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植物基因是如何转移的?

http://www.chla.com.cn 2014-09-01 来源:温州晚报 作者: 发表评论(0)

  把一种外源性基因转移到另一种原来并不含这种基因的生物体内就是基因的拼接和重组,也就是转基因。现在我们来揭秘植物是如何转移基因的。

  一种或多种外源性基因是如何转入另一种植物(作物)体内的呢?可以用“第三者”这种通俗的说法来解释。

  一种植物体内的染色体(DNA)也是固定的,轻易不能分开和分解,一个或几个外源性基因就是第三者,一般是不会为一种植物所接受的,如果受体植物发现了外源性基因,也会用自身的武器,如DNA酶来降解(杀灭)外来基因。因此,为了有效转移外源性基因,如要将外源性的抗虫基因——苏云金杆菌杀虫晶体蛋白基因(Bt基因)转移到棉花中,就得采取两种办法:一种是载体转移(包装法或间接法),另一种是直接转移,或强行转移。

  用载体作为为媒介进行基因转移就是将目的基因连接或包裹于某一载体DNA上,然后通过寄主感染受体植物,将外源性基因转入植物细胞。直接转移是利用植物细胞生物学特性,通过物理、化学和生物学方法将外源性基因转入植物细胞。

  通俗点说,前一种方法是包装法,也是一种欺骗方法;后一种方法是强硬的,有一点像陌生人或强盗强硬地闯入别人的家庭,并登堂入室,占据主要位置,或者说反客为主。

  1.载体转移

  载体转移又称为农杆菌载体转移。

  农杆菌是一种在土壤中生活的微生物,分为根癌农杆菌和发根农杆菌,它们的细胞中分别含有Ti(Tumourinducing,瘤诱导)质粒和Ri(rootinducing,根诱导)质粒。

  最初研究人员发现,当植物受到损伤时,伤口处的细胞会分泌大量的酚类化合物,因而吸引农杆菌移向这些细胞,这时农杆菌中Ti质粒上的T-DNA转移到受伤的植物细胞(受体细胞),并且整合到受体细胞染色体的DNA上。当然,在自然条件下农杆菌只是感染双子叶植物和裸子植物,而对大多数单子叶植物没有感染能力。

  因此,如果将一段目的基因(外源性基因)插入到Ti质粒的T-DNA上,通过农杆菌的转化作用,就可以使目的基因进入受体植物细胞,并将其插入到受体植物细胞中染色体的DNA上,使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达。抗虫的Bt基因就是这样被转移到棉花或玉米中的。当然,农杆菌介导法起初只被用于双子叶植物,但是,近年来随着基因工程技术的发展,农杆菌介导的转基因也在一些单子叶植物,尤其是水稻中得到广泛应用。

  所以,无论是利用农杆菌载体进行转基因,还是利用脂质体为载体进行转基因,都是通过包装的方法进行基因的转移,也避免受体植物中的DNA排斥外源性基因。

  2.直接转移

  外源性基因的直接转移也是一种强行转移。这正如陌生人要进入一户人家,没有钥匙进不了门,没有经过主人允许和开门也进不了门。但是,还有一种方法能进门,即强行入门,强行的方法就包括,撬掉门锁、敲碎窗户以及翻墙进入等。外源性基因的直接转移就是如此。

  直接转移一种外源性基因到受体植物中有多种方法,包括电穿孔法、基因枪法和微注射法(子房注射法)等。

  电穿孔法

  电穿孔法指的是,细胞在外加高压电脉冲电场的作用下,细胞膜表面产生疏水或亲水的微小通道105-115微米,这种通道能维持几毫秒到几秒,然后自行恢复。在此期间生物大分子如基因片段可通过这种微小的通道进入细胞,就可以把外源性基因转入受体植物体内。

  现在,这种方法现已较广泛地应用于单子叶和双子叶植物的外源性基因的转移,同时也应用于动物的基因转移。例如,早在1995年,美国农业部研究所的詹姆斯·桑德斯等人就用这种方法把两种着色剂——锥虫蓝和荧光素二乙酸盐直接转入到大豆、紫花苜蓿、烟草三种植物的细胞中,并获得高水平的基因表达。到了20世纪80年代末研究人员也用电穿孔法将新霉素磷酸转移酶基因转入玉米自交系的原生质体,从而再生成植株。此后,抗除草剂草甘膦的转基因大豆、棉花、玉米和油菜等也相继问世并获得广泛种植,方法也是采用的电穿孔法。

  而且,抗草甘膦转基因作物是目前全球播种面积最大的转基因作物。草甘膦杀死植物的原理在于破坏植物叶绿体或者质体中的5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶(EPSPS)。通过转基因的方法,让植物产生更多的EPSPS酶,就能抵抗草甘膦,从而让作物不被草甘膦除草剂杀死。有了这样的转基因大豆,农民就不必使用多种除草剂,只需使用草甘膦一种除草剂就能杀死各种杂草。

  基因枪法

  基因枪法又称粒子轰击技术,是用粒子枪把表面吸附有外源性DNA的金属微粒高速地射进植物细胞或组织。由于根癌农杆菌仅对某些双子叶植物敏感,而对多数单子叶植物不敏感,从而限制了根癌农杆菌Ti质粒介导法(农杆菌载体)转移基因。但基因枪法不受宿主限制,宿主既可以是双子叶植物,也可以是单子叶植物。而且,该法可控度高,同时不需要去除受体植物细胞的细胞壁,被转化的细胞或组织容易再生成植株。基因枪轰击过程中,可根据需要将射弹射入特定层次(位置)的细胞,有利于提高转化效率。该法操作简单、迅速,但费用较高。当然,基因枪法主要用于转移植物基因,但是也可用于对动物细胞、微生物等的基因转移。

  不过,现在利用基因枪法转基因技术获得的转基因园艺植物较少,只有杨树、云杉等,而水稻、玉米、小麦、烟草、大豆、木薯等作物较多。基因枪法现在还存在着转化效率低、外源基因向植物中插入不够精确和稳定性不高等缺点。

  子房注射法

  子房注射法也称微注射法。子房是被子植物生长种子的器官,位于花的雌蕊下面,一般略为膨大。子房里面有胚珠,胚珠受精后可以发育为种子。子房由子房壁和胚珠组成。当传粉受精后,子房发育成果实。子房壁最后发育成果皮,包裹种子,有的种类形成果肉,如桃、苹果等。

  子房注射法就是使用微注射针或显微注射仪将外源性基因注入处于减数分裂期的受体植物的子房中,借助子房产生的压力和卵细胞产生的吸收力,外源性基因进入受精的卵细胞中,借助合子胚旺盛分裂过程中基因组的复制、重组、缺失或易位等现象,外源性基因被随机整合到受体染色体上。

  早在20世纪90年代,一些Bt转基因玉米就是用子房注射法进行转基因的,这种转基因玉米可以抗御玉米螟的啃食。目前,子房注射法成功用于玉米、小麦、甜瓜和黄瓜等农作物的转基因育种。

  子房注射法的步骤是,目的基因的制备;根据受体植物受精后其子房的变化特点,确定最佳时间,进行外源性基因注射或将离体的受精子房进行外源性基因注射,再对该离体子房进行培养;转化种子及对后代的外源性基因和其表达产物的分子检测。

  子房注射法无需组织培养过程,实验过程简单,操作便捷,但田间转化过程的工作量大,转化过程中,子房受到机械性伤害易导致转化率和结实率低;易产生杂基因污染,而且该方法只能在授粉期进行,受季节和天气等自然条件影响。由于后代群体规模较大,筛选过程工作量较大。

  由此可见,植物基因的转移是一个复杂的工程,至于转基因食品的安全性评价,那就是另外一个话题了。

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编辑:zhufei
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