植物基因组特点及其研究进展

植物基因组特点及其研究进展宋剑灵海南大学农学院 海南 儋州 571737摘要：基因组是指一个细胞(核)中的全部 DNA，植物基因组具有大小相差较很大，呈多倍性的特点。目前对植物基因组的研究主要集中在一些草本植物模式植物上，尚需发展和健全。国鲜见内关于对基因组研究的的报道。随着分析手段的不断提高和基因定位方法的开发利用国外关于基因组的研究朝着连锁图谱应用及基因组基因构造分析的方向推进。目前，关于植物如何适应基因组大小、倍性水平的变化，以及这些变化在自然选择中是否具有某种优势鲜见报道。关于基因组的研究随着分析手段的不断提高和建立在植物生物学特性基础上的基因定位方法的开发利用，发达国家植物基因组连锁图谱制作已全面启动，并正朝着连锁图谱应用及基因组基因构造分析的方向推进。国内有关植物基因组研究尚未全面启动，这与我国日益增强的综合国力及整个领域的国际发展态势极不相称。目前机遇和挑战并存，相关研究领域的学者应把握时机，选准目标，尽快开展植物基因组连锁图谱制作、应用及基因组基因构造分析方面的研究。关键词：植物 基因组特点 研究进展一 1、植物基因及其组特点基因组是指一个细胞(核)中的全部 DNA，包括所有的基因(gene)和基因间隔区(intergen-ic region)。植物基因组由重复序列和低(单) 拷贝的 DNA 组成。重复序列分为两类: 串联重复(tandem repoats)和散布重复(dispersed repeats)。基因组较大的植物，DNA DNA序列重复的程度高，单拷贝序列较短(2kh2kb)；基因组较小的植物，低拷贝序列则较长，如在拟南芥中可长达 120kb。细胞是不停地进行着维持植物生存所必须的基本代谢活动的生命小宇宙，小宇宙当中的大部分代谢活动受制于细胞核。细胞核是生命赖以维持的基本装置，其中遗传信息物质(DNA)的总和称为细胞核基因组(nucleic genome)。植物细胞中还有另外两种类型的基因组，即线粒体基因组和叶绿体基因组。本文中的基因组如不加特殊说明即指细胞核基因组。高等植物的基因组具有物种特异性，每个植物种拥有固定数量和形态的基因组 1，2 。光学显微镜下基因组呈可视的染色体(chromosome)状态，如果将细胞核比作地球，染色体就好比地球之大陆。染色体大陆上布满了类似于崎岖山脉的拓扑异构酶(topoisomer-ase)，并分布着不便于行走的类似于沙漠的各式各样重复序列(repeated sequence)。与地球大陆大峡谷相对应的是染色体着丝粒(kinetochore)，相互连锁着的基因相当于平原上和沿海岸线星罗棋布的大都市，而染色体上的特定碱基序列基序(specific basesequencemotif)可以看作是大都市中鳞次栉比的高楼大厦 3，4 。不同物种的基因组各具特点。基因组是指一个细胞(核) 中的全部 DNA，包括所有的基因(gene)和基因间隔区 (intergen-ic region)。人类基因组拥有大约 80 000 个基因，但基因编码区域仅仅占整个基因组的 3%。酵母基因组仅含有 6 000 个基因，构成极为紧密 5。某些植物的基因组则主要为重复 DNA 序列所把持序列所组成 。而原核生物的基因组非常小，基因与基因之间很少留有闲置区域。了解各种基因组序列所包含的信息无疑将成为 21 世纪生物科学工作者的重要使命。二 2、植物基因研究现状目前，以人类基因组课题为契机，发达国家及部分发展中国家均在不遗余力地推进基因组科学的发展 6，7 。对某些原生动物 8和真菌 9等小型基因组的分析已经取得重大突破，整个研究领域正迎来后基因组科学(post-genome science)时代。然而，植物基因组分析特别是木本植物基因组分析起步较晚，现阶段主要还是围绕拟南芥菜(Arabidopsis thaliana)10、水稻(Oryza sativa) 11和玉米(Zea mays) 12等草本模式植物(model plant)展开。基因组分析理论上的坚强后盾是分子生物学和分子遗传学基因组分析以分子生物学和分子遗传学为理论基础 5。近年来植物分子生物学和植物分子遗传学研究领域十分活跃，成果倍出，使对 不同植物种的基因组进行全面分析成为可能。在后植物基因组科学时代，可望解决的课题主要有:随着各植物种基因组分析的开展和完善，并通过对它们的比较研究，,可以从基因组的高度更好地理解生物多样性和物种进化;借助于对不同植物种基因文库的比较，,从中可以找出某一物种所特有的基因构件，,发现全新基因，探明新型基因表达调控机制，实现目的基因工程植株的创建、生物制药及工业用生物催化剂的生产和应用等 5。要完成上述课题，就需要抓紧建立一套完善的基因组科学理论体系。 。在分子生物学及信息处理科学大量革新技术的支持下，以人类基因组课题为代表的、对基因组全貌和功能进行分析的一大批研究课题正在全面展开。（一）2.1 模式植物水稻基因组分析在单子叶植物中，水稻的基因组是最小的一种，450Mb 基因组分布在 12 条染色体土条染色体上。1997 年 Aggarwal 根据基因组总 DNA 杂交研究结果，将马来野生稻(O.ridleyi)基因组分别命名为 HHJJ，将疣粒野生稻(O.meyeriana)基因组命名为 GG7；1999 年 Ge 等根据稻属 20 多个野生稻的两个核基因(Adh1 和 Adh2)及一个叶绿体基因 MatK 的分子系统发育树，揭示极短粒野生稻(O.schlechteri)含有 HHKK 染色体组 13。至此，稻属 20 多个种的基因组已经确定了 10 个基因组类型，即AA、BB、CC、BBCC、CCDD、EE、FF、GG、HHJJ 和 HHKK。从地理分布上看，稻属在非洲分布着 AA、BB 、CC、BBCC 和 FF 等基因组型物种 ;在东南亚分布着AA、CC、BBCC 、GG、HHJJ 和 HHKK 等基因组型物种; 澳大利亚分布着 AA、CC 和 EE等基因组型物种;美洲分布着 AA 和 CCDD 基因组型物种 14。（二）2.2 植物基因组 D N A 的提取植物基因组的 DNA 提取一般须经历破碎细胞壁、裂解细胞膜、除去多糖和多酚等次生物质、变性分离蛋白质、沉淀核酸、去除 RNA 和浓缩 DNA 等几个步骤。植物 DNA 的提取方法基本上是成熟的，但对不同的植物来说，由于各自的生物化学成分和结构不同，在具体操作中存在较大的差异。例如，巩艳红和刘军曾指出，不同植物和植物自身的不同部位都有其各自的特点，有的组织木质化程度高，有的细胞壁较厚，而有的含酚类物质多，有的则易于降解等，很难用一种方法来提取不同植物的 DNAD N A。所以，应针对植物的不同之处，选用提取 DNA 的方法并进行探索和改进 15。彭锐等(2003)在研究中发现，同一种方法提取不同种石斛植物的 DNA，稳定性较差。Hong 等(1997)也指出，红藻和褐藻含有的糖类物质的溶液有极高的黏性，而且不同种藻类、同一株藻的不同部位或同一种藻在不同时间段的细胞壁组成都显示出不同的特性，所以，提取藻类的 DNA 即应根据这些具体的生物化学特性作相应的调整 16。几十年来，植物 DNAD N A 的提取技术已经逐渐趋于成熟，但对结构复杂、成分各异的植物来说，提取新的植物基因组 DNA 时，应先对其生化成分进行分析，并在此基础上通过试验确定合适的 DNA 提取方案，这样便可以得到适合自己实验要求的基因组 DNAD N A。（三）2.3 新技术应用于植物基因组研究的新技术12.3.1 植物荧光原位杂交技术在植物基因组分析中的应用荧光原位杂交(FISH)是在染色体、间期核和 DNA 纤维上定位特定 DNA 序列的一种有效而精确的分子细胞遗传学方法。20 年来,植物荧光原位杂交技术发展迅速:以增加检测的靶位数为目的,发展了双色 FISH、多色 FISH 和多探针 FISH 鸡尾酒技术;为增加很小染色体目标的检测灵敏度,发展了 BAC-FISH 和酪胺信号放大 FISH(TSA-FISH)等技术;以提高相邻杂交信号的空间分辨力为主要目的,发展了高分辨的粗线期染色体 FISH、间期核 FISH、DNA纤维 FISH 和超伸展的流式分拣植物染色体 FISH 技术。在植物基因组分析中,FISH 技术发挥了不可替代的重要作用,它可用于:物理定位 DNA 序列,并为染色体的识别提供有效的标记;对相同 DNA 序列进行比较物理定位,探讨植物基因组的进化;构建植物基因组的物理图谱;揭示特定染色体区域的 DNA 分子组织;分析间期核中染色质的组织和细胞周期中染色体的动态变化;鉴定植物转基因 17。22.3.2 激光捕获显微切割技术在植物基因组分析中的应用植物的生长和发育在很大程度上取决于组织和(或)器官特异表达的基因,但要获取某一发育阶段的特异细胞类群来进行基因表达分析又是相当困难的。近年发展起来的激光捕获显微切割技术可以在显微镜下快速准确地获取单一的细胞类群,甚至单个细胞,成功地解决了组织中细胞的异质性问题。激光捕获显微切割(Laser Capture Microdissection,LCM)技术是由美国国家健康研究院(NIH)肿瘤研究所的 Emmert-Buck M R 等 1于 1996 年开发的,次年,美国 Arcturus Engineering 公司成功研制出激光捕获显微分离系统,并实现商品化销售。目前,该技术已经成为美国“肿瘤基因组解剖计划”(Cancer GenomeAnatomy Project,CGAP)的一项支撑技术 18。三、总结发达国家基因组科学理论体系正在形成。现阶段国际上基因组分析研究发展迅速，知名大学和研究机构均给予高度重视，组织精兵强将开展攻关，占领知识产权制高点。我国自改革开放以来，随着综合国力的不断增强，科学技术有了突飞猛进的发展。然而，以分子生物学为核心的植物基因组分析研究尚是我们的弱项，以木本植物为研究对象的植物基因组分析工作甚至还没有步入启动阶段。决策部门虽然已经意识到了形势的严峻性，最近出台了有关植物基因组分析研究的专项资金支持 。我国植物物种资源丰富，且博大精深的传统中医药产业仍然在低水平徘徊，急需基因组分析相关研究成果作为技术支持以步出低谷并迈向高科技时代。如何变劣势为优势，尽快地在植物基因组分析研究领域占有一席之地刻不容缓。参考文献：1 Brown TA。MolecularBiologyLabfax。 2ndedition， Volume I。London: Academic Press，19982.2 黄晓丹,张云贵,应铁进.高质量植物基因组 D N A 的提取：1003-8701(2009)02-0004-04 .3 王军,杨传平,刘桂丰.木本植物基因组 DNA 提取及鉴定 ，植物研究 2006.9.4 Ramsay K,Wang Z H,Jones M G K.Using laser capture micro-dissection to study gene expression in early stages of giant cellsinduced by root-knot nematodes.Mol Plant Pathol,2005,5(6).5 Beaulieu JM,Leitch IJ,Knight CA.Genome size evolution in relation to leaf strategy and metabolic rates revisited.Ann Bot,2007,99(3):495505. 6 张胜利，李东方，马华平，胡宁，吴大付，张改生.稻属植物基因组型与分类研究进展 .2010,1 21(1).7 Beaulieu JM,Moles AT,Leitch IJ,Bennett MD,Dickie JB,Knight CA.Correlated evolution of genome size and seed mass.New Phytol,2007,173(2).8 陆 丹,牛 楠,李莹.SSR 标记技术在植物基因组研究上的应用 .9 Biemont C,Vieira C.Junk DNA as an evolutionary force. 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