植物基因工程常用的基因.md · skyonsky/转基因那些事
植物基因工程常用的基因
[TOC]
植物基因工程研究常用的基因
一.选择标记基因
克隆的外源目的基因，对于植物受体细胞的转化频率往往是相当低的。在数量庞大的受体细胞群体中，通常只有为数不多的一小部分获得了外源的DNA，而其中目的基因已被整合到核基因组并实现表达的转化细胞，则更加稀少。因此，为了有效地选择出这些真正的转化子，就有必要使用特异性的选择标记基因(selectablemarker genes)。
选择标记基因简称标记基因，主要是一类编码可使抗菌素(诸如新霉素、潮霉素、链霉素以及庆大霉素等)或除草剂失活的蛋白酶的基因。常用的选择标记基因见表7-1(表7-1 植物基因工程研究常用的部分基因
1．选择标记基因
a.抗菌素抗性基因：新霉素(neomycin)
磷酸转移酶基因潮霉素(hygromycin)
磷酸转移酶基因链霉素(streptomycin)
磷酸转移酶基因庆大霉素(gentamycin)
乙酰转移酶基因
b.抗除草剂抗性基因：膦丝菌素(phosphinothricin)
乙酰转移酶基因，即bar基因5-烯醇丙酮酰
草莽酸合成酶基因，即EPSP合成酶基因
2．报告基因
β-葡萄糖醛酸糖苷酶(β-glucuronidase)基因
荧光素酶(luciferase)基因
氯霉素乙酰转移酶(chioramphenicol acetyltransferase)基因
β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)基因
胭脂碱合成酶(nopaline synthetase,nos)基因
章鱼碱合成酶(octopine synthetase,ocs)基因
乙酰乳酸合成酶(acetolactate synthetase)基因
苏氨酸脱水酶(threonine dehydratase)基因
绿色荧光蛋白质(green fluorescent protein)基因
3． 抗虫抗病基因
a.抗病毒基因：外壳蛋白基因(V)
病毒复制酶(replicase)基因
RNA结合蛋白基因(V，反义)
卫星RNA基因(V)
AL1病毒复制基因(V，反义)
b.抗细菌基因：昆虫裂解肽(lytic peptides)基因
溶菌酶(lysozyme)基因
细菌毒素(bacteriotoxin)基因
c.抗真菌基因：几丁质酶(chitinase)基因
核糖体失活蛋白质基因(P)
防卫蛋白(defensin)基因
硫素蛋白(thionin)基因
d.抗虫基因：Bt Cry 1A (b)基因(B,S)
Bt Cry 1A (c)基因(B,S)
豇豆胰蛋白酶抑制剂(cowpea trypsin inhibitor)基因(P)
马铃薯抑制剂Ⅱ基因(P)
α-淀粉酶抑制剂基因
凝集素(lectins)基因
几丁质酶基因
色氨酸脱羧酶基因
4．非生物胁迫抗性基因
a.重金属抗性基因：金属硫蛋白Ⅱ(metallothioneinⅡ)基因(A)
b.抗盐基因：甘露糖醇-磷酸脱氢酶(mannitol-phosphate dehydrogenase)基因(B)
c.抗冻基因：鱼抗冻蛋白(fish antifreeze protein)基因(A)
d.抗氧化胁迫基因：超氧化锰歧化酶(Mn-superoxide dismutase)基因(P)
5．产物质量修饰基因
a.改变脂肪酸成分的基因：ACP硫酯酶(thioesterase)基因(P)(*ACP=acyl carrierprotein,酰基载体蛋白)
b.改变氨基酸成分的基因：富含甲硫氨酸蛋白质的编码基因(P)
二氢吡啶羧酸合酶 (dihydro-picolinate synthase)基因(B)
c.延迟果实成熟期的基因：多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase)基因(P，反义)
ACC氧化酶(oxidase)基因(P，反义)
ACC合酶(synthase)基因(P，反义)
ACC脱氨酶(deaminase)基因(B)
（*ACC=氨基环丙烷羧酸,1-aminocyclopropane-1-1carboxylate）
d.花色素基因：查尔酮(chalcone)合成酶基因(P，反义)
6．其它性状基因
a.控制多羟基丁酸形成的基因：乙酰乙酰辅酶A还原酶(aceto-acetyl CoA reductase)基因(B)
b.雄性不育(male sterility)基因：芽孢杆菌RNA酶(barnase)基因(B)
芽孢杆菌RNA酶抑制剂(barstar)基因(B)
c.抗体基因：重链基因(A)
轻链基因(A)
*基因来源：A=动物，B=细菌；P=植物；S=合成的；V=病毒的)
当克隆的选择标记基因被导入受体细胞之后，就会使转化细胞具备抵抗相关抗菌素或除草剂的能力。于是，培养在含有抗菌素或除草剂的选择培养基上的非转化细胞，便被杀死或是生长受到抑制，而转化细胞则能够存活下来，得到正确选择和鉴定。
应选用何种选择标记基因，主要应考虑如下几点。首先，所使用的标记基因在转化细胞中的表达产物，应不会干扰寄主细胞的正常的新陈代谢活动；同时，标记基因的表达产物(如新霉素磷酸转移酶)应为转化细胞提供抵抗选择剂(如卡那霉素)抑制作用的能力；再者，选择培养基中所用的抗代谢物(即选择剂)对转化细胞再生植株的生长发育，不应有明显的影响。
(1)新霉素磷酸转移酶基因
卡那霉素是由卡那霉素链霉菌(Streptomyceshanamyceticu)产生的一种氨基糖苷类抗菌素(图7-1)，新霉素是弗氏链霉菌(Streptompcefradiae)产生的另一种氨基糖苷类抗菌素。这种抗菌素抗菌作用的机理是，通过与30S核糖体亚基的结合作用，而抑制蛋白质的合成。将neo基因转移到真核细胞中表达，同样能够使卡那霉素、新霉素以及G418失活。因此，获得了neo基因的转基因寄主植物细胞便具备了抵抗这些抗菌素作用的能力。该基因巳被广泛地用作植物细胞转化的选择标记基因。不过有许多单子叶植物培养细胞，天然具有抵抗高水平卡那霉素的能力，因此在选用neo作选择标记基因时，这一点是要认真汲取的。
(2)bar基因
从吸水链霉菌(Streptomyceshygroscopicus)中克隆的bar基因，是一种十分有用的、尤其是对于禾谷类粮食作物特别有效的选择标记基因。它编码的膦丝菌素乙酸转移酶，通过乙酸化作用会使膦丝菌素失去毒性。表达bar基因的植物转化细胞，在经受致死剂量的膦丝菌素处理之后，仍能正常生长或是以接近正常的速率生长，而敏感的非转化植株则迅速停止生长，并在10—21天内死亡。这个选择标记基因，已成功地应用于水稻、玉米、小麦、高粱以及大麦、燕麦、黑麦等多种禾谷类粮食作物的转基因研究。当然，在使用除草剂抗性基因bar作为选择标记基因时。要特别小心，以避免产生抗除草剂的转基因杂草。
二.报告基因
报告基因(reportergene)，系指其编码产物能够被快速地测定、常用来判断外源基因是否已经成功地导入寄主细胞(器官或组织)并检测其表达活性的一类特殊用途的基因。
在转化的群体中，只有极少数的细胞被转化并再生成转基因植株，故为了有效地筛选已经获得了外源基因的转化子细胞或转基因植株，并鉴定外源目的基因在新寄主中的功能作用，就必须使用适当的报告基因。一种理想的报告基因，最基本的要求是在转化的寄主细胞中应不存在相应的内源等位基因的活性，其表达产物不仅不会损害寄主细胞，而且还应具有快速、灵敏、定量和可重复的检测特性。
通过分析报告基因的表达产物mRNA和蛋白质，便可检测出在转基因植株中报告基因的活性。由于在转基因植物的实验设计中，是将报告基因的编码区与位于其上游的目的基因融合，并置于目的基因启动子的控制之下。可见报告基因实质上起到了判断目的基因是否表达的标记基因的作用，故报告基因有时也可叫做选择标记基因(selectablemarker gene)。目前研究工作者已经从大量的基因中挑选出了若干种有用的报告基因(表7-1)。常用的报告基因有：
(1)β-葡萄糖醛酸糖苷酶基因
大肠杆菌β-葡萄糖醛酸糖苷酶(β-glucurondase，GUS)，具有良好的稳定性，灵敏度高，易于检测。作用的底物是无色的X-葡萄糖苷酸(X-glucuronide简称Xgluc，是Xgal的类似物)。当把表达β-葡萄糖醛酸糖苷酶的转基因植物细胞，同5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-葡萄糖苷酸(5-bromo-4-chloro-3-indoly-β-D-glucuronide)一道温育时，GUS酶就会把反应体系中的此种无色的底物水解产生出深蓝色的5-溴-4-氯靛蓝。GUS酶的此种显色水解作用，依所用的X-gluc底物的不同而有所差别。
(2)萤光素酶基因
使用β-葡萄糖醛酸糖苷酶的编码基因gusA作报告基因有一个明显的缺点，即组织化学检测法会使细胞致死。若是改用萤光素酶的编码基因(luc)则可避免细胞致死，而且表达目的基因的活细胞的分布状况还可根据萤光的产生被测定出来。因此，被广泛地用作植物基因工程研究的报告基因。
最常用的是来自萤火虫(Photinuspyralis)的萤光素酶(luciferase)。这是一种分子量为60.7kD的单体蛋白质多肽，共有550个氨基酸，它的编码基因luc已经被克隆。
(3)氯霉素乙酰转移酶基因
氯霉素乙酰转移酶(chloramphenicol acetyltransferase，CAT)的编码基因cat，系位于大肠杆菌转位子Tn9上的一种抗药性基因。是真核基因表达调控研究中最早使用的报告基因之一。现已知道，CAT蛋白质是由分子量为25kD的三个相同的亚基构成的一种三聚体多肽，在转基因的细胞中尽管cat基因表达的mRNA分子的半寿期相当短暂，但所合成的CAT蛋白质却相对稳定，故适用于估计表达蛋白质累积数量的瞬时试验。
氯霉素乙酰转移酶，能够把乙酰辅酶A(acetyl-CoA)分子中的乙酰基转移到反应底物氯霉素分子上，使之两个羟基或其中之一发生乙酰化而失活。这种催化反应，亦即氯霉素乙酰转移酶的活性，可有两种不同方法测定。一种是薄层层析(thinlayer chromatogranhy，TLC)法，另一种是酶联免疫吸附测定(enzrme-linked immunosorbentassay，ELISA)法。
三．抗虫基因
虫害是造成农作物减产的最重要的自然灾害之一，全世界每年粮食总产量因病虫害而减产的幅度约为37％，其中仅虫害一项就占13％，经济损失达数千亿美元(转引自L.Jouanin，1998)。目前农作物的虫害防治，仍然是主要依靠化学农药(agrochemicals)的使用。但它同时也存在着诸多方面的弊端，直接地影响到农业生产的进一步发展。植物基因工程的建立，特别是转基因技术的应用，为农业害虫的防治提供了一条全新的途径。
(1)微生物源的抗虫基因
cry基因 苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis)最早于1902年在日本国发现，1911年在德国再次被发现并得鉴定，是一种格兰氏阳性细菌。在它的孢子形成过程中，合成出大量的杀虫结晶包涵体(insecticidalcrystalline inclusions)，其中的晶体蛋白质(crystallineprotein，Cry)是由叫做σ-内毒素(σ－endotoxins)的原毒素亚基(protoxinsubunit)组成的。大多数的苏云金芽孢杆菌菌株都会产生一系列的σ-内毒素，它对许多昆虫都具有特异的毒性，故这种蛋白质又叫做杀虫晶体蛋白(insecticidalcrystal protein，ICP)，或苏云会芽孢杆菌毒蛋白(Bttoxin)。此外，苏云金芽孢杆菌在生长及芽孢形成期间，还能分泌一些外毒素，叫做苏云金毒素或β-外毒素(β-exotoxin)，同样也具有抑制幼虫生长的能力。
(2)植物源的抗虫基因
(i)蛋白酶抑制剂基因
在昆虫的体内存在着一些特殊的蛋白酶；常见的有胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等丝氨酸类蛋白酶。这些蛋白酶是昆虫生理代谢过程中的必要成分，负责裂解和消化食物中的蛋白质。一旦昆虫体内的这些蛋白酶的活性受到抑制，就将无法消化食物中的蛋白质成分，致使饥饿而死亡。
有一些植物在长期的进化过程中，产生出了一种用以抵抗害虫侵染的天然的免疫体系，在这类植物细胞中含有相当丰富的蛋白酶抑制剂(proteinaesinhibitor，PI)，它可使昆虫体内相应的蛋白酶丧失活性。植物的蛋白酶抑制剂，是一类小分子量的蛋白质(5～25kD)，共有10个家族(表7-2表7-2植物蛋白酶抑制剂家族及类型
序号 家族 类型（1）
1 大豆胰蛋白酶抑制剂家族(Soybean trypsin inhibitorfamily) S
2Bowman-Birk抑制剂家族(Bowman-Birk inhibitorfamily) S
3 大麦蛋白酶抑制剂家族Barley trypsin inhibitor family) S
4 马铃薯抑制剂Ⅰ家族(Potato inhibitorⅠ family) S
5 马铃薯抑制剂Ⅱ家族(Potato inhibitorⅡ family) S
6 南瓜抑制剂家族(Squash inhibitor family) S
7 Ragi1-2/玉米双功能抑制剂家族Ragi 1-2/maize bifunctionalinhibitor family) S
8 羧肽酶A、B抑制剂家族(Carboxypeptidase A,B inhibitorfamily) M
9 半胱氨酸蛋白酶抑制剂家族(Cysteine protease inhibitorfamily) C
10 天冬氨酸蛋白酶抑制剂家族(Aspartyl protease inhibitorfamily) A
（1）S=丝氨酸蛋白质酶抑制剂；M=金属蛋白酶抑制剂；C=半胱氨酸蛋白酶抑制剂；A=天冬氨酸蛋白质抑制剂。
（2）Bowman-Birk系指发现这种蛋白酶抑制剂的两位科学家的姓氏。)。
根据它们作用的靶酶，又可分成四种不同的类型：丝氨酸蛋白酶抑制剂、半胱氨酸蛋白酶抑制剂、金属蛋白酶抑制剂和天冬氨酰蛋白酶抑制剂(aspartylprotease inhibitor)。表7-3(表7-3若干种已报道的表达蛋白酶抑制剂的转基因植物的抗虫的特性
植 物 基 因 类 型目 标 昆 虫
烟 草 CpTI 豇豆丝氨酸PI 鳞翅目昆虫：烟草天蛾(Manduca Sexta) 烟草夜蛾(Heliothis virescens)
烟 草 PPI-IITI-II 马铃薯丝氨酸PI番茄丝氨酸PI 鳞翅目昆虫：烟草天蛾(Manduca Sexta) 烟草夜蛾(Heliothis virescens)
烟 草 PPI-II 马铃薯丝氨酸PI 鳞翅目昆虫：南方锞纹夜蛾(Chrusodeixis eriosoma)
烟 草 SpTi-I 甜味马铃薯PI 鳞翅目昆虫：淡边翅夜蛾(Spodoptera litura)
水 稻 CpTI 豇豆丝氨酸PI 鳞翅目昆虫：稻蛀茎夜蛾（大螟）(Sesamia inferens)
水 稻 PPI-II 马铃薯丝氨酸PI 鳞翅目昆虫：稻蛀茎夜蛾（大螟）(Sesamia inferens) 二化螟（秆心虫）(Chilosuppressalis)
马铃薯 CpTI 豇豆PI 鳞翅目昆虫：番茄蛾(Lacanobia oleracea)
白 杨 OCI 水稻半胱氨酸PI 鞘翅目昆虫：山杨叶甲(Chrysomela tremulae)
豌 豆 а-AI 菜豆а-淀粉酶I 鞘翅目昆虫：四纹豆象(Callosobruchus maculatus)
豌 豆 а-AI 菜豆а-淀粉酶I 鞘翅目昆虫：豌豆象(Bruchus pisorum)
Azukibean а-AI 菜豆а-淀粉酶I 鞘翅目昆虫：绿豆象(Callosobruchus chinensis)四纹豆象(Callosobruchusmaculatus)鹰嘴豆象(Callosobruchus analis)
)若干种已报道的表达蛋白酶抑制剂的转基因植物的抗虫特性。
(ii)α-淀粉酶抑制剂基因
α-淀物酶抑制剂(α-amylase inhibitor，α-AI)最初定名为凝集素类蛋白质(lectin-likeplotein)，它在高等植物，尤其是禾谷类作物和豆科作物的种子中，存量相当丰富。它们能够同一些昆虫肠道中的淀粉酶形成复合物，从而抑制淀粉酶的活性，因此α-淀粉酶抑制剂刘在植物防卫昆虫侵害方面起着重要的作用。
α-淀粉酶抑制剂、植物凝集素(phytohemagglutinin，PHA)以表壳蛋白(arcelin，ARL)，三者组成了一种植物防卫蛋白质(plantdefence proteins)家族。。
(iii)凝集素基因
高等植物的许多组织，特别是种子和贮藏器官中，含有丰富的凝集素(lectins)，这是一类结合碳水化合物的蛋白质(carbohydrate-bindingproteins)。事实已经证明，凝集素对于哺乳动物和鸟类是有毒性的，同时也已经观察到(Homoptera)、鞘翅目(Coleoptera)、鳞翅目(Lepidoptera)和双翅目(Diptera)的昆虫均有毒害作用。然而有关其确切的作用机理，目前尚不清楚。
(iv)其它植物来源的抗虫基因
几丁质酶的确会干扰昆虫的消化作用。几丁质酶的编码基因已经克隆，并被导入到其它植物。例如，在转基因的马铃薯植株中芽豆几丁质酶的表达，虽然对于鳞翅目昆虫番茄蛾的生长与发育并无有害的影响，但却使茄无网蚜虫的生殖力(fecundity)明显地下降。
烟草阴离子过氧化物酶(anionic peroxidase)的编码基因，当其被转移到不同种的烟草、番茄以及胶皮糖香树(sweetgun)中超量表达时，会对许多种鳞翅目昆虫、鞘翅目昆虫，以及紫色马铃薯蚜虫产生高水平的抗性。
(3)动物源的抗虫基因
主要集中于哺乳动物的丝氨酸蛋白酶抑制剂基因和烟草天蛾的丝氨酸蛋白酶抑制剂基因(表7-4表7-4动物源抗虫基因及其在转基因植物中的表达
基因产物 目标昆虫 转基因植物 蛋白酶抑制剂
烟草天蛾的抗胰凝乳蛋白酶 同翅目昆虫 棉花，烟草
烟草天蛾的抗弹性蛋白酶 同翅目昆虫 紫苜蓿，棉花，
烟草а1-抗胰蛋白酶（а1-AT） 鳞翅目昆虫 马铃薯
烟草天蛾的抗胰蛋白酶 同翅目昆虫 棉花，
烟草牛胰腺胰蛋白酶抑制剂 鳞翅目昆虫 莴苣，矮牵牛，马铃薯， 正翅目昆虫
烟草白车轴草脾抑制剂（SI） 鳞翅目昆虫
马铃薯几丁质酶 烟草天蛾几丁质酶 鳞翅目昆虫 烟草
四.抗病毒因
(1)抗病毒基因
(i)病毒交叉保护作用
早在 1929年H.H.Mckinney就已经观察到，感染了某种温和病毒株(mild virusstrain)的植物，能够抵抗同种或相关的烈性病毒株(severe virusstrain)的感染。这种现象叫做交叉保护作用(crossprotection)，它在许多病毒中普遍存在。近年来，在表达正链RNA病毒外壳蛋白基因的转基因植株中，也观察到了类似的保护作用。
病毒交叉保护作用，曾被长期地应用于农业病毒病害的防治。其具体办法是，先将一种亲缘关系接近的温和病毒株或是减毒株(attenuatedstrain)，人工接种在目标作物的植株上，这样当其受到同种或相关的烈性病毒殊的感染时，就会得到保护，使后者无论在感染效率还是在致病性方面，都被显著地降低。尽管交叉保护作用在病毒病害的防治方面曾经取得了某种程度的成功，但由于其自身存在的缺点，使之很难在农业生产中得以广泛的应用。首先，交叉保护作用只能给感染植株提供有限的抗病能力，更何况某些对农作物侵害极大的烈性病毒株，迄今仍未分离到相关的温和病毒株；其次，某些温和病毒株有可能突变成烈性病毒株，或是传播到其它寄主植物，造成更为严重的病害；再者，对整个大田的农作物都接种温和病毒殊，其工作量实在难以想象，不仅成本高昂，而且还会在一定程度上降低农作物的产量。
(ii)病毒外壳蛋白是交叉保护作用的关键因子
外壳蛋白质是交叉保护作用的关键因素。而且两种病毒外壳蛋白质接近，交叉保护作用的效果就越强烈。据此科学工作者设想，将编码外壳蛋白的基因克隆出来，并导入到敏感的植株进行表达，应有可能使之获得抵抗相关烈性病毒株侵染的能力。后来的实验证明了这一观点的可行性。
(2)抗细菌基因
抗细菌的蛋白质(antibacterialproteins)是许多动物，包括节肢动物(尤其是昆虫)、两栖动物以及哺乳动物，抵抗病原微生物侵害的防卫机理的重要成分。这类蛋白质对众多的格兰氏阴性细菌及格兰氏阳性细菌，均具有灭活作用。其编码基因已经克隆、并已在转基因植株中表达的抗细菌蛋白质，有昆虫的裂解肽(lyticpeptides)和溶菌酶(lysozymes)两大类。
(3)抗真菌基因
现已发现在自然界中有许多植物、动物和微生物，都能够产生出抗真菌的蛋白质。现在有一部分抗真菌蛋白质的编码基因已经被克隆，并被转化到有关的植物当中，获得了抗性的表达。常见的有(i)几丁质酶基因和葡聚糖酶基因 (ii)核糖体失活蛋白基因(iii)防卫蛋白基因 (iV)硫蛋白素。
(4)植物抗病的分子机理
(i)植物的防卫反应
感染植物的病原微生物有病毒、细菌和真菌三大类。
植物体本身具有抵抗病原微生物的两种防卫系统：
被动的防卫系统是植物对付广谱病原微生物侵染的机械防御体系比如在细胞外壁上形成角质、蜡质、栓质以及木质素等附属结构物。而主动防卫体系，则是植物体针对特异性病原微生物侵染的一种特殊的防卫反应。
目前已从多种植物病原微生物中，分离到了可激活植物发生防卫反应的激活子(elicitor)。它可通过与存在于植物细胞表面的受体蛋白质之间的结合作用，而激活植物发生防卫反应，包括过敏性反应(hypersensitiveresponse，HR)和系统获得性抗性(systemic acquiredresistance，SAR)两种类型。与此相对应，病原微生物还存在一种抑制子，它可能通过干扰激活子与受体蛋白质之间的结合作用、信号传导通路、基因表达的启动以及某些防卫蛋白质的活性等多种途径，来抑制植物的防卫系统，从而完成病原微生物的致病作用。
(ii)植物抗病基因与病原体无毒基因
早在1941年，H.H.Flor等人提出了描述植物与病原体之间相互关系的“基因对基因”的假说(“gene-for-gene”hypothesis)。该假说认为，毒性病原体的无毒祖先菌株，携带有一种专门对具有相应R基因的寄主植株无毒害作用的无毒基因(avirulencegene，Avr)；对病原体抗性(或不相容性)的植株必定存在着一种R基因，而在病原体中也必定存在着一种与之相应的Avr基因；这两种基因中的任何一种的缺失或功能的丧失，寄主植株与病原体之间就不能发生相互作用，抗病反应就不会被激活，结果导致寄主植株染病(或与病原体相容)。
在“基因对基因”假说的基础上，人们又提出了一种描述 R基因功能的激发子-受体模型(elicitor/receptormodel)。根据这个模型，R基因编码的受体蛋白质，通过与病原体Avr基因编码的配体蛋白质之间的相互作用，使寄主植物能识别感染的病原体。由此看来，R基因编码的蛋白质产物可能有两种不同的功能：其一是分子识别，其二是激发植株发生防卫反应。
(iii)植物抗病基因的分离
根据不完全的统计，在最近的不到10年的时间内，科学工作者已先后从有关的植物中分离到了至少20种以上的不同的抗病基因，见表7-5(表7-5部分已克隆的植物抗病毒基因及其编码产物的结构特征
类型R基因 植物 病原体 Avr基因 结构
ⅠRps2拟南芥菜丁香假单胞菌番茄致病变种AvrRpt2Zip-NBS-LRR Rpm1拟南芥菜丁香假单胞菌番茄致病变种AvrRpm1Zip-NBS-LRR Prf番茄丁香假单胞菌番茄致病变种AvrPtoZip-NBS-LRR N烟草烟草花叶病毒TMV复制酶Toll-NBS-LRR L6亚麻亚麻栅锈菌AL6Toll-NBS-LRR M亚麻亚麻栅锈菌AMToll-NBS-LRR Rpp5拟南芥菜寄生霜菌AvrPP5Toll-NBS-LRR I2番茄镰胞菌未知NBS-LRR Xa1水稻水稻黄单胞菌水稻致病变种未知NBS-LRRⅡPto番茄丁香假单胞菌番茄致病变种AvrPtoSTKⅢCf-9番茄暗黄枝孢Avr9eLRR-TM Cf-2番茄暗黄枝孢Avr3eLRR-TM Cf-4番茄暗黄枝孢Avr4eLRR-TM Hs1甜菜Heterodera schachtil未知eLRR-TMⅣXa21水稻水稻黄单胞菌水稻致病变种未知eLRR-TM-STKⅤHm1玉米一种旋孢霉菌无解毒酶（毒素还原酶）
)。
(iv)病原体无毒基因的分离
植物病原体无毒基因Avr，依病原体的不同分为病毒无毒基因、细菌无毒基因和真菌无毒基因三大类。现在已经分离的烟草花叶病毒的外壳蛋白基因、复制酶基因和运动蛋白基因等，都属于植物病毒无毒基因。由于细菌的基因组分子量比较小，因此相对来说有关基因的分离就比较容易。到目前为止，至少已经分离了40个以上的植物细菌无毒基因。从病原真菌中分离无毒基因比较困难。
(v)植物细胞对病原体信号的识别
根据其编码产物受体蛋白质的结构特征，已经克隆的植物抗病基因可分成5种不同的类型，即NBS-LRR型、丝氨酸-苏氨酸蛋白质激酶(STK)型、细胞外受体(eLRR-TM)型、类受体蛋白质激酶(eLRR-TM-STK)型和毒素还原酶型(表７-５)。
示出了有关的R基因的结构模型。
描述寄主植物抗病基因R功能的激发子-受体模型认为，抗病基因R编码的受体蛋白质，能够识别病原体无毒基因Avr编码的配体蛋白质。那么在R基因编码的受体蛋白质中，到底是哪一个结构域参与了分子识别或信号传导的呢？研究表明，LRR结构域十分可能参与受体蛋白质同配体蛋白质之间的分子识别作用。现在一般认为，这个结构域能够与来自病原体的信号因子(而且很可能是病原体Avr基因的编码产物配体的结合区)结合，从而决定了植物对病原体识别的特异性。
概括地说，大多数R基因的LRR结构域均可能具有两方面的功能作用，一方面是为精巧的识别特异性(elaboraterecognitionalspecificity)提供一种典型的结构；另一方面由于LRR结构域存在着重复性的特点，因此它还可以通过不等价交换迅速地进化出新的特异性结构域。
(vi)抗病基因介导的信号传导
寄主植株对病原体的识别，是植物抗病反应信号传导途径的起始点。
就不同的寄主植株与病原体的相互作用而言，还不清楚到底是哪一种与R基因有关的反应事件实际终止了病原体的生长。在各种的有关植物防卫反应的模型中，氧化裂解(oxidativeburst)是最初检测到的事件之一。一般认为，氧化裂解能够直接防御病原微生物对寄主植株的侵染，而且由氧化裂解所造成的细胞壁交联作用，同样也会使病原体的增殖活动受到抑制。这是因为这种交联作用减少了植物细胞营养物质的渗透程度，并干扰了病原体的蛋白酶对细胞壁的降解作用的缘故。在氧化裂解之后，寄主植株便合成出了抵抗病原微生物侵染的病原相关的蛋白质，它们在系统获得抗性方面起到重要的作用。
在植物体内维持高水平的水杨酸(salicylicacid，SA)，不仅对于系统获得性抗性的功能发挥、而且对于N基因以及某些RPP基因的功能作用，都是必要的条件。
当前了解得最清楚的抗病信号传导途径，当推Pto蛋白质的实例。
研究告诉我们，在转基因植株中异源的抗病基因仍然具有正常的功能。这说明在不同的植物之间，抗病防卫反应的信号传导机理存在着一定程度的保守性。
五.非生物胁迫的抗性基因
(1)重金属抗性基因
金属硫蛋白(metallothionein，MT)，是一类在生物界广泛分布的、小分子量的、富含半胱氨酸的金属结合蛋白质。由于这类蛋白质与重金属离子，诸如镉(Cd)、锌(Zn)、铜(Cu)、汞(Hg)、金(Au)、银(Ag)、钴(Co)、镍(Ni)等，具有高度稳定的结合能力。到目前为止，已经分离了100多种金属硫蛋白基因。
(2)抗盐基因
人们发现在盐胁迫条件下生长的植物细胞中，会累积许多种低分子量的渗透调节剂，诸如甜菜碱(betaine)、脯氨酸(proline)以及糖醇(sugaralcohols)类物质包括甘露醇(mannitol)和山梨醇(sorbitol)等，从而使植物获得抵抗盐胁迫的能力。目前，以提高渗透调节剂合成水平为目标的植物耐盐基因工程已经开展，并已取得了若干有意义的实验结果。
(3)抗低温胁迫基因
在自然界中，因低温(cold temperature)胁迫对农作物造成的冷害(cold injury)，包括寒害(chillinginjury)和冻害(freezing injury)两个方面，两者之间是有着明确的界限的。一般说来，寒害是指0℃以上的低温对农作物生长造成的伤害，而冻害则是指0℃以下的低温对农作物的生长造成的伤害，主要是植物体内结冰，导致细胞受伤，甚至死亡。
农作物的抗寒性状，往往是受多基因控制的，这些基因的表达特性可分为诱导型的和组成型的两大类。农作物在0℃以上低温的环境下经过一段时间的抗寒锻炼或低温适应性生长之后，就会被诱导合成出许多与抗寒性状有关的蛋白质，我们特称此类蛋白质的编码基因为冷诱导基因(coldinducible gene)或冷调节基因(cold regulatedgene)。目前研究较多的是，甘油-3-磷酸酯酰基转移酶(glycerol-3-phosphateacyltransferase)基因。
农作物的抗冻性(freezing tolerance)是同抗冻蛋白(antifreeze protein，AFP)的作用密切相关的。抗冻蛋白质是一类能够抑制体液中冰晶生长的特殊的蛋白质，它可以使水溶液的冰点下降，但对熔点的影响却十分微弱，这就造成了水溶液的冰点和熔点之间出现差值。我们称这种差值为热滞活性(thermalhysteresis activity，THA)，因而抗冻蛋白质亦叫做热滞蛋白(thermal hystereslsnrotelns，TBPs)。目前，已经从海洋鱼类的血清中发现了抗冻的蛋白质，而有关植物抗冻蛋白的报道比较少，近年来已从冷诱导的黑小麦叶片类囊体中分离到了部分纯化的植物抗冻蛋白。已有一些研究工作者开始使用抗冻蛋白基因进行转基因植物方面的试验。这些试验最主要的一个结果是，证实了来自鱼类的抗冻蛋白基因是能够在转基因植物中正确表达的。
(4)抗除草剂基因
应用基因工程技术，培育具有抗除草剂特性的转基因农作物，不仅可以克服化学除草剂的花费大、专一性低等局限性，还可避免因之造成的环境污染和生态失衡的问题。
目前，在发展用于培育抗除草剂转基因农作物的研究策略方面，已经取得了明显的进展。第一种策略是，利用能解除化学除草剂毒性的外源基因转化目标作物。第二种策略是，使除草剂作用的目标蛋白质超量表达。第三种策略是，表达脱敏感的目标蛋白质(desensitizedtarget protein)。
(5)抗氧化胁迫基因
大气中的氧和绿色植物光合作用产生的氧，在各种不同的生理胁迫的条件下，特别是在光合作用电子转运被阻断的情况下，便会在植物细胞中被还原成总称为活性氧的高毒性的化学物质，包括过氧化氢、羟自由基以及超氧化物阴离子等。经过长期自然选择的结果，植物已进化出了处理这类毒性物质的相应的机理，包括过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶等的催化作用。
超氧化物歧化酶(superoxidedismutase，SOD)能够将两个超氧化物阴离子自由基，转换成过氧化氢和分子氧(图7-3)
由此产生的过氧化氢又会被细胞中的过氧化物酶或过氧化氢酶分解成水。因此SOD酶能够将植物细胞中的毒性物质超氧化物阴离子清除掉。
植物基因工程学家将超氧化物歧化酶的编码基因克隆出来，插入到植物细胞当中，由于超氧化物歧化酶表达的结果，转基因植物获得了抵抗活性氧毒害的能力。
相关知识
植物基因工程常用的基因.md · skyonsky/转基因那些事
植物基因工程中选择标记基因的使用
植物抗病基因工程
植物抗病基因工程的基本原理与方法ppt课件
下图为利用基因工程培育花卉的过程(字母代表相应的物旦.转基因植物质或结构.数字代表过程或方法).请回答:(1)花卉基因工程可细分为花色基因工程.花形基因工程.香味基因工程等.不同的基因工程所需要获取的 不同.(2)基因工程中最常用的运载体是 .另外还有 .动植物病毒等.整合了目的基因的重组质粒.在组成上还含有启动子.终止子和 . 题目和参考答案——青夏教育精英家教网——
植物抗病基因工程的基本原理与方法
I．图1为利用基因工程培育花卉的过程(字母代表相应的物质或结构.数字代表过程或方法)．请回答:(1)基因工程是指按照人们的愿望.进行严格的设计.并通过和等技术.赋予生物新的遗传特性,花卉基因工程可细分为花色基因工程.花形基因工程.香味基因工程等.不同的基因工程所需要获取的 不同．(2)②过程常用的方法是 .检测转基因植 题目和参考答案——青夏教育精英家教网——
基因工程打破了物种之间交流的界限.为花卉育种提供了新的技术保障．如图为花卉育种的过程(字母代表相应的物质或结构.数字代表过程或方法)．(1)花卉基因工程可细分为花色基因工程.花形基因工程.香味基因工程等.不同的基因工程所需要获取的目的基因不同.①过程需要的酶有限制酶和DNA连接酶．(2)②所常用的方法是农杆菌转� 题目和参考答案——青夏教育精英家教网——
植物基因工程(何光源主编书籍)
如图为利用基因工程培育花卉的过程(字母代表相应的物质或结构.数字代表过程或方法)．请回答:(1)花卉基因工程可细分为花色基因工程.花形基因工程.香味基因工程等.不同的基因工程所需要获取的 不同．(2)基因工程中最常用的运载体是 .另外还有 .动植物病毒等．②过程不将目的基因直接导入受体细胞的目的是 ．(3)外植体一般从受 题目和参考答案——青夏教育精英家教网——
网址: 植物基因工程常用的基因.md · skyonsky/转基因那些事 https://m.huajiangbk.com/newsview243088.html
| 上一篇: 泼辣教程 |
下一篇: 陈建群／邵珠卿团队揭示植物抗病基 |
