的HTGS,烟粉虱及其共生菌Hamiltonella在生物素合成途径方面存在代谢重复。     

农业分子育种 授粉后外源DNA导入植物的技术

一个外源DNA导入植物的技术已在我国棉花和水稻育种上应用多年,成功地转移了不同来源的抗病或其它性状基因。由此得到的稳定遗传新品系在大田中已繁殖7-10代,有的已扩种200公顷。应用这一技术使供体DNA片段加入到栽培种的基因组中,育成一个新品种只需要3-4代,比常规育种6-8代的时间缩短一半。这一技术的要点是：授粉后使外源DNA能沿着花粉管经过的珠心通道进入胚囊,转化尚不具备正常细胞壁的卵、合子或早期胚胎细胞。转化率可高达10#+（-2）,不需要原生质体的制备、细胞培养和再生植株。所用的DNA系带有目的基因的供体总DNA片段（10#+6-10#+7道尔顿）。这一技术的原理可以应用于任何开花植物。但针对不同植物的具体技术细则必需根据植物的花器结构以及授粉受精时间和过程来决定。这一生物工程技术简单,育种工作者容易掌握,而且任何基因源都可能用来进行基因转化,只要基因的结构与受体基因组相容,基因的产物能适应受体植物的代谢。应用这一技术就能筛选出有用的基因改良品种。     

大豆MIR156基因家族起源与进化模式研究

Micro RNA(mi RNA)是小分子RNA,参与靶基因转录后调控,长度通常为20~22 nt。MIR156基因在植物中分布广,是目前已知第一个与植物年龄有关的小分子RNA,表达量随植物年龄增长而逐渐减少,对植物生长发育起重要调控作用。研究基于古多倍体大豆基因组共线性分析,结合mi RBase收录数据和预测获取的基因,从进化角度对该基因家族进行系统分析。通过对大豆MIR156基因家族成员分布、复制模式、扩张模式和分子系统发育分析,揭示这一古老基因家族基本起源模式。结果表明,该家族由多个祖先基因起源,以全基因组复制及大片段复制等方式发展。研究从方法和结论上对系统分析植物小分子RNA起源和进化具有重要意义。     

CRISPR/Cas9系统在植物基因组定点编辑中的研究进展

当外源DNA通过转基因技术导入植物细胞后,会以同源重组或非同源重组两种不同的方式整合到基因组中,进而获得相应的目标性状。外源DNA与受体细胞序列相同或相近的位点发生重新组合,从而整合到受体细胞的染色体上称之为同源重组;当发生了DNA双链断裂的细胞为了避免DNA或染色体断裂而造成DNA降解或对生命力的影响,而强行将2个DNA断端彼此连接在一起时则为非同源重组。发生非同源重组的细胞其基因组常出现核苷酸片段的插入和/或缺失以及其他突变等多种情况,使得研究者无法得到精确控制的突变结果;而发生同源重组的细胞基因组序列通常不变,通过加入同源重组的供体DNA,可以实现对基因组的精确修饰和改造。由于在植物中产生自发同源重组的概率很低,对植物基因组进行精确修饰和改造非常困难,位点特异性核酸酶的出现和应用,大大提升了同源重组的效率,使基因组编辑变得更加高效和精确,从而使得对包括植物在内的任何物种进行基因组编辑都将成为可能。锌指核酸酶（ZFN）和TALE核酸酶（TALENs）是能够使DNA的靶位点产生DNA双链断裂进而实现基因组定点编辑的常用系统,但在具体应用中发现这两种系统存在着许多缺陷和不足,如脱靶效应、与基因组进行特异结合与染色体位置及邻近序列有关等,另外技术难度大、构建组装时间长也限制了其应用。CRISPR/Cas系统广泛存在于细菌及古生菌中, 是机体长期进化形成的RNA指导的降解入侵病毒或噬菌体DNA的适应性免疫系统。Ⅱ型CRISPR/Cas系统经过密码子优化等改造后已成为继锌指核酸酶ZFNs和TALENs后的新型高效定点编辑的新技术,具有突变效率高、制作简单、易操作及成本低的特点。目前,该技术成功应用于人类细胞、斑马鱼、小鼠以及细菌的基因组精确编辑,编辑的类型包括基因的定点插入、小片段的缺失、多个位点同时突变、基因定点的indel突变等。目前,CRISPR/Cas系统在植物中的应用还比较有限,但该技术为植物基因工程的发展呈现了美好的前景。文中首先简要介绍了CRISPR/Cas系统的组成和基本原理,进而详细综述了该技术在植物内源基因和外源基因定点编辑中的应用,主要列举了自CRISPR/Cas系统改造成功以来利用该系统对单子叶和双子叶植物进行基因组定点编辑的案例,最后对基因组编辑技术在农业和植物基因工程上的应用进行了展望,希望能够为开展该领域研究的科研工作者提供参考。     

真菌可作为转移基因的载体

真菌可作为转移基因的载体一般的基因转移方法是利用细菌作为载体，且多数只能在马铃薯、番茄、烟草等植物上进行；另一些基因转移方法需要昂贵的基因枪。ＡＲＳ科学家已用Ｏｌｐｉｄｉｕｍ成功地转移称为“Ｍａｒｋｅｒｓ”的基因给小麦，这在以前几乎没有先例。该基因通...     

植物乳杆菌中胆盐水解酶结构基因的克隆与序列分析

胆盐水解酶主要是微生物在生长和繁殖过程中所产生的代谢产物;具有降低胆固醇的功能.克隆植物乳杆菌中的胆盐水解酶基因并对其序列进行分析.从植物乳杆菌中提取基因组DNA作为模板.根据Genbank上胆盐水解酶全长基因序列(EU477374)设计一对特异性引物,采用PCR扩增技术得到植物乳杆菌中胆盐水解酶基因并对其进行测序.结...