植物转基因所需的生物技术

2013-08-08 | 作者: | 标签: 植物转基因 生物技术


基因表达过程。图lens.auckland.ac.nz

DNA重组与转基因技术

重组技术就是通过限制性核酸内切酶和DNA连接酶把目标基因片段整合进载体DNA的技术,是转基因技术的基础。

目标基因就是抗虫、抗除草剂、抗病和抗盐碱等抗性基因,以及控制营养高效利用和具医用价值(如人胰岛素和白蛋白)的基因。载体DNA通常包含在细菌中复制和选择筛选所必需的DNA序列和报告基因,还包含供目标基因克隆和整合所需的位点和序列。

一般通过农杆菌介导、基因枪、细胞创伤和花粉管通道等方法将携带目标基因的载体转入目标植物细胞,并整合到植物的基因组中。最后通过选择标记筛选和分子生物学鉴定获得含目标基因的转基因植物。

植物遗传转化技术

实现遗传转化需要解决2个问题:一是转化载体,二是选择标记基因。

20世纪70年代末,美国华盛顿大学发现, 发根农杆菌的Ti质粒可以整合到植物细胞基因组中。80年代初,比利时根特自由大学证明,Ti质粒可以作为将外源DNA转入植物细胞基因组的载体,从而解决了转化载体和外源基因整合的问题。

第2个问题是选择标记,即如何使细菌的抗菌素基因在植物细胞中表达。1983年,科学家成功地利用根癌农杆菌Ti质粒的冠瘿碱合酶基因的启动子和3’非编码序列,在烟草冠瘿瘤细胞中表达,获得了抗抗菌素的转基因冠瘿瘤细胞。之后洛克菲勒大学蔡南海实验室对花椰菜花叶病毒35S启动子进行了改良,解决了外源基因在植物中表达的问题。

后来,又相继发展出非抗生素选择标记等多种技术,从而排除了植物选择标记,使得转基因技术更加安全。至此, 转基因技术的基本要素都得以解决, 为今后安全高效转基因技术的蓬勃发展奠定了基础。

基因的定点突变技术:ZFN和TALEN技术

转录因子通常通过特殊的DNA结合域识别目标基因启动子上的DNA序列。其中有一类转录因子通过锌指结构域(ZF)与DNA特异结合。不同的ZF结构域识别的核苷酸序列不同,可以通过组合不同数目的ZF类转录因子的Cys2His2结构域实现对目标DNA序列的特异结合。同时这些ZF结构域可以把DNA核酸内切酶引至目标基因并实现切割。目标基因上的切口大多会被细胞的DNA修复系统修复,但也会产生错误,从而达到突变目标基因的目的。这就是ZFN技术。

TALEN( TALEN靶向基因敲除的技术是一项崭新的分子生物学工具。该技术利用TAL序列模块,构建针对任意核酸靶序列的重组核酸酶,可以实现在特异的位点打断目标基因,从而敲除该基因。编者注)可以在细胞基因组的特定位点产生切口,细胞的DNA损伤修复系统会对其进行修复,但修复过程中可能出错,就会在该位点产生突变。所以利用TALEN技术就可以在目标基因中产生突变,为我们所用。由于TALEN技术可以在不需转基因的情况下改变任何目标基因的表达,对科学研究和动植物的遗传改良是非常有用的。自该技术诞生之日起已在动植物研究中被广泛应用,其速度之快,超出人们的想象。但与ZFN技术一样,该技术也有缺点,它不能实现目标基因的跨物种间转移,也有非特异突变的可能,尤其对于多倍体植物和多拷贝基因的遗传操作还是有难度的。尽管如此,可以预见,TALEN技术将像PCR技术一样,加速生命科学的发展。

从DNA双螺旋结构的发现到基因定点突变技术的出现,仅用了50多年。技术的发展对科学的推动作用越来越明显,也许在不远的将来对动植物基因的改良将会是件容易的事。

作者杨维才,中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员,原标题《植物转基因技术——回顾与前瞻》,植物学报,2013,有改动。


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