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植物基因克隆的方法

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国土与自然资源研究 2015 N0.3 TERRITORY&NATURAL RESOURCES STUDY ・91・ 文章编号:1003—7853(2015)03—0091—03 的基因组序列。自2000年,第一个模式高等植物拟南 基金项目:CO:倍增条件下之三江平原小叶章光合蛋白分析及 芥的全基因组公布之后[1】,陆续完成了水稻、番茄、土 相关基因功能验证研究 豆、大豆、玉米、葡萄、杨树、柑橘、白菜等全基因组的 测序。随着Roche(454)一GSFLX sequecer,Illumiua genome analyzer(S0lexa),HeliSc叩esequncer第二代测序 平台的推出,高通量EST测序在校正基因注释方面的 植物基因克隆的方法 作用越来越大,为后基因组学研究提供了大量的基因 组数据库的便利条件。因此,基因研究的热点从基因 王丽媛,徐明怡,倪红伟 ,  ‘测序转移到基因功能、表达、调控的研究,基因克隆成 张玉,冷海南 为核心的研究内容。与此同时,许多植物高密度分子 (黑龙江省科学院自然与生态研究所湿地与生态保育 标记、连锁图谱的构建,大片段DNA克隆系统的建立 国家地方联合工程实验室,哈尔滨150040) 也为未知基因的克隆奠定基础,分离控制重要性状的 摘要:基因克隆技术是挖掘新基因、分离控制植物重要性状基 主效基因成为基因克隆的核心内容。植物与人类生活 因的有效手段。随着拟南芥、番茄、杨树等植物全基因组测序的 息息相关,其生命活动受基因时空表达控制,因此分 完成,标志着植物基因组的研究进入到了后基因组的时代,研 离植物中有应用价值的基因并进行深入研究,对了解 究植物基因功能、表达、调控成为今后研究的热点,因此基因克 植物本身、遗传改良具有十分重要的意义。本文针对 隆技术应用将更加广泛。本文主要介绍了图位克隆、转座子标 目前常用的克隆技术进行了归纳总结。 签克隆、同源克隆、表达序列标签等植物基因克隆的方法,并对 其原理、应用及研究进展做了简单阐述。 1图位克隆克隆技术 关键词:图位克隆;转座子标签克隆;同源克隆;表达序列标签 图位克隆【2](map—based cloning)又称定位克隆(p0一 中图分类号:Q78 文献标识码:A sitional cloning),常用语分离功能性状的基因。图位克 The Methods of Plant Gene Cloning 隆技术是由剑桥大学的Alan Coulson在1986年提出 的。功能基因在染色体上都有特定的位置,所以利用 WANG Li-yuan et al (Institute of Natural Resources and Ecology,HAS.National and 图位克隆的技术分离目的基因无需知道DNA序列,找 Provincial Joint Engineering Laboratory of Wetlands and Ecological 到与目的基因紧密连锁的基因分子标记,利用与目的 Conservation,Harbin 150040,China) 基因紧密连锁的分子标记在含有大插入片段的基因组 Abstract:Gene cloning technique is an effective method which 文库(BAC、YAC・TAC或Cosmid)中进行筛选,从而构 can mine new genes and isolate the genes of the genes of imp&- 建目的基因区域的物理图谱,再利用染色体步查 rant trait in plants.Along with achievement of arabidopsisthaliana, (chromosome walking)或通过染色体登陆翻(Chromosome tomato,poplar of the whole genome sequencing in plant,it marked landing)等技术,找到包含该目的基因的克隆,并通过 htat the research of plant genome have entered the post-genomies 遗传转化试验证实目的基因的功能。随着分子生物学 era.Reserches of gene functions,expression and regulation have 技术的发展,图为克隆技术在模式植物、农作物等植 became a hot spot of research in the future.So the gene cloning technique will be more extensively used.Tish article mainly inm— 物功能基因克隆中应用非常广泛[41。首次应用是在 duced the apphcafion,principle,and research advaces of map— 1992年,由Giandat J和Arondel V.等人在拟南芥中分 baseelonging,transposontagging,homology—based candidate gene 别成功分离了ABI3基因和FAP3基因,随后Gregory method,espressed sequence tagging method. Bm等人又成功克隆了果实发育模式植物番茄等一个 Key words:map—baseclon ̄ng;trnasposon tagging; 抗病相关基因Pn【 。由于抗性基因的遗传行为比较简 homology-based candidate gene method; 单而且抗性性状表型比较容易稳定,所以自1992年以 espressed sequence tagging method 后10年的时间里,图位克隆技术多针对抗原(真菌、 细菌、病毒、害虫)的抗性基因(R基因)的克隆。如,拟 人类基因组计划(HumanGenomeProjiect,HGP)从 南芥中的COl I、NPR I、BKII等基因。番茄中的Pto. 1990年正式实施开始,在美国、英国、法国、德国、日本 Fen.RigMi。水稻Xa2 I.XaI,Pi—b,DI。大麦中的M0l, 和中国科学家的共同努力下,2000年人类基因组草图 Cne3,甜菜Hspro—I基因等。在植物各种分子标记的 绘制基本完成,使得大规模DNA测序成为一种常规 不断丰富,植物基因组数据库不断完善的前提下,图 研究手段。在DNA测序技术不断发展完善背景下,科 位克隆技术不但应用在功能性状的基因克隆上,还逐 学家们开始研究一些模式植物、农作物、树木等植物 步应用在数量性状的基因上。如,水稻的SKCI基因[61, 王丽嫒等植物基因克隆的方法 锌指蛋白转录因子DSTt ;拟南芥中的耐盐相关基因 在绝大多数植物中,抗病基因编码的蛋白质具有一定 RSA/s1,拟南芥中编码类似几丁质酶的蛋白质CTL1DE 的同源性,这些蛋白质具有相同的结构域,如核苷酸 hot2基因[91,以及水稻中编码分蘖矮杆基因hw-l(t)㈣, 结合位点(NBS)、丝氨酸一苏氨酸激酶(STK)、亮氨酸 编码丝氨酸羟甲基转移酶的SHMT1基因[113;大麦中 拉链(L2)、跨膜结构域(TM)富亮氨酸重复序列(LRR) 的SOS3同族体HvNax4基因等【12】。 等,这些结构域具有高度保守性,利用编码这些结构 通过图位克隆技术获得了大量的功能性基因,但 域的同源基因序列设计简并引物,获得抗病基因同源 是它也有一定的局限性。图为克隆成功有两个先决条 序列(resistance gene analogs,RGAS),再利用RACE技 件:一是具有构建完整的基因组文库;二是具有与目 术获得基因全长,通过定量PCR方法,研究基因的表 标基因紧密连锁的分子标记。所以对于像水稻、拟南 芥、小麦等全基因组测序完成的植物而言,图为克隆 技术应用的更为成功。此外,有些基因组较大的植物 基因组中,重复序列多、基因容量大、遗传转化体系不 成熟等因素,极大的限制了遗传连锁或者物理图谱的 构建,使得图位克隆技术在这类植物中应用较慢。图 位克隆技术虽然有一定的局限性,但是它仍是克隆植 物功能性基因的有效方法。 2转座子标签克隆技术 转座子(Transposon),又称转座元件(Transposon element,TE)它是生物染色体上一段可以从一个基因 座位转移到另一个基因座位的DNA序列,转座子的 插入或缺失都会引起其相邻基因的表型突变。 转座子最初是在玉米种发现的,美国遗传学家 Mclintock在研究玉米籽粒色斑不稳定时提出的这一 现象。转座子标签法克隆基因的原理正是基于转座子 序列的特性进行的。由于转座子是可以移动的,当转 座子插入到目标基因内部或邻近位点时,会使插入基 因失活,从而引起变型上的突变,利用引起突变的转 座子DNA序列作为探针,从突变株的基因组文库中 筛选出带有该转座子的DNA序列,再将筛选出的含 有突变株DNA序列座位探针,筛选野生型植株的基 因组文,最终获得目的基因。转座子的类型非常丰富, 在植物基因克隆中应用最多的是玉米的AskDs转座子 系统、Mutator、EnkSpm等转座子系统,除此以外还有家 蝉中的MITE系统,hAT、Helitron、金鱼草Tam3等。 目前,已报道很多未知功能的基因通过转座子标 签法克隆出来。以玉米As ̄Ds系统为例,在内源基因 方面成功克隆了玉米中的TM20,Ts2,PS1等基因,在 拟南芥中,AflrgB,CAO,SSTI6,DTL1基因等;大麦中 的Uros,水稻中的RING—HZ,OsKDI等。随着人们对 转座子元件的开发,转座子系统的深入研究,对转座 子标签操作技术的精准和熟练,在将来会挖掘出更多 未知基因的功能;在研究植物基因组的功能、基因组 的组成植物系统发育等很多方面发挥重要作用。 3同源克隆 同源克隆技术是植物抗病基因克隆常用的手段。 达,鉴定该基因的功能。目前科学家门利用同源克隆 技术已经克隆出了大量的抗病基因。例如马铃薯中的 Rx2、Grol一4基因,小麦[13】的抗也锈病基因Lrld、拟南芥 抗病基因elF4E,目前科学家们已经从20多种生物中 克隆出抗病基因同源序列。同源克隆法不仅应用在抗 病基因克隆的方面,在植物抗逆性基因方面应用也非 常广泛。例如张广科等人利用同源克隆法成功克隆了 葡萄抗逆基因VvBAP1【H】,实时荧光定量PCR推测 VvBAP1基因参与葡萄抵御低温和盐胁迫的过程。同 源克隆方法获得的是同源序列与植物的基因仍有较大 区别,由于植物中有一些蛋白也会含有LRR或NBS 结构域,所以通过该方法获得的基因需要进一步验 证。 4表达序列标签法 表达序列标签(expressed sequence tags,ESTs)这一 概念是在1991年由Adams[ 首次提出的,是一段表达 基因的部分序列,从一个随机选择的eDNA克隆进行 5 端和3 端单一次测序获得短的cDNA部分序列,在 数据库中其长度一般从20—700bp不等,平均长度为 360+20bp。EST其所在表达基因中特异性的序列,每 EST都包含了表达的该基因有足够结构信息,编码的 DNA具有高度保守性,因此EST做为一种分子标记, 在制作基因组连锁、比较质量性状信息上非常有效。 EST来自一定组织一定环境下,总mRNA所构建的 eDNA文库,EST可以反映生物体内基因表达情况的丰 度。因此人们越来也重视EST的发展,建立了大量的 EST数据库,这为克隆新基因,提供了有效方法,并且 EST也成为发现新基因的主要途径 】。 EST克隆基因的主要策咯,首先应先构建某个组 织的eDNA文库,针对已知序列进行数据库分析,找出 代表新基因的EST的相关信息,制备探针;利用设计好 的探针在eDNA库中随机筛选大量克隆,设计通用引 物,与eDNA阳性克隆进行巢式PCR和5 ,3 RACE, 一般能得到5 端和3 端的200—500bp的碱基序列,经 过测序后,将所得的EsT序列与已有的EST数据进行 比对分析,拼接延伸,ORF识别,结构分析,翻译蛋白 质分析。最后鉴定出EST所代表的新基因,并可以进 王丽媛等植物基因克隆的方法 一・93・ 9】 Moreno J.I., MeartinR.,ndCaastresna C,a 2005, Arabidopsis 步分析该基因的表达丰度【 。EST刚刚兴起时,由构 【a serive hydroxyl methyl trnsfaerase that functions in the 建cDNA文库和测序技术还不够完善,EST的测序较 SHMT1,photorespiratory path way rrdluences resistance to biotic and abiotie 低,测序覆盖度也非常低,EST在最初建立时,应用并 stress,Plant J.,41(3):451-463. 不广泛。随着边合成边测序(Sequencing by synthesis or [10]郭涛,黄勇组,黄宜,等.水稻叶色白化转录及多分孽矮杆 ligation)为标志的第二代测序的彭博发展,使得DNA 基因hw一1(t)的图为克隆.作物学报,2012,38(8):1397~1406. 测序技术的成本大大降低,cDNA文库的大规模测序 【1 1]Rirndia A.,2009,Toward map—based cloning of a Na+exclusion rom barly(Hordetumvulgare L.),Thesis for M.S.,University of 已成为一项实用技术。如此高通量的EST测序将加快 gene f表达基因的克隆效率H 。 5小结 植物功能基因组学的研究落后于人类,微生物、 病毒等【l9j。微生物、病毒与人类的生活息息相关,对人 类基因组的研究会对人类的健康做出巨大的贡献,所 以在这些方面投入的人力,物力也更多。随着DNA测 序技术的发展,可以在低成本低人工的条件下获得植 物的基因组,建立了大量植物基因组数据库,为后基 因组学的研究提供了前提条件。植物的各种生命性 状,是受基因时空表达调控,分离相关的抗病、抗旱、 抗害等相关功能基因,并进行深入的研究,对改良植 物本身的性状具有重要意义。所以上述几种克隆方法 在植物基因克隆方面具有广阔的应用前景,但对于科 研人员来讲,应从实际工作出发合理的选择,并不断 改进和创新,才能有效的分离目的基因。 参考文献: [1]ECKER SR.’I’HEOI )SISA.FEDERSPOEL.NA,eta1.Analysis of the genome seyuence of hte flwering plant Arabidopsis thaliana【J】. 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