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植物基因工程(第二版) 讀者對(duì)象:生物(工程)技術(shù)專業(yè)、植物育種等專業(yè)的師生和科研工作者
《植物基因工程》是融匯了近代植物基因工程新理論、新技術(shù)及新成果編寫而成的系統(tǒng)論述植物基因工程原理與技術(shù)的“十二五”高等院校統(tǒng)編教材。《植物基因工程》對(duì)第一版進(jìn)行了較大的改動(dòng),共設(shè)八篇46章,新增了“植物基因變異分子生物學(xué)”、“植物質(zhì)體基因轉(zhuǎn)化系統(tǒng)”及“外源基因在轉(zhuǎn)基因植物中的表達(dá)調(diào)控”等共20余章,最后還增加了第八篇生物信息學(xué)與植物基因工程,新增內(nèi)容為《植物基因工程》的三分之二以上。同時(shí),《植物基因工程》引入了許多最新的圖表及近三年的新文獻(xiàn),力求圖文并茂,內(nèi)容豐富,既具有較高的專業(yè)水平,又深入淺出,使《植物基因工程》具有多種功能。
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《植物基因工程》既是植物基因工程領(lǐng)域研究人員的參考書,又是高等院校生物技術(shù)相關(guān)專業(yè)本科生及研究生的教材,教師可以根據(jù)教學(xué)大綱需要從中選擇適合的內(nèi)容靈活使用。同時(shí),《植物基因工程》也是學(xué)生拓寬知識(shí)、激發(fā)專業(yè)興趣、啟蒙創(chuàng)新的深入閱讀資料。
全球生物技術(shù)的快速發(fā)展使生命科學(xué)進(jìn)入了大科學(xué)、大數(shù)據(jù)時(shí)代,其影響力遠(yuǎn)超人們想象。生物科技創(chuàng)新成果層出不窮,產(chǎn)業(yè)大軍厲兵秣馬,無不預(yù)示著生物產(chǎn)業(yè)春天已然來臨。生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)及生物產(chǎn)品制造“三足鼎立”的格局基本形成;蚬こ淌巧锎髸r(shí)代的開拓者,其中植物基因工程與農(nóng)業(yè)發(fā)展、人民生活息息相關(guān),從而得到了高度重視,產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程急速遞增。1996年至2012年的17年間,全球種植以抗病蟲、抗除草劑性狀為主的轉(zhuǎn)基因作物面積從170萬hm真增長到1.7億hm2,增長了近100倍,創(chuàng)造了一千億美元價(jià)值,相當(dāng)于節(jié)約了16.3億畝耕地;減少了4.73億化學(xué)農(nóng)藥的使用,業(yè)績舉世矚目。這一嶄露頭角的新興產(chǎn)業(yè)方興未艾,解決全球糧食危機(jī)寄希望于植物基因工程的未來。植物基因工程與歷史上其他的重大農(nóng)業(yè)技術(shù)相比,如化學(xué)革命從有機(jī)肥到無機(jī)肥的推廣用了半個(gè)多世紀(jì),可見轉(zhuǎn)基因發(fā)展之快。在生命科學(xué)家眼中,植物基因工程是一項(xiàng)給人類帶來福祉的偉大技術(shù),也是將為農(nóng)業(yè)譜寫文明新篇章的技術(shù)。直至今日,聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織對(duì)30年前獲得第一株轉(zhuǎn)基因植物的三位科學(xué)家(有的科學(xué)家已去世)授予了崇高“世界糧食獎(jiǎng)”,獎(jiǎng)勵(lì)他們對(duì)世界農(nóng)業(yè)的巨大貢獻(xiàn),這也是首次對(duì)轉(zhuǎn)基N'f乍物的高度肯定。農(nóng)業(yè)生物科技新時(shí)代已經(jīng)來臨,全球農(nóng)業(yè)生物育種和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已進(jìn)入戰(zhàn)略機(jī)遇期。
我國已開展2。多年轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究,擁有重要基因的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和核心技術(shù),在棉花、水稻、玉米等作物轉(zhuǎn)基因應(yīng)用研究方面,已形成優(yōu)勢(shì)與特色,達(dá)到國際先進(jìn)水平。我國種植的棉花中8。%是轉(zhuǎn)基因抗蟲棉,減少了約8。%的農(nóng)藥使用量。我國對(duì)植物基因工程高度重視,2008年投巨資啟動(dòng)了“十一五”和“十二五”植物基因工程育種專項(xiàng),已對(duì)7種轉(zhuǎn)基因植物發(fā)放了商品化生產(chǎn)許可,有力地推動(dòng)了我國植物基因工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 科技發(fā)展,人才為本。早在1993年,本書編者、國務(wù)院特殊津貼專家王關(guān)林教授在美國從事植物基因工程研究時(shí)就致力于編寫植物基因工程專著,旨在加快我國人才培養(yǎng)。于1998年他編著了第一部專著《植物基因工程原理與技術(shù)》,2002年又改編出版了《植物基因工程》第二版并多次重印。在此基礎(chǔ)上,2008年根據(jù)我國教育部的教材建設(shè)規(guī)劃要求,由專家組評(píng)審,教育部審批,王關(guān)林教授又承擔(dān)了編寫我國普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材《植物基因工程》的專項(xiàng)任務(wù)。該書是我國植物基因工程領(lǐng)域內(nèi)的第一本高等院校統(tǒng)編教材,于2009年由科學(xué)出版社出版后,被中國科學(xué)院研究生院及多所大學(xué)遴選為本科高年級(jí)學(xué)生和研究生的教科書,使用五年來多次得到好評(píng)。為緊跟生物科技大時(shí)代的發(fā)展,導(dǎo)人近期植物基因工程的創(chuàng)新成果,在第一版的基礎(chǔ)上,編者匯集近代的新理論、新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展,編寫了系統(tǒng)論述植物基因工程基礎(chǔ)理論及其原理與技術(shù),教學(xué)科研兩用的新作——《植物基因工程》第二版,以克服兩者脫節(jié)的弊病,提高本書的使用率。教材是傳授知識(shí)的載體,是培養(yǎng)人才的保證。編者深知責(zé)任重大,求賢為業(yè),竭誠邀請(qǐng)了來自中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、北京大學(xué)、清華大學(xué)等院校教學(xué)科研一線的教授、專家、中青年博士參加編寫,集成他們的淵博學(xué)識(shí)和真知灼見,提高著作水平。 本書保持了原專著和第一版教材的特點(diǎn):強(qiáng)化基礎(chǔ)理論,重視知識(shí)體系;融合學(xué)術(shù)創(chuàng)新,匯集科技成果;做到理論與技術(shù)結(jié)合,理論與實(shí)踐結(jié)合,理論與應(yīng)用結(jié)合;注意激發(fā)讀者的專業(yè)興趣和激情,培養(yǎng)創(chuàng)新能力。本書以植物基因工程的操作程序?yàn)橹骶循序展開,逐漸深入,在論述植物基因工程學(xué)科理論的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)闡明了植物基因工程各程序的原理與技術(shù),使本書既具有較高的理論性,又具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性,從而構(gòu)成植物基因工程完整的理論體系,也為植物基因工程學(xué)科的確立奠定基礎(chǔ)。 新版《植物基因工程》中刪除了“植物基因工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)篇”,擬將該內(nèi)容獨(dú)立編寫成《植物基因工程實(shí)驗(yàn)指南》,與本書配套,本書改編的主要內(nèi)容:一是在第一篇植物基因工程分子生物學(xué)中新增了第4章植物基因變異分子生物學(xué),首次綜述了植物基因損傷、突變與修復(fù)的分子機(jī)制及其與轉(zhuǎn)基因的同理性,從而深化了植物基因工程的基礎(chǔ)理論。 ……
目錄
前言 緒論 植物基因工程概述 1 1 植物基因工程的定義 1 2 植物基因工程的研究發(fā)展歷史 2 2.1 植物基因工程理論形成期 2 2.2 植物基因工程的問世期 3 2.3 植物基因工程的發(fā)展期 4 3 植物基因工程的理論基礎(chǔ)及技術(shù)路線 4 3.1 理論基礎(chǔ) 4 3.2 植物基因工程的技術(shù)基礎(chǔ) 5 3.3 植物基因工程的技術(shù)路線 5 4 植物基因工程研究的內(nèi)容 6 4.1 植物基因工程的基礎(chǔ)理論研究 6 4.2 植物基因工程的應(yīng)用研究 6 5 植物基因工程的發(fā)展前景 7 復(fù)習(xí)題 8 名詞解釋 8 問題 8 第一篇 植物基因分子生物學(xué) 第1章 植物基因組的結(jié)構(gòu)功能及特點(diǎn) 10 1 植物基因組與基因組學(xué)的基本概念 10 1.1 植物基因組的定義 10 1.2 基因組學(xué)的概念 10 2 植物基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 11 2.1 植物基因組的大小與C值復(fù)雜性 11 2.2 植物基因組的簡單序列 11 2.3 植物基因組的重復(fù)序列 11 2.4 植物基因組的多態(tài)性 13 2.5 植物基因組的密碼偏愛性 13 3 植物細(xì)胞三套基因組的結(jié)構(gòu)功能 14 3.1 植物細(xì)胞核基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 14 3.2 植物線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 14 3.3 植物葉綠體基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 15 3.4 植物細(xì)胞三套基因組的結(jié)構(gòu)功能比較 15 4 植物細(xì)胞三套基因組的遺傳關(guān)系 16 4.1 三套基因組的混源DNA 16 4.2 葉綠體中蛋白質(zhì)的基因編碼及核質(zhì)調(diào)控 16 4.3 線粒體中蛋白質(zhì)的基因編碼及核質(zhì)調(diào)控 17 4.4 植物細(xì)胞三套基因組之間的相互調(diào)控 17 復(fù)習(xí)題 18 名詞解釋 18 問題 18 第2章 植物基因的分子結(jié)構(gòu)功能及特點(diǎn) 19 1 植物細(xì)胞核基因的分子結(jié)構(gòu)功能及特點(diǎn) 19 1.1 植物細(xì)胞核基因的基本結(jié)構(gòu) 19 1.2 植物細(xì)胞核基因的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 19 1.3 植物細(xì)胞核基因的功能及類型 22 2 植物葉綠體基因的分子結(jié)構(gòu)功能及特點(diǎn) 22 2.1 葉綠體基因的基本結(jié)構(gòu) 22 2.2 葉綠體基因的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 22 2.3 葉緣體基因表達(dá)調(diào)控特點(diǎn) 23 3 植物線粒體基因的分子結(jié)構(gòu)功能及特點(diǎn) 23 3.1 線粒體基因分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 23 3.2 線粒體基因的表達(dá)調(diào)控特點(diǎn) 24 4 植物核基因、葉綠體基因和線粒體基因結(jié)構(gòu)功能的比較 24 復(fù)習(xí)題 25 名詞解釋 25 問題 25 第3章 植物基因的表達(dá)調(diào)控特點(diǎn) 26 1 植物基因表達(dá)在染色質(zhì)水平上的調(diào)控特點(diǎn) 26 1.1 植物染色質(zhì)MAR的調(diào)控 26 1.2 DNase I超敏位點(diǎn)的調(diào)控 27 1.3 DNA甲基化對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控 27 2 植物基因表達(dá)在轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控特點(diǎn) 27 2.1 轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控 27 2.2 增強(qiáng)子、沉默子及Kozak序列調(diào)控 28 3 植物基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控特點(diǎn) 28 3.1 選擇性剪接 28 3.2 小分子RNA的調(diào)控特點(diǎn) 28 4 植物基因翻譯水平的調(diào)控特點(diǎn) 29 4.1 調(diào)控因子的磷酸化和脫磷酸化調(diào)節(jié) 30 4.2 前導(dǎo)序列調(diào)控 30 4.3 移碼和選讀 30 5 翻譯后水平調(diào)控特點(diǎn) 30 5.1 多肽鏈折疊調(diào)控 30 5.2 肽鏈的修飾調(diào)控 30 5.3 蛋白質(zhì)的降解 31 復(fù)習(xí)題 32 名詞解釋 32 問題 32 第4章 植物基因變異分子生物學(xué) 33 1 植物基因組變異 33 1.1 染色體組的倍性變異 33 1.2 同源染色體配對(duì)錯(cuò)誤性變異 33 1.3 有性雜交基因重組變異 33 2 植物基因變異 33 2.1 DNA損傷 33 2.2 基因突變 35 3 植物DNA損傷、突變及修復(fù)重組 36 3.1 直接修復(fù) 36 3.2 切除修復(fù) 36 3.3 錯(cuò)配修復(fù) 36 3.4 雙鏈斷裂修復(fù) 37 3.5 跨損傷DNA合成 37 4 植物基因變異的生物學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用 37 4.1 性狀改良 37 4.2 新品種培育 38 5 植物轉(zhuǎn)基因與基因變異的同理性分析 38 復(fù)習(xí)題 38 名詞解釋 38 問題 38 部分近期參考文獻(xiàn) 39 第二篇 植物基因工程的目的基因 第5章 抗植物蟲害基因及其應(yīng)用 42 1 微生物來源的抗蟲基因及其應(yīng)用 42 1.1 加基因 42 1.2 膽固醇氧化酶基因 44 1.3 營養(yǎng)殺蟲蛋白基因 44 1.4 其他微生物來源的抗蟲基因 44 2 植物來源的抗蟲基因及其應(yīng)用 45 2.1 蛋白酶抑制劑基因 45 2.2 植物凝集素基因 46 2.3 淀粉酶抑制劑基因 47 2.4 系統(tǒng)肽基因 47 2.5 其他植物來源的抗蟲基因 47 3 動(dòng)物來源的抗蟲基因及其應(yīng)用 48 3.1 星蟲特異性神經(jīng)毒素基因 48 3.2 其他動(dòng)物來源的抗蟲基因 48 4 非蛋白質(zhì)類殺蟲劑調(diào)控基因 48 5 抗蟲基因的互補(bǔ)和協(xié)同作用 49 復(fù)習(xí)題 49 名詞解釋 49 問題 49 第6章 抗植物病毒基因及其應(yīng)用 50 1 病毒基因及其應(yīng)用 50 1.1 病毒基因介導(dǎo)的抗性機(jī)制 50 1.2 cp基因及其應(yīng)用 50 1.3 非病毒結(jié)構(gòu)基因及其應(yīng)用 52 1.4 缺陷干擾RNA 53 1.5 病毒衛(wèi)星RNA 53 1.6 核酶基因 53 2 植物體內(nèi)的抗病毒基因及其應(yīng)用 54 2.1 病程相關(guān)蛋白基因 54 2.2 核糖體失活蛋白基因 54 2.3 其他植物內(nèi)源基因 55 3 干擾素基因及其應(yīng)用 55 3.1 干擾素的抗病毒原理 56 3.2 干擾素基因的應(yīng)用 56 4 抗體基因及其應(yīng)用 56 4.1 抗體基因的抗病毒原理 56 4.2 抗體基因在植物中的應(yīng)用 56 復(fù)習(xí)題 57 名詞解釋 57 問題 57 第7章 抗植物真菌病害基因及其應(yīng)用 58 1 抗菌物質(zhì)相關(guān)基因及其應(yīng)用 58 1.1 植物抗毒素(植保素)基因及其應(yīng)用 58 1.2 核糖體失活蛋白基因及應(yīng)用 58 1.3 多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白基因及其應(yīng)用 59 2 病程相關(guān)蛋白基因及其應(yīng)用 59 2.1 病程相關(guān)蛋白種類 59 2.2 病程相關(guān)蛋白基因及其應(yīng)用 59 3 植物抗真菌病R基因及其應(yīng)用 62 3.1 植物抗真菌病R基因的作用機(jī)理 62 3.2 植物抗真菌病R基因功能及應(yīng)用策略 63 3.3 植物抗真菌病R基因及其應(yīng)用 63 4 植物系統(tǒng)獲得性抗性的抗病基因及其應(yīng)用 64 4.1 SAR的作用機(jī)制 64 4.2 SAR的誘導(dǎo)基因 64 復(fù)習(xí)題 66 名詞解釋 66 問題 66 第8章 抗植物細(xì)菌病害基因及其應(yīng)用 67 1 病原菌白身的抗性基因及其應(yīng)用 67 1.1 作用原理 67 1.2 oct基因和tta基因及其應(yīng)用 67 2 抗菌肽基因及其應(yīng)用 67 2.1 抗菌肽的分子結(jié)構(gòu)及其抗菌譜 67 2.2 抗菌肽的殺菌機(jī)制 68 2.3 抗菌肽基因的應(yīng)用 68 3 防御素基因及其應(yīng)用 68 3.1 防御素的結(jié)構(gòu)與功能 68 3.2 防御素np-1基因及其應(yīng)用 69 3.3 美洲商陸Pa-afp基因及其應(yīng)用 69 4 溶菌酶基因及其應(yīng)用 69 5 病原相關(guān)蛋白基因及其應(yīng)用 69 5.1 PR蛋白的基本結(jié)構(gòu)和功能 69 5.2 番茄pto基因的結(jié)構(gòu)與功能 70 5.3 番茄ptil基因的結(jié)構(gòu)與功能 70 6 植物保衛(wèi)素合成酶基因及其應(yīng)用 70 6.1 化合物保衛(wèi)素的功能及其合成酶基因 70 6.2 活性氧的抗菌功能及其調(diào)控基因 70 7 類甜蛋白基因及其應(yīng)用 71 7.1 類甜蛋白的成分和結(jié)構(gòu) 71 7.2 TLP的作用機(jī)制和應(yīng)用 71 7.3 tho基因的結(jié)構(gòu)與功能 71 復(fù)習(xí)題 71 名詞解釋 71 問題 71 第9章 抗非生物脅迫基因及其應(yīng)用 72 1 耐除草劑基因及其應(yīng)用 72 1.1 抗EPSPS抑制劑基因 72 1.2 抗ALS抑制劑基因 73 1.3 草銨膦乙酰轉(zhuǎn)移酶基因 73 2 抗非生物逆境基因及其應(yīng)用 73 2.1 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成酶基因及其應(yīng)用 73 2.2 抗氧化保護(hù)酶基因及其應(yīng)用 74 2.3 LEA蛋白基因及其應(yīng)用 75 2.4 抗逆相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因及其應(yīng)用 75 2.5 信號(hào)因子及其應(yīng)用 77 3 抗寒基因及其應(yīng)用 78 3.1 抗凍蛋白基因 78 3.2 提高生物膜流動(dòng)性的蛋白質(zhì)基因 79 3.3 環(huán)境因素誘導(dǎo)表達(dá)的植物抗寒相關(guān)基因 79 4 耐瘠薄基因及其應(yīng)用 80 4.1 耐低磷候選基因及其應(yīng)用 80 4.2 耐低鉀候選基因及其應(yīng)用 81 復(fù)習(xí)題 81 名詞解釋 81 問題 81 第10章 影響作物產(chǎn)量、品質(zhì)的基因及其應(yīng)用 82 1 影響作物產(chǎn)量的基因及其應(yīng)用 82 1.1 植物光合作用機(jī)制及提高作物產(chǎn)量的設(shè)想 82 1.2 影響作物光合作用的基因及其應(yīng)用 82 1.3 植物產(chǎn)量形成的相關(guān)基因 84 2 影響作物品質(zhì)的基因及其應(yīng)用 85 2.1 谷物種子貯藏蛋白基因及其應(yīng)用 85 2.2 影響淀粉品質(zhì)的基因及其應(yīng)用 86 3 調(diào)控果實(shí)成熟基因及其應(yīng)用 87 3.1 多聚半乳糖醛酸酶 87 3.2 果膠酯酶 87 3.3 果膠裂解酶 88 3.4 纖維素酶 88 3.5 脂氧合酶 88 3.6 乙烯合成相關(guān)酶類 88 4 改良脂肪酸組成的基因及其應(yīng)用 88 4.1 植物飽和脂肪酸合成途徑及其改造 88 4.2 植物不飽和脂肪酸的合成途徑及其改造 90 4.3 三酰甘油組裝酶及其改造 90 4.4 影響種子含油量的調(diào)控因子 90 5 植物甜味蛋白及其應(yīng)用 90 5.1 甜味蛋白的基因工程 90 5.2 環(huán)化糊精糖苷轉(zhuǎn)移酶基因及其應(yīng)用 91 復(fù)習(xí)題 91 問題 91 第11章 調(diào)控植物生長發(fā)育的基因及其應(yīng)用 92 1 植物激素基因?qū)χ参锷L發(fā)育的調(diào)控及其應(yīng)用 92 1.1 生長素相關(guān)基因 92 1.2 細(xì)胞分裂素基因 93 1.3 赤霉素基因 93 2 光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因?qū)χ参镄螒B(tài)建成的調(diào)控及其應(yīng)用 94 2.1 光受體基因?qū)π螒B(tài)建成的調(diào)控 94 2.2 cop1基因及其對(duì)光形態(tài)建成的負(fù)調(diào)控 95 2.3 hy5基因及其對(duì)光形態(tài)建成的正調(diào)控 95 3 調(diào)控胚胎發(fā)育及體細(xì)胞再生的基因及應(yīng)用 95 3.1 調(diào)控胚胎發(fā)育的基因 95 3.2 胚胎發(fā)育基因在體細(xì)胞再生中的應(yīng)用 96 4 調(diào)控葉片發(fā)育、衰老的基因及其應(yīng)用 96 4.1 調(diào)控葉片發(fā)育的基因 96 4.2 調(diào)控葉片衰老的基因 97 5 調(diào)控植物花發(fā)育、衰老的基因及應(yīng)用 98 5.1 調(diào)控植物花發(fā)育的基因 98 5.2 調(diào)控植物花衰老的基因及其應(yīng)用 99 6 植物雄性不育基因及其應(yīng)用 99 6.1 創(chuàng)建植物雄性不育的基因 99 6.2 雄性不育保持及恢復(fù)相關(guān)基因 100 復(fù)習(xí)題 101 名詞解釋 101 問題 101 第12章 植物生物產(chǎn)品基因工程 102 1 植物基因工程生物反應(yīng)器 102 1.1 植物基因工程生物反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn) 102 1.2 植物基因工程產(chǎn)品的表達(dá)定位 102 2 酶合成植物基因工程 103 3 脂肪合成植物基因工程 104 3.1 不飽和脂肪酸的基因調(diào)控 104 3.2 飽和脂肪酸的基因調(diào)控 104 4 淀粉合成植物基因工程 105 4.1 催化淀粉合成的酶及其基因 105 4.2 改造或生產(chǎn)特定結(jié)構(gòu)淀粉的基因 106 5 可降解塑料(PHA)合成植物基因工程 107 5.1 生物可降解塑料PHB的結(jié)構(gòu)功能 107 5.2 PHA的生物合成及其基因調(diào)控 108 5.3 利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)PHA的策略 108 復(fù)習(xí)題 109 問題 109 第13章 植物醫(yī)藥基因工程及其應(yīng)用 110 1 植物醫(yī)藥基因工程概述 110 1.1 植物醫(yī)藥基因工程的發(fā)現(xiàn) 110 1.2 轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)藥物的優(yōu)點(diǎn) 110 1.3 植物醫(yī)藥基因工程宿主植物的選擇 110 1.4 重組蛋白在細(xì)胞中的定位 111 2 植物抗體基因工程及相關(guān)基因 112 2.1 抗體及其基因的結(jié)構(gòu)與功能 112 2.2 抗體在轉(zhuǎn)基因植物中的表達(dá) 113 2.3 植物抗體的應(yīng)用前景 113 2.4 植物抗體存在的問題及研究方向 113 3 植物疫苗基因工程及相關(guān)基因 114 3.1 植物疫苗基因工程目的基因的選擇 114 3.2 植物疫苗基因工程的研究進(jìn)展及應(yīng)用 前景 114 3.3 植物疫苗基因工程存在的問題及策略 116 4 轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)藥用蛋白多肽 117 5 植物醫(yī)藥基因工程研究展望 117 復(fù)習(xí)題 118 名詞解釋 118 問題 119 部分近期參考文獻(xiàn) 120 第三篇 目的基因分離克隆 第14章 基因序列同源性克隆目的基因 124 1 基因序列同源性克隆的原理 124 1.1 基因序列同源性克隆的種類 124 1.2 基因序列同源性克隆的原理 124 2 基因序列同源性克隆的程序 124 2.1 簡并引物設(shè)計(jì) 125 2.2 克隆基因片段序列及同源性分析 126 3 目的基因全長克隆 126 3.1 cDNA末端的快速克。≧ACE技術(shù)) 126 3.2 染色體步移(chromosome walking)技術(shù) 129 4 基因序列同源性克隆的評(píng)述 130 復(fù)習(xí)題 130 名詞解釋 130 問題 130 第15章 基因芯片技術(shù)克隆目的基因 131 1 基因芯片概述 131 1.1 基因芯片的定義 131 1.2 基因芯片的特點(diǎn) 131 2 利用基因芯片技術(shù)分離目的基因 131 2.1 基因芯片技術(shù)分離目的基因的原理 131 2.2 基因芯片技術(shù)分離目的基因的操作流程 132 2.3 基因芯片技術(shù)在分離目的基因中的應(yīng)用 134 3 基因芯片技術(shù)的其他應(yīng)用 135 3.1 基因表達(dá)分析 135 3.2 大規(guī)模測(cè)序 135 3.3 突變體和多態(tài)性檢測(cè) 135 3.4 基因文庫作圖 135 3.5 轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品檢測(cè) 135 3.6 基因芯片技術(shù)的評(píng)價(jià)及發(fā)展前景 135 復(fù)習(xí)題 135 名詞解釋 135 問題 135 第16章 基因文庫技術(shù) 136 1 基因文庫概述 136 2 基因文庫的類別 136 2.1 基因組文庫和cDNA文庫 136 2.2 克隆文庫及表達(dá)文庫 136 2.3 不同載體的基因文庫 137 3 植物核基因組文庫構(gòu)建 137 3.1 DNA片段的產(chǎn)生和制備 137 3.2 構(gòu)建基因文庫的載體 138 3.3 應(yīng)用X噬菌體載體構(gòu)建基因組文庫 138 4 植物cDNA文庫構(gòu)建 138 4.1 mRNA的制備 138 4.2 cDNA的合成 138 4.3 cDNA與載體的連接 139 5 人工染色體文庫構(gòu)建 140 5.1 人工染色體文庫簡介 140 5.2 酵母人工染色體(YAC)文庫 140 5.3 細(xì)菌人工染色體(BAC)文庫 141 5.4 可轉(zhuǎn)化人工染色體(TAC)文庫 142 6 基因文庫篩選方法 142 6.1 核酸雜交法 142 6.2 免疫學(xué)檢測(cè)法 143 6.3 同胞選擇法 143 6.4 PCR篩選法 143 7 問題與展望 143 復(fù)習(xí)題 144 名詞解釋 144 問題 144 第17章 差異表達(dá)基因的分離技術(shù) 145 1 mRNA差異顯示技術(shù) 145 1.1 mRNA差異顯示技術(shù)的基本原理 145 1.2 mRNA差異顯示技術(shù)分離差異表達(dá)基因的基本程序 146 1.3 mRNA差異顯示技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及局限性 146 1.4 mRNA差異顯示技術(shù)的改進(jìn) 147 1.5 mRNA差異顯示實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng) 149 2 實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)分離目的基因 150 3 RACE技術(shù)克隆全長目的基因 150 4 基因表達(dá)系列分析技術(shù)(SAGE)努離目的基因 150 4.1 SAGE的原理 150 4.2 SAGE操作程序 150 4.3 SAGE的特點(diǎn)分析及應(yīng)用 151 5 差減雜交(SH)與抑制性差減雜交(SSH)技術(shù)分離目的基因 151 5.1 SSH的基本原理 152 5.2 SSH的操作程序 152 5.3 SSH的優(yōu)點(diǎn)分析 153 5.4 SSH在基因克隆中的應(yīng)用前景 153 復(fù)習(xí)題 153 名詞解釋 153 問題 153 第18章 插入突變技術(shù)分離克隆目的基因 154 1 插入失活篩選重組體 154 1.1 根據(jù)載體表型特征選擇重組體 154 1.2 根據(jù)插入序列的表型特征篩選重組體 155 2 插入接頭突變分離克隆目的基因 155 2.1 基本原理 155 2.2 具體操作 155 3 T-DNA標(biāo)簽法分離克隆目的基因 156 3.1 基本原理 156 3.2 操作及應(yīng)用 156 4 轉(zhuǎn)座子誘變分離克隆目的基因 157 4.1 轉(zhuǎn)座子的基本概念 157 4.2 轉(zhuǎn)座子的分糞和結(jié)構(gòu)特征 157 4.3 轉(zhuǎn)座機(jī)制 158 4.4 轉(zhuǎn)座子的應(yīng)用 159 5 插入突變的其他應(yīng)用 162 復(fù)習(xí)題 162 名詞解釋 162 問題 162 第19章 圖位克隆分離目的基因 163 1 圖位克隆的基本原理 163 2 圖位克隆的基本程序 163 3 圖位克隆的主要技術(shù)環(huán)節(jié) 163 3.1 目的基因遺傳作圖群體的構(gòu)建 163 3.2 篩選與目標(biāo)基因連鎖的分子標(biāo)記 164 3.3 目的基因區(qū)域的精細(xì)定位和作圖 166 3.4 目的基因克隆 167 3.5 目的基因的鑒定 168 4 圖位克隆的研究進(jìn)展 168 復(fù)習(xí)題 169 名詞解釋 169 問題 169 第20章 酵母雙雜交系統(tǒng)分離克隆目的基因 170 1 酵母雙雜交系統(tǒng)的基本原理 170 2 酵母雙雜交系統(tǒng)的內(nèi)容 171 2.1 酵母雙雜交的組成 171 2.2 酵母雙雜交的實(shí)驗(yàn)?zāi)J?171 2.3 酵母雙雜交體系的寄主菌與質(zhì)粒載體 171 3 酵母雙雜交系統(tǒng)的特點(diǎn)分析 172 3.1 雙雜交系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) 172 3.2 酵母雙雜交系統(tǒng)應(yīng)用的局限性和存在的主要問題 173 3.3 酵母雙雜交系統(tǒng)的改進(jìn) 174 4 酵母雙雜交系統(tǒng)的功能及其新技術(shù) 175 4.1 篩選與已知蛋白特異作用的成分 175 4.2 確定兩個(gè)已知有生理作用的蛋白間的作用位點(diǎn)或結(jié)構(gòu)域 176 4.3 酵母單雜交系統(tǒng) 176 4.4 反向雙雜交技術(shù) 176 4.5 酵母三雜交系統(tǒng) 176 5 酵母雙雜交系統(tǒng)的應(yīng)用 177 復(fù)習(xí)題 178 名詞解釋 178 問題 178 第21章 功能蛋白組技術(shù)分離目的基因 179 1 功能蛋白組技術(shù)概述 179 2 蛋白質(zhì)雙向電泳技術(shù) 180 2.1 雙向電泳原理 180 2.2 用于功能蛋白組研究的雙向電泳系統(tǒng) 180 2.3 蛋白質(zhì)雙向電泳技術(shù) 181 3 功能蛋白氨基酸序列分析 183 3.1 概述 183 3.2 蛋白質(zhì)指紋質(zhì)譜分析 183 4 功能蛋白基因分離 184 4.1 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)分離目的基因 184 4.2 核酸雜交篩選法分離目的基因 185 4.3 免疫學(xué)篩選法分離目的基因 185 復(fù)習(xí)題 187 名詞解釋 187 問題 187 第22章 基因分離克隆的新技術(shù)與選擇策略 188 1 基因分離克隆的新技術(shù) 188 1.1 EST序列標(biāo)簽法分離克隆目的基因 188 1.2 EST表達(dá)標(biāo)簽法的原理 188 1.3 EST表達(dá)標(biāo)簽法的思路 188 1.4 EST表達(dá)標(biāo)簽法在植物研究中的應(yīng)用 189 2代表性差異分析(RDA) 189 2.1 gDNA-RDA 190 2.2 cDNA-RDA 190 2.3 cDNA-RDA在植物基因分離克隆中的應(yīng)用 191 3 TADSH技術(shù) 191 3.1 TADSH的基本原理 191 3.2 TADSH方法操作程序 191 3.3 TADSH方法特點(diǎn) 191 4 cDNA-DS技術(shù)(cDNA直選法) 192 4.1 cDNA-DS的基本原理與內(nèi)容 192 4.2 cDNA直選法的操作程序 192 4.3 cDNA-DS方法的影響因素 192 4.4 cDNA直選法的應(yīng)用及研究進(jìn)展 193 5 cDNA-AFLP與cDNA-RAPD技術(shù) 193 5.1 cDNA-AFLP 193 5.2 cDNA-RAPD 194 6 基因鑒定集成法 194 6.1 IPGI技術(shù)的基本原理 194 6.2 IPGI的實(shí)驗(yàn)步驟 194 6.3 IPGI技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 195 6.4 基因鑒定集成法的應(yīng)用前景 195 7 目的基因分離克隆方法的評(píng)述與選擇策略 195 7.1 植物目的基因分離克隆新方法評(píng)述 195 7.2 植物目的基因分離克隆方法的選擇策略 197 復(fù)習(xí)題 198 名詞解釋 198 問題 198 部分近期參考文獻(xiàn) 199 第四篇 植物基因工程載體及其構(gòu)建 第23章 植物基因工程載體 202 1 植物基因工程載體概述 202 2 植物基因工程載體命名規(guī)則及種類 202 2.1 植物基因工程載體的命名規(guī)則 202 2.2 植物基因工程載體的種類及特性 202 3 載體的基本結(jié)構(gòu) 203 4 RNA干擾表達(dá)載體 204 4.1 RNAi的分子機(jī)制 204 4.2 植物RNAi的特點(diǎn) 205 4.3 RNAi載體的設(shè)計(jì)及構(gòu)建 205 4.4 RNA干擾的研究與應(yīng)用展望 206 5 植物基因工程常用的質(zhì)粒載體 207 5.1 植物基因工程常用的克隆載體 207 5.2 植物基因工程常用的表達(dá)載體 209 6 植物基因工程載體改進(jìn)和優(yōu)化 210 6.1 改進(jìn)和優(yōu)化啟動(dòng)子 210 6.2 增強(qiáng)翻譯效率 210 6.3 消除位置效應(yīng) 210 6.4 使用定位信號(hào) 210 6.5 利用內(nèi)含子增強(qiáng)基因表達(dá) 210 復(fù)習(xí)題 211 名詞解釋 211 問題 211 第24章 植物基因工程載體的標(biāo)記基因和報(bào)告基因 212 1 標(biāo)記基因 212 1.1 標(biāo)記基因概述及環(huán)境安全 212 1.2 標(biāo)記基因的分類 212 1.3 常用的選擇標(biāo)記基因 214 1.4 轉(zhuǎn)基因植物中選擇標(biāo)記基困的消除 215 2 報(bào)告基因 218 2.1 報(bào)告基因概述 218 2.2 氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶基因(cat) 218 2.3 熒光素酶基因(luc) 218 2.4 綠色熒光蛋白基因(gfp) 219 2.5 B葡萄糖醛酸糖苷酸酶基因(gus) 219 3 標(biāo)記基因和報(bào)告基因的選擇策略 219 復(fù)習(xí)題 219 名詞解釋 219 問題 219 第25章 Ti質(zhì)粒載體及其構(gòu)建 220 1 Ti質(zhì)粒載體的結(jié)構(gòu)與功能 220 1.1 T-DNA區(qū)域的基因結(jié)構(gòu)與功能 220 1.2 Vir區(qū)操縱子的基因結(jié)構(gòu)與功能 221 2 Ti質(zhì);蛟谵D(zhuǎn)化中的調(diào)控作用 222 2.1 單鏈T-DNA的加T 222 2.2 T鏈復(fù)合體的形成 223 2.3 T鏈復(fù)合體的轉(zhuǎn)運(yùn) 223 2.4 T復(fù)合體靶向植物細(xì)胞核 224 2.5 農(nóng)桿菌染色體基因?qū)-DNA轉(zhuǎn)移的調(diào)控 224 3 Ti質(zhì)粒的改造及載體構(gòu)建 224 3.1 雙元載體系統(tǒng) 225 3.2 載體卡盒 225 4 雙元質(zhì)粒Ti載體的新技術(shù) 225 4.1 雙元Ti載體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 226 4.2 雙元Ti載體的發(fā)展 227 4.3 雙元Ti載體應(yīng)用的展望 230 復(fù)習(xí)題 230 名詞解釋 230 問題 230 第26章 Ri質(zhì)粒載體及其構(gòu)建 231 1 Ri質(zhì)粒載體的結(jié)構(gòu)與功能 231 1.1 Ri質(zhì)粒的酶切圖譜 231 1.2 Ri質(zhì)粒與Ti質(zhì)粒的同源性 232 1.3 Vir區(qū)的基因結(jié)構(gòu)與功能 232 2 Ri質(zhì)粒T區(qū)的基因結(jié)構(gòu)與功能 232 2.1 農(nóng)桿堿型Ri質(zhì)粒T-DNA區(qū)特點(diǎn)與功能 232 2.2 甘露堿型和黃瓜堿型T-DNA區(qū)特點(diǎn) 234 2.3 Ri T-DNA在轉(zhuǎn)化體的整合機(jī)制 234 3 Ri T-DNA微型質(zhì)粒的構(gòu)建 235 復(fù)習(xí)題 235 名詞解釋 235 問題 235 第27章 植物病毒載體及構(gòu)建 236 1 植物病毒載體概述 236 1.1 植物病毒載體特點(diǎn) 236 1.2 植物病毒載體分類 236 2 植物病毒載體的構(gòu)建 241 2.1 基因替代置換 241 2.2 基因插入 242 2.3 融合抗原 242 2.4 基因互補(bǔ) 242 3 病毒載體的應(yīng)用及評(píng)價(jià) 243 3.1 植物病毒載體表達(dá)系統(tǒng)在植物基因工程中的應(yīng)用 243 3.2 植物病毒誘導(dǎo)的基因沉默系統(tǒng)(VIGS)在植物功能基因組研究中的應(yīng)用 244 復(fù)習(xí)題 246 名詞解釋 246 問題 246 部分近期參考文獻(xiàn) 247 第28章 植物基因轉(zhuǎn)化受體系統(tǒng)的建立 250 1 植物基因轉(zhuǎn)化受體系統(tǒng)的條件 250 1.1 高效穩(wěn)定的再生能力 250 1.2 較高的遺傳穩(wěn)定性 250 1.3 具有穩(wěn)定的外植體來源 251 1.4 對(duì)選擇性抗生素敏感 251 1.5 對(duì)農(nóng)桿菌侵染有敏感性 251 2 植物組織培養(yǎng)轉(zhuǎn)化受體系統(tǒng) 251 2.1 植物組織培養(yǎng)轉(zhuǎn)化受體系統(tǒng)的種類及其特性 251 2.2 植物組織培養(yǎng)轉(zhuǎn)化受體系統(tǒng)建立的程序 253 2.3 植物組織培養(yǎng)轉(zhuǎn)化受體系統(tǒng)建立的常見問題 255 3 植物非組織培養(yǎng)受體系統(tǒng) 258 3.1 植物生殖細(xì)胞受體系統(tǒng) 258 3.2 植物種子受體系統(tǒng) 259 3.3 植物莖尖分生細(xì)胞受體系統(tǒng) 259 3.4 植物質(zhì)體受體系統(tǒng) 259 復(fù)習(xí)題 259 名詞解釋 259 問題 259 第29章 根癌農(nóng)桿菌Ti質(zhì);蜣D(zhuǎn)化 260 1 根癌農(nóng)桿菌的生物學(xué)特性 260 1.1 根癌農(nóng)桿菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生活習(xí)性及寄主范圍 260 1.2 根癌農(nóng)桿菌的分類及鑒定 260 1.3 根癌農(nóng)桿菌的遺傳宿主及內(nèi)共生原理 260 1.4 根癌農(nóng)桿菌附著植物細(xì)胞的機(jī)制 261 2 根癌農(nóng)桿菌侵染植物細(xì)胞的化學(xué)機(jī)制 261 2.1 根癌農(nóng)桿菌的趨化性 261 2.2 根癌農(nóng)桿菌侵染的誘導(dǎo)物及作用機(jī)制 261 2.3 冠癭堿的化學(xué)特性及功能 264 3 根癌農(nóng)桿菌的侵染能力及其特性 266 3.1 轉(zhuǎn)化中常用的根癌農(nóng)桿菌菌系及菌株 266 3.2 影響農(nóng)桿菌侵染能力的內(nèi)在因素 267 3.3 根癌農(nóng)桿菌的侵染能力差異及植物的敏感反應(yīng) 268 4 根癌農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化程序及操作原理 268 4.1 根癌農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化程序 269 4.2 根癌農(nóng)桿菌的培養(yǎng)、純化、保存及工程菌液制備 269 4.3 Vir區(qū)基因活化誘導(dǎo)物的使用 270 4.4 外植體的選擇 271 4.5 外植體的預(yù)培養(yǎng)、接種及與農(nóng)桿菌的共培養(yǎng) 272 4.6 外植體脫菌及選擇培養(yǎng) 273 5 根癌農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化方法 274 5.1 整體植株接種共感染法 274 5.2 葉盤轉(zhuǎn)化法 275 6 根癌農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的評(píng)述 276 復(fù)習(xí)題 277 名詞解釋 277 問題 277 第30章 發(fā)根農(nóng)桿菌Ri質(zhì)粒基因轉(zhuǎn)化 278 1 發(fā)根農(nóng)桿菌的生物學(xué)特性 278 1.1 發(fā)根農(nóng)桿菌的宿主及轉(zhuǎn)化體的特性 278 1.2 發(fā)根農(nóng)桿菌的分類及命名 279 1.3 毛狀根是單細(xì)胞克隆體 279 1.4 發(fā)根農(nóng)桿菌的冠癭堿合成 280 2 發(fā)根農(nóng)桿菌基因轉(zhuǎn)化策略 280 2.1 共整合載體轉(zhuǎn)化 280 2.2 雙元載體轉(zhuǎn)化 280 2.3 Ri質(zhì)粒與Ti質(zhì)粒的相容性 280 3 發(fā)根農(nóng)桿菌基因轉(zhuǎn)化的方法及操作原理 280 3.1 轉(zhuǎn)化方法 281 3.2 毛狀根的培養(yǎng) 281 4 發(fā)根農(nóng)桿菌基因轉(zhuǎn)化的影響因素 281 4.1 發(fā)根農(nóng)桿菌種類之間侵染能力的差異 281 4.2 發(fā)根農(nóng)桿菌Vir區(qū)基因的影響 282 4.3 發(fā)根農(nóng)桿菌染色體基因的影響 282 4.4 宿主對(duì)發(fā)根農(nóng)桿菌侵染的敏感性 282 5 發(fā)根農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化的應(yīng)用 282 5.1 促進(jìn)生根 282 5.2 增強(qiáng)抗逆性 282 5.3 次生代謝產(chǎn)物生產(chǎn) 282 復(fù)習(xí)題 283 名詞解釋 283 問題 283 第31章 植物病毒載體介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 284 1 植物病毒的生物學(xué)特性 284 1.1 植物病毒的種類及其特性 284 1.2 植物病毒的形態(tài)結(jié)構(gòu) 285 2 植物病毒介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化的原理 286 2.1 植物病毒的侵染機(jī)制 286 2.2 病毒在植物細(xì)胞內(nèi)的裝配 286 3 植物病毒介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化的程序 287 3.1 病毒載體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的基本條件 287 3.2 病毒載體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的選擇策略 287 3.3 病毒載體轉(zhuǎn)化的方法 288 4 病毒載體與質(zhì)粒載體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的比較 288 4.1 病毒載體與質(zhì)粒載體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的異同 288 4.2 病毒載體的缺點(diǎn) 288 5 病毒載體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的應(yīng)用潛力 288 復(fù)習(xí)題 289 名詞解釋 289 問答題 289 第32章 DNA直接導(dǎo)入法基因轉(zhuǎn)化 290 1 化學(xué)誘導(dǎo)DNA直接轉(zhuǎn)化 290 1.1 PEG介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 290 1.2 脂質(zhì)體介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 292 2 物理法誘導(dǎo)DNA直接轉(zhuǎn)化 293 2.1 電激法介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 293 2.2 超聲波介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 294 2.3 顯微注射介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 295 2.4 激光微束介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 296 2.5 基因槍法介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 297 2.6 低能離子束介導(dǎo)植物基因轉(zhuǎn)化 ~301 復(fù)習(xí)題 302 名詞解釋 302 問題 302 第33章 植物種質(zhì)系統(tǒng)介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 303 1 花粉管通道法介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 303 1.1 花粉管通道法的提出 303 1.2 花粉管導(dǎo)人的原理 303 1.3 花粉管通道法的操作程序 304 1.4 對(duì)花粉管通道法的技術(shù)評(píng)價(jià) 304 2 花粉粒介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 305 2.1 花粉粒介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化的原理 305 2.2 花粉粒介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化的操作程序 305 2.3 花粉;蜣D(zhuǎn)化的優(yōu)點(diǎn)及問題 306 2.4 花粉粒基因轉(zhuǎn)化的應(yīng)用 306 3 生殖細(xì)胞浸泡法介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 306 3.1 浸泡轉(zhuǎn)化法的原理 306 3.2 浸泡轉(zhuǎn)化法程序 307 3.3 浸泡轉(zhuǎn)化法的技術(shù)評(píng)價(jià) 307 4 胚囊、子房注射法介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 308 4.1 胚囊、子房注射法的原理 308 4.2 胚囊、子房注射法的操作程序 308 4.3 胚囊、子房注射法的評(píng)述 308 5 萌發(fā)種子基因轉(zhuǎn)化 309 5.1 萌發(fā)種子基因轉(zhuǎn)化的原理 309 5.2 萌發(fā)種子胚基因轉(zhuǎn)化方法 309 5.3 萌發(fā)種子基因轉(zhuǎn)化的優(yōu)缺點(diǎn) 309 5.4 萌發(fā)種子基因轉(zhuǎn)化的應(yīng)用前景 309 復(fù)習(xí)題 309 名詞解釋 309 問題 309 第34章 植物質(zhì)體基因轉(zhuǎn)化系統(tǒng) 310 1 植物質(zhì)體基因轉(zhuǎn)化系統(tǒng)概述 310 1.1 植物質(zhì)體系統(tǒng)的定義 310 1.2 植物質(zhì)體基因轉(zhuǎn)化的研究歷史 310 1.3 植物質(zhì)體基因轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的優(yōu)越性 310 2 葉綠體基因轉(zhuǎn)化及原理 311 2.1 葉綠體基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 311 2.2 葉綠體的轉(zhuǎn)化方法及原理 311 2.3 葉綠體基因轉(zhuǎn)化載體的特性 311 2.4 外源基因在葉綠體基因組的整合原理 312 3 外源基因在葉綠體基因組的表達(dá) 313 4 轉(zhuǎn)化外源基因在葉綠體基因組的同質(zhì)化途徑 314 4.1 16S rRNA突變型細(xì)胞途徑 314 4.2 利用篩選標(biāo)記基因途徑 314 4.3 利用花粉管導(dǎo)入途徑 314 5 標(biāo)記基因的選擇及刪除 314 5.1 選擇篩選標(biāo)記基因 314 5.2 篩選標(biāo)記基因的刪除 315 6 葉綠體基因工程的應(yīng)用 315 6.1 提高光合效率 315 6.2 改良作物特性 316 6.3 生產(chǎn)藥物及工業(yè)生物產(chǎn)品 316 7 存在問題及展望 316 7.1 轉(zhuǎn)化效率低 316 7.2 葉綠體同質(zhì)化困難 317 7.3 展望 317 復(fù)習(xí)題 317 名詞解釋 317 問題 317 部分近期參考文獻(xiàn) 317 第六篇 轉(zhuǎn)基因植物的檢測(cè) 第35章 標(biāo)記及報(bào)告基因的表達(dá)檢測(cè) 320 1 抗生素抗性基因檢測(cè) 320 1.1 β-葡萄糖苷酸酶基因gus的檢測(cè) 320 1.2 氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶基因cat的檢測(cè) 322 1.3 77pt-II基因的檢測(cè) 323 2 抗除草劑基因檢測(cè) 324 2.1 pat基因的檢測(cè)原理 324 2.2 檢測(cè)方法 325 3 生化代謝基因檢測(cè) 325 3.1 冠癭堿合成酶基因的檢測(cè) 325 3.2 螢光素酶基因的檢測(cè) 325 3.3 二氫葉酸還原酶基因的檢測(cè) 326 4 生物安全性標(biāo)記基因檢測(cè) 326 4.1 磷酸甘露糖異構(gòu)酶基因(pmi)的檢測(cè) 326 4.2 木糖異構(gòu)酶基因(xyla)檢測(cè) 327 4.3 甜菜堿醛脫氫酶(BADH)基因的測(cè)定 327 4.4 綠色熒光蛋白基因gfp的檢測(cè) 328 復(fù)習(xí)題 328 名詞解釋 328 問題 328 第36章 外源基因整合檢測(cè) 329 1 外源基因整合的Southern雜交鑒定 329 1.1 植物DNA提取 329 1.2 雜交探針的制備 330 1.3 Southern印跡雜交 332 1.4 Southern印跡雜交結(jié)果分析 335 2 整合外源基因拷貝數(shù)的IPCR檢測(cè) 337 2.1 IPCR的原理 337 2.2 IPCR技術(shù)要點(diǎn) 337 3 整合外源基因?qū)崟r(shí)熒光定量PCR檢測(cè) 337 3.1 實(shí)時(shí)熒光定量PCR概述 337 3.2 實(shí)時(shí)熒光定量PCR的基本概念 338 3.3 實(shí)時(shí)熒光定量PCR的化學(xué)原理 338 3.4 應(yīng)用SYBR Green l法進(jìn)行基因整合檢測(cè)(絕對(duì)定量分析) 340 4 整合外源基因的原位雜交 340 4.1 染色體DNA原位雜交原理 341 4.2 染色體DNA原位雜交方法 341 復(fù)習(xí)題 341 名詞解釋 341 問題 341 第37章 外源基因的表達(dá)檢測(cè) 342 1 外源基因轉(zhuǎn)錄的Northern雜交檢測(cè) 342 1.1 植物RNA提取 342 1.2 探針制備 344 1.3 Northern斑點(diǎn)雜交 344 1.4 Northern印跡雜交 344 2 外源基因表達(dá)的RT-PCR檢測(cè) 345 2.1 原理 345 2.2 RT-PCR反應(yīng)程序 345 3 外源基因表達(dá)蛋白的檢測(cè) 345 3.1 ELISA檢測(cè) 345 3.2 免疫熒光技術(shù)檢測(cè) 346 4 表達(dá)蛋白的含量測(cè)定 346 5 Western雜交檢測(cè) 347 5.1 Western雜交原理 347 5.2 Western雜交程序 347 5.3 Western印跡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 348 6 外源基因表達(dá)的原位雜交檢測(cè) 348 6.1 組織細(xì)胞mRNA原位雜交 348 6.2 外源基因表達(dá)蛋白的組織細(xì)胞免疫定位 349 6.3 組織印跡的Northern及Western雜交 349 復(fù)習(xí)題 350 名詞解釋 350 問題 350 第38章 轉(zhuǎn)基因植物的生物學(xué)特性檢測(cè) 351 1 轉(zhuǎn)基因植株外源基因純合和嵌合性檢測(cè) 3 5 1 1.1 轉(zhuǎn)基因植株外源基因純合體檢測(cè) 351 1.2 轉(zhuǎn)基因植株嵌合體檢測(cè) 355 2 轉(zhuǎn)基因植物遺傳多樣性檢測(cè) 355 2.1 RFI P檢測(cè)分析原理 355 2.2 RAPD檢測(cè)分析原理 356 2.3 SSR標(biāo)記分析轉(zhuǎn)基因植株的遺傳多樣性 356 3 轉(zhuǎn)基因植株的目的性狀檢測(cè) 358 3.1 生理生化檢測(cè)轉(zhuǎn)基因植物的目的性狀指標(biāo) 358 3.2 轉(zhuǎn)基因植物目的性狀的生物學(xué)鑒定 358 4 轉(zhuǎn)基因植物穩(wěn)定性檢測(cè) 359 復(fù)習(xí)題 359 名詞解釋 359 問題 359 部分近期參考文獻(xiàn) 360 第七篇 轉(zhuǎn)基因植物的遺傳特性及其安全性 第39章 外源DNA在轉(zhuǎn)基因植物中的整合特性 362 1 外源DNA的整合特點(diǎn) 362 1.1 外源DNA整合的隨機(jī)性 362 1.2 外源DNA整合的規(guī)律性 362 1.3 農(nóng)桿菌介導(dǎo)法的整合特點(diǎn) 363 1.4 基因槍法的整合特點(diǎn) 363 1.5 花粉管通道法的整合特點(diǎn) 364 2 外源DNA的整合機(jī)制 364 2.1 T-DNA整合的機(jī)制 364 2.2 直接導(dǎo)入法外源DNA整合的分子機(jī)制 365 3 外源DNA的整合方式及結(jié)構(gòu)變化 367 3.1 外源DNA的整合方式 367 3.2 轉(zhuǎn)化后外源DNA的結(jié)構(gòu)變化 368 4 外源DNA整合的效應(yīng) 369 4.1 位置效應(yīng) 369 4.2 重組效應(yīng) 369 4.3 轉(zhuǎn)基因拷貝數(shù)的效應(yīng)(劑量效應(yīng)) 370 4.4 轉(zhuǎn)基因沉默 370 5 外源基因的刪除 370 5.1 共轉(zhuǎn)化法 370 5.2 轉(zhuǎn)座子法 370 5.3 位點(diǎn)特異性重組法 371 5.4 染色體內(nèi)同源重組法 372 5.5 幾種方法的比較和評(píng)價(jià) 372 6 提高外源DNA有效整合的技術(shù) 372 6.1 定點(diǎn)重組轉(zhuǎn)基因技術(shù)簡介 372 6.2 定點(diǎn)重組轉(zhuǎn)基因技術(shù)的主要類型 372 6.3 位點(diǎn)特異性重組的作用機(jī)制 373 6.4 位點(diǎn)特異性重組的應(yīng)用 373 復(fù)習(xí)題 374 名詞解釋 374 問題 374 第40章 外源基因在轉(zhuǎn)基因植物中的表達(dá)特性 375 1 外源基因的瞬時(shí)表達(dá) 375 1.1 瞬時(shí)表達(dá)的過程 375 1.2 瞬時(shí)表達(dá)的機(jī)制 375 1.3 植物瞬時(shí)表達(dá)的技術(shù) 376 1.4 瞬時(shí)表達(dá)的應(yīng)用 376 2 外源基因的穩(wěn)定表達(dá) 377 2.1 外源基因穩(wěn)定表達(dá)的特點(diǎn) 377 2.2 外源基因穩(wěn)定表達(dá)的類型 377 3 同源性和異源性外漂基因的表達(dá) 378 3.1 同源性外源基因的表達(dá) 378 3.2 異源性外源基因的表達(dá) 379 4 外源基因的沉默 379 4.1 轉(zhuǎn)基因沉默的表現(xiàn) 379 4.2 轉(zhuǎn)基因沉默的機(jī)制 379 5 外源基因的整合方式對(duì)其表達(dá)的影響 381 5.1 外源基因的整合位置 381 5.2 外源基因的拷貝數(shù) 381 6 優(yōu)化外源基因表達(dá)的策略 381 6.1 啟動(dòng)子的合理選擇 381 6.2 目的基因的修飾 382 6.3 信號(hào)肽序列的利用 382 6.4 特殊序列的恰當(dāng)使用 382 6.5 利用優(yōu)良的轉(zhuǎn)化方法和重組系統(tǒng) 383 復(fù)習(xí)題 383 名詞解釋 383 問題 383 第41章 外源基因的遺傳特性及其利用 384 1 外源基因的遺傳規(guī)律 384 1.1 孟德爾式遺傳 384 1.2 非孟德爾式遺傳 385 2 外源基因的遺傳穩(wěn)定性 387 2.1 轉(zhuǎn)基因在轉(zhuǎn)化細(xì)胞中的穩(wěn)定性 387 2.2 轉(zhuǎn)基因在遺傳傳遞中的穩(wěn)定性 387 2.3 轄基因植株的倍性變化 388 2.4 沉默轉(zhuǎn)基因的遺傳穩(wěn)定性 388 3 影響外源基因遺傳特性的因素 388 3.1 環(huán)境條件 388 3.2 轉(zhuǎn)化方法 389 4 轉(zhuǎn)基因材料在遺傳育種中的應(yīng)用 389 4.1 轉(zhuǎn)基因材料在遺傳學(xué)研究中的利用 389 4.2 轉(zhuǎn)基因材料的育種利用 390 4.3 轉(zhuǎn)基因材料的基因聚合利用方法 392 4.4 快速利用轉(zhuǎn)基因材料的技術(shù) 392 復(fù)習(xí)題 393 名詞解釋 393 問題 393 第42章 轉(zhuǎn)基因植物的安全性 394 1 轉(zhuǎn)基因生物安全性概述 394 1.1 生物安全的定義 394 1.2 轉(zhuǎn)基因生物的安全性評(píng)價(jià) 394 1.3 轉(zhuǎn)基因生物安全等級(jí)的劃分 395 2 轉(zhuǎn)基因植物的基因元件安全性 395 2.1 目的基因的安全性 395 2.2 標(biāo)記基因的安全性 395 2.3 調(diào)控元件的安全性 396 2.4 載體骨架序列的安全性 396 3 轉(zhuǎn)基因植物的環(huán)境安全性 396 3.1 生存競爭能力 396 3.2 基因漂移的環(huán)境影響 397 3.3 轉(zhuǎn)基因植物的功能效率評(píng)價(jià) 397 3.4 對(duì)生物多樣性的影響 397 3.5 產(chǎn)業(yè)化后的環(huán)境監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)管理 398 4 轉(zhuǎn)基因植物的食品安全性 398 4.1 轉(zhuǎn)基因食品安全 398 4.2 轉(zhuǎn)基因植物食品安全性的評(píng)價(jià)內(nèi)容 398 5 轉(zhuǎn)基因生物安全管理 399 5.1 國外轉(zhuǎn)基因生物安全管理 399 5.2 我國轉(zhuǎn)基因生物安全管理 399 6 轉(zhuǎn)基因生物安全的風(fēng)險(xiǎn)交流 400 6.1 風(fēng)險(xiǎn)交流的定義 400 6.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)管理和風(fēng)險(xiǎn)交流之間的關(guān)系 400 7 轉(zhuǎn)基因生物安全事件澄清 401 7.1 Pusztai事件 401 7.2 大斑蝶事件 401 7.3 轉(zhuǎn)基因玉米品種對(duì)大鼠腎臟和肝臟毒性事件 401 復(fù)習(xí)題 401 名詞解釋 401 問題 401 部分近期參考文獻(xiàn) 401 第八篇 生物信息學(xué)與植物基因工程 第43章 生物信息學(xué)概述 406 1 什么是生物信息學(xué)? 406 1.1 生物信息學(xué)概念 406 1.2 生物信息學(xué)的研究內(nèi)容 406 2 生物信息學(xué)發(fā)展簡史 408 3 生物分子數(shù)據(jù)庫 408 3.1 基因組數(shù)據(jù)庫 409 3.2 功能數(shù)據(jù)庫 409 4 生物信息學(xué)在植物基因工程中的應(yīng)用 410 4.1 生物信息學(xué)在基因信息挖掘中的應(yīng)用 410 4.2 生物信息學(xué)在基因克隆中的應(yīng)用 410 4.3 生物信息學(xué)在轉(zhuǎn)基因植物表達(dá)分析中的應(yīng)用 411 4.4 生物信息學(xué)在整合外源基因結(jié)構(gòu)功能分析中的應(yīng)用 411 復(fù)習(xí)題 411 問題 411 第44章 生物信息學(xué)與基因結(jié)構(gòu)功能分析 412 1 序列同源性分析 412 1.1 序列比對(duì) 412 1.2 進(jìn)化樹分析 413 2 基因完整性分析 414 3 基因結(jié)構(gòu)域分析 414 4 啟動(dòng)子分析 414 4.1 在線搜索的方法 415 4.2 本地運(yùn)行方法 415 復(fù)習(xí)題 416 問題 416 第45章 生物信息學(xué)與植物基因分離克隆 417 1 植物基因組與基因信息獲取 417 1.1 TAIR庫資源的獲取 417 1.2 GenBank庫資源的獲取 417 2 分子標(biāo)記和基因組數(shù)據(jù)分析 418 2.1 基因表達(dá)數(shù)據(jù)分析與候選基因篩選 418 2.2 基因芯片數(shù)據(jù)分析 418 2.3 Next-generation sequencing (NGS)數(shù)據(jù)分析 419 3 基因克隆中的生物信息學(xué)方法 421 3.1 PCR引物設(shè)計(jì)方法 421 3.2 電子克隆基因 422 復(fù)習(xí)題 424 問題 424 第46章 生物信息學(xué)與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能分析 425 1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫 425 1.1 PROSITE 425 1.2 PDB 425 1.3 SCOP 425 1.4 CATH 425 1.5 PIR和PSD 426 1.6 SWISS-PROT 426 1.7 COG 426 2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) 426 2.1 蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的方法及軟件 426 2.2 蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的方法及軟件 427 3 蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè) 428 3.1 蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)方法 428 3.2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系數(shù)據(jù)庫 428 復(fù)習(xí)題 429 問題 429 部分近期參考文獻(xiàn) 430 植物基因工程申英文名詞對(duì)照 431
緒論植物基因工程概述
自開天辟地以來,浩瀚地球驚天動(dòng)地的變遷孕育著生命的誕生。在漫長的生物進(jìn)化歷程中樹起的豐碑是歷史的見證(圖01)。分子生物學(xué)的問世揭示了基因是生命之源。在大自然的生物進(jìn)化過程中,自然力量的脅迫驅(qū)使基因不斷發(fā)生突變、重組、轉(zhuǎn)移及選擇,從而推動(dòng)生物界無止境的進(jìn)化,形成了今天五彩繽紛的生物界。因此,生物進(jìn)化是伴隨著基因變異的軌跡緩步而進(jìn)。生命科學(xué)的飛速發(fā)展,創(chuàng)立了現(xiàn)代分子生物學(xué)。基因工程技術(shù)的建立,為人類改造生物開辟了嶄新的途徑,預(yù)示著生物進(jìn)化史從自然進(jìn)化產(chǎn)生人類,發(fā)展到了人類改造自然的科學(xué)頂峰時(shí)期。基因工程將使整個(gè)生物界發(fā)生重大變革,這足以說明基因工程的巨大威力。顧名思義,植物基因工程是改造植物的科學(xué),它也是與基因工程發(fā)展結(jié)伴而行的領(lǐng)先者。 圖01植物基因工程研究發(fā)展史事 1植物基因工程的定義 隨著分子生物學(xué)的誕生,基因工程問世。所謂基因工程(genetic engineering)是指從生物體中(供體)分離克隆基因或人工合成基因,再與載體DNA拼接重組,并將其導(dǎo)入到另一種生物體內(nèi)(受體),使之按照預(yù)先的設(shè)計(jì)持續(xù)穩(wěn)定表達(dá)和繁殖的遺傳操作。因此,供體、受體和載體成為基因工程的三大要素。基因克隆、重組和轉(zhuǎn)化是其三大核心技術(shù)。來自供體的基因?qū)儆谕庠椿。由于基因工程是改造生物的遺傳特性,故也稱為遺傳工程(genetic engineering)、遺傳修飾(genetic modification)及基因操作(gene manipulation)等。從工程學(xué)的范疇而言,基因工程是DNA操作技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用,包括上游技術(shù)和下游技術(shù)兩大組成部分。上游技術(shù)指的是基因分離克隆、重組和載體構(gòu)建,而下游技術(shù)則涉及基因轉(zhuǎn)化、表達(dá)及受體培養(yǎng)和表達(dá)產(chǎn)物的分離提取技術(shù)。 植物基因工程是基因工程研究的一個(gè)先導(dǎo)領(lǐng)域;谥参锛(xì)胞全能性的確立、農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)、多種基因轉(zhuǎn)化技術(shù)的建立及植物與農(nóng)業(yè)的密切相關(guān)性,植物基因工程的發(fā)展迅速,并逐漸自成體系,成為一門理論與技術(shù)緊密結(jié)合的完整學(xué)科。確切地說,植物基因工程是植物分子生物學(xué)的一門分支學(xué)科,植物基因工程(plant genetic engineering)的定義是利用基因工程理論技術(shù),從供體分離克隆的外源基因,在體外與載體DNA重組后,經(jīng)遺傳轉(zhuǎn)化導(dǎo)入受體植物基因組中,并獲得有效表達(dá)及穩(wěn)定遺傳的工程。轉(zhuǎn)基因植物(genetically modified plant,GMP)是指通過基因工程技術(shù)改變基因組構(gòu)成的植物。該植物是農(nóng)作物,即稱為轉(zhuǎn)基因作物 (genetically modified crop,GMC)。轉(zhuǎn)基因生物(genetically modified organism,GMO)是廣義的,指轉(zhuǎn)基因的動(dòng)物、植物及微生物。 由此可見,植物基因工程的目的意義是按照人們的愿望進(jìn)行嚴(yán)密的設(shè)計(jì),有目的地改造生物種性,培育出符合人們需求的基因工程新品種,生產(chǎn)所需的產(chǎn)品。 2植物基因工程的研究發(fā)展歷史 縱觀基因工程的發(fā)展歷程編繪了植物基因工程研究發(fā)展大世紀(jì)(圖01),圖中表明基因工程的研究是偉大的科學(xué)家遺傳學(xué)之父孟德爾(G.J.Mendel,1822~1884)從研究豌豆開始的,也是植物基因工程研究的起點(diǎn)。1865年,孟德爾發(fā)現(xiàn)了遺傳因子及遺傳的三大規(guī)律。令人遺憾的是,這天才的發(fā)現(xiàn)在他逝世后的半個(gè)多世紀(jì)內(nèi)幾乎無人理,直到1900年歐洲三位植物學(xué)家重新發(fā)現(xiàn)孟德爾遺傳定律,他才被公認(rèn)為經(jīng)典遺傳學(xué)的奠基人。而后,孟德爾遺傳定律像不朽的神話故事流芳百世,推動(dòng)著基因遺傳學(xué)的發(fā)展。除此之外,丹麥植物遺傳學(xué)家約翰森(Johannsen)在1909年提出“基因型”(genotype)和“表現(xiàn)型”(phenotype)的概念,并為基因型定下了一個(gè)單位“基因”(gene),從此正式拉開了基因工程研究的序幕。顯然,植物基因工程是基因研究的開拓者,但是植物基因工程是基因工程的一門分支學(xué)科,依托于基因工程而發(fā)展。其研究發(fā)展史同樣可以分為以下三個(gè)時(shí)期。 21植物基因工程理論形成期〖*2〗 211DNA分子結(jié)構(gòu)功能的創(chuàng)立 在孟德爾的基礎(chǔ)上,1910年,摩爾根(Morgan)在果蠅的研究中第一次提出了基因?qū)W說,鋪下了基因工程的奠基石。但是在相當(dāng)長的時(shí)間里,對(duì)基因的理解仍是抽象的,概念化的。1944年,美國的微生物學(xué)家格里菲思(Griffith)和艾弗里(Avery)等通過細(xì)菌轉(zhuǎn)化研究,證明DNA是遺傳物質(zhì),是基因的載體。DNA的真正身份得到了確認(rèn),但更大的難題出現(xiàn)了:DNA的結(jié)構(gòu)是什么樣子?此后對(duì)DNA構(gòu)型的研究成為當(dāng)時(shí)科學(xué)界最大的熱點(diǎn)之一。令人驚異的是能回答如此重大問題的竟是發(fā)表在英國《自然》雜志上一篇長不到一千個(gè)單詞的論文,并且論文的作者名不見經(jīng)傳:一位25歲的美國博士后沃森(Watson)和一位37歲的英國劍橋大學(xué)的研究生克里克(Crick)。更值得驚訝的是他們不是常規(guī)地進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn),而是如同小孩玩的拼圖游戲,把一張圖畫割裂后再拼復(fù)成更美的圖畫。然而一些愚昧的非議阻擋不了這篇論文的真正魅力,相反卻正是表明偉大的天才創(chuàng)新思維。1952年,英國國王學(xué)院的科學(xué)家威爾金斯(Wilkins)通過DNA分子X 衍射研究獲得了DNA結(jié)構(gòu)的重要證據(jù),但是DNA分子結(jié)構(gòu)模型仍不清楚。經(jīng)歷了10年的不懈努力,于1953年Watson和Crick開創(chuàng)性地提出了DNA分子的雙螺旋模型(圖02)。這是分子生物學(xué)發(fā)展史上如春雷一般撼動(dòng)世界的偉大發(fā)現(xiàn)。從此生命科學(xué)家茅塞頓開,新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)屢見不鮮, 各類證明DNA結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)紛至沓來,真是一智能滅千年愚。1954年,Crick又提出了中心法則,揭示了遺傳信息的傳遞規(guī)律。從而Watson和Crick及Wilkins這三位科學(xué)家一起獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1958年,大科學(xué)家Meselson等用超速密度離心的技術(shù)證明了DNA通 圖02Watson和Crick提出了 DNA分子的雙螺旋模型 過半保留方式復(fù)制。該實(shí)驗(yàn)被譽(yù)為生物史上最漂亮的實(shí)驗(yàn)之一。1961年,法國科學(xué)家Jacob和Monod提出操縱子(operon)學(xué)說,并發(fā)現(xiàn)了mRNA,同時(shí)美國科學(xué)家Nirenberg首次破譯了64種遺傳密碼,成功地揭示了遺傳信息的流向和基因表達(dá)調(diào)控的方式,從而為基因工程問世奠定了理論基礎(chǔ)。 212DNA表達(dá)、重組理論的建立 DNA雙螺旋模型的提出,遺傳密碼的破譯,mRNA及操縱子的發(fā)現(xiàn),中心法則及基因表達(dá)調(diào)控學(xué)說的確立,都發(fā)生在短短的十余年時(shí)間里?茖W(xué)家好像如夢(mèng)初醒、茅塞頓開,突然讀懂了上帝撰寫的無字天書。從此,生命科學(xué)進(jìn)入分子生物學(xué)的新時(shí)代。理論發(fā)展必然會(huì)指導(dǎo)實(shí)踐,應(yīng)用于生產(chǎn),因此生物技術(shù)、基因工程技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)運(yùn)而生。 1956年,華盛頓大學(xué)教授科恩伯格(Kornberg)利用大腸桿菌的細(xì)胞液,在體外合成DNA。兩年后他又從中分離出DNA聚合酶,從而開拓了分子生物學(xué)的另一片新天地——基因操作技術(shù)。為此,諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的桂冠一年后就獻(xiàn)給了科恩伯格。1970年,霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家Smith等發(fā)現(xiàn)了限制性內(nèi)切酶,同年,Temin等發(fā)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)錄酶,接著1973年Cobeng等建立了質(zhì)粒重組DNA技術(shù),使切割DNA成為可能,此時(shí)已萬事俱備只欠東風(fēng)。這些新的發(fā)現(xiàn)激發(fā)無數(shù)科學(xué)家產(chǎn)生了體外重組DNA,再導(dǎo)入宿主細(xì)胞,并在其中進(jìn)行復(fù)制和有效表達(dá)的構(gòu)想。東風(fēng)來自美國的西海岸。斯坦福大學(xué)的教授Berg是研究DNA重組技術(shù)的元老。他研究發(fā)現(xiàn)了質(zhì)粒是承載外源DNA片段的理想載體,病毒和噬菌體的DNA和RNA都可以改建成載體。1974年,他在世界上最早獲得了重組有編碼哺乳動(dòng)物激素基因的質(zhì)粒,并導(dǎo)入大腸桿菌,獲得了第一株基因工程菌株。1980年,Sanger因設(shè)計(jì)出一種測(cè)定DNA分子內(nèi)核酸序列的方法而與Gilbert和Berg榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這一切DNA重組技術(shù)的創(chuàng)舉為基因工程問世做好了技術(shù)準(zhǔn)備,也為植物基因工程奠定了基礎(chǔ)。 213農(nóng)桿菌基因轉(zhuǎn)化機(jī)制的認(rèn)知 率領(lǐng)植物基因工程研究發(fā)展的生長點(diǎn)是對(duì)植物冠癭瘤的發(fā)生機(jī)制的認(rèn)識(shí)。這是自然界存在的巧奪天工的植物基因工程典范。早在1907年美國科學(xué)家布朗(Armin Bran)研究提出農(nóng)桿菌把“腫瘤誘導(dǎo)物”(tumorinducing principle,TIP)傳遞給了植物,即根瘤細(xì)胞是被農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化了的植物細(xì)胞,并推測(cè)被轉(zhuǎn)換的腫瘤誘導(dǎo)物是DNA,這就是TIP假說。這天才的推測(cè)30年后才被證實(shí)。布朗被譽(yù)為“根癌病研究之父”。1970年,法國科學(xué)家證明誘導(dǎo)物DNA是編碼氨基酸衍生物冠癭堿合成酶的基因,證實(shí)了TIP假說的正確性。但是用農(nóng)桿菌的DNA來轉(zhuǎn)化植物的嘗試接二連三地失敗。1974年,比利時(shí)科學(xué)家van Larebeke等發(fā)現(xiàn)了“農(nóng)桿菌的腫瘤誘發(fā)質(zhì)!保╰umorinducing plasmid,Ti質(zhì)粒)。Ti質(zhì)粒的發(fā)現(xiàn)如同一劑強(qiáng)心針喚醒了美國西海岸華盛頓大學(xué)的科學(xué)家們。他們成立了“西雅圖根癌集團(tuán)”(Seattle Crown Gall Group),全心致力于農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化的植物基因工程研究。然而他們同樣是經(jīng)受了失敗的困擾,多年的努力在植物的腫瘤組織中找不到Ti質(zhì)粒DNA。但是Chilton等沒有氣餒,堅(jiān)持不懈,終于在1977年發(fā)現(xiàn)了“腫瘤誘導(dǎo)物”來自Ti質(zhì)粒上的TDNA(transferred DNA)。接著闡明了冠癭瘤形成的機(jī)制是通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)把TDNA致病基因轉(zhuǎn)化到植物細(xì)胞,并在植物細(xì)胞中表達(dá)合成冠癭堿,供給農(nóng)桿菌生長繁殖所需的氮源,故有人將這個(gè)過程稱為分子內(nèi)共生或遺傳寄生(genetic colonisation)。這是自然界中存在的極為巧妙的植物基因工程遺傳轉(zhuǎn)化體系。這一發(fā)現(xiàn)是植物分子生物學(xué)發(fā)展史上一個(gè)重大的里程碑,也是植物基因工程新紀(jì)元的開始。 22植物基因工程的問世期 1977年,農(nóng)桿菌TDNA的發(fā)現(xiàn)及其轉(zhuǎn)化機(jī)制的闡明, 對(duì)分子生物學(xué)及基因工程都有十分重大的意義。它首次證明了單細(xì)胞生物在自然環(huán)境下能夠跨越原核生物與真核高等植物的界限發(fā)生基因重組, 至今尚未發(fā)現(xiàn)第二個(gè)類似的例子。更值得注意的是“西雅圖根癌集團(tuán)”的首席科學(xué)家,美國科學(xué)學(xué)院的瑪麗·德爾·奇爾頓(Mary Dell Chilton)在論文中明確指出了這個(gè)發(fā)現(xiàn)的重要應(yīng)用價(jià)值:“這個(gè)能夠被轉(zhuǎn)移的元件可用來當(dāng)作今后高等植物基因工程研究載體的可能性是顯而易見的!睆拇酥参锘蚬こ萄芯砍蔀楫(dāng)時(shí)的熱點(diǎn)。 1983年1月,在邁阿密召開的植物與動(dòng)物分子遺傳學(xué)討論會(huì)上發(fā)表的三個(gè)重要報(bào)告標(biāo)志著植物基因工程新紀(jì)元的開始。比利時(shí)根特大學(xué)的Mantaga教授及Monsanton公司科學(xué)家Fraley領(lǐng)導(dǎo)的小組都分別將TDNA上的致癌基因切除,代之以外源基因,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明TDNA可以將外源基因轉(zhuǎn)入植物基因組。世界上第一株農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因植物煙草在美國圣路易斯大學(xué)誕生,與此同時(shí),美國華盛頓大學(xué)教授Chilton領(lǐng)導(dǎo)的研究小組取得了另一項(xiàng)突破性的進(jìn)展,將細(xì)菌的新酶素磷轉(zhuǎn)移酶(NPTⅡ)基因轉(zhuǎn)入植物細(xì)胞后,植物細(xì)胞可抗卡那霉素(Kan)。與此相關(guān)的論文分別發(fā)表于Nature,1983,303;Nature, 1983,304;EMBO, 1983。該轉(zhuǎn)基因植物煙草的獲得,標(biāo)志著植物基因工程的問世。直至當(dāng)今,國際糧農(nóng)組織對(duì)30年前揭示農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒基因轉(zhuǎn)化機(jī)制,并獲得第一株轉(zhuǎn)基因植物的三位科學(xué)家(有的科學(xué)家已去世)(圖03)授予了25萬美元的崇高世界糧食獎(jiǎng),獎(jiǎng)勵(lì)他們對(duì)世界農(nóng)業(yè)的巨大貢獻(xiàn)——開啟農(nóng)業(yè)生物科技新時(shí)代。 圖03三位獲獎(jiǎng)?wù)撸篗arc van Montagu、Robert Fraley和Marry Dell Chilton 23植物基因工程的發(fā)展期 1983年,第一個(gè)轉(zhuǎn)基因植物煙草成功后,各種轉(zhuǎn)基因植株的獲得如雨后春筍,轉(zhuǎn)基因技術(shù)也迅速發(fā)展。1985年,Horsch等首創(chuàng)了由根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)的煙草葉盤法轉(zhuǎn)化技術(shù)(leaf disc transformation)。198
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