17 高等植物基因工程

高等植物基因工程

植物基因工程 第十七章 植物基因工程

高等植物基因工程

第十七章 高等植物基因工程一、 高等植物的遗传学特征 二、 高等植物基因工程的基本概念 三、 高等植物的基因转移系统 四、 高等植物的基因表达系统 五、 利用植物转基因技术研究基因的表达调控 六、 利用转基因植物生产功能蛋白和工业原料 七、 植物转基因技术在植物品种改良中的应用

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一、 高等植物的遗传学特征1. 植物的基本特征 2.遗传操作的简易性 . 3.整株植物的再生性 . 4.染色体的多倍体性 .

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1、植物的基本特征植 物

低等植物 无根、茎、叶等分化器官 合子不经胚直接发育为个体 藻类 地衣

高等植物 含根、茎、叶、花、果分化器官 合子经胚再发育为个体 苔藓门 蕨类门 裸子门 被子门

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2、遗传操作的简易性大多数高等植物具有自我授精的遗传特征，通常能产生大量 的后代；而且借助于如风、重力、昆虫传播等自然条件，授精范 围广、速度快、效率高。因此，即便是频率极低的基因突变和重 组事件，其遗传后果也易被观察。

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3、整株植物的再生性植物损伤后，会在伤口长出一块软组织，称为愈伤组织。如果将一 小片鲜嫩的愈伤组织取下，放在含有合适营养和植物生长激素的组织培 养基中，则这些细胞便会持续生长并分裂成悬浮液。将这些细胞涂在特 定的固体培养基上，就会长成新的幼芽，并且这些愈伤组织重新分化成 为叶、根、茎，最终成为整株开花植物。 愈伤组织的细胞分化取决于植物生长素(Auxins)和分裂素( Cytokinins)的相对浓度。生长素与分裂素之比高，则根部发育；生长素 与分裂素之比低，则茎部发育。

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3、整株植物的再生性植物细胞通常不能有效地吸收外源DNA,因为它们具有纤维素构成 的细胞壁。可用纤维素酶处理植物细胞壁，形成原生质体，待吸收DNA 分子后，经过再生，再通过愈伤组织形成培育出整株植物。这项技术有 一定的局限性，即大多数单子叶农作物(如谷类作物)很难从原生质再 生出完整细胞。

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4、染色体的多倍体性很多高等植物拥有比人类更大的基因组，并以多倍体的形式存在。 大约三分之二的禾本科植物呈多倍体型，其染色体数目范围从24至144 不等。这种多倍体植物在组织培养过程中呈现出较高的遗传不稳定性， 导致体细胞变异。

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第十七章 高等植物基因工程

二、 高等植物基因工程的基本概念高等植物基因工程

高等植物转基因技术

高等植物细胞基因表达技术

转基因植株 农作物遗传性状改良

植物工程细胞 蛋白多肽物质大规模生产 小分子化合物大规模生产

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高等植物基因工程的发展历程1983 年 1994 年 1995 年 2000 年 美国和

比利时科学家首次将外源基因导入烟草和胡萝卜 世界上第一种耐储藏的番茄在美国批准上市 转基因的抗虫、抗除草剂的玉米和棉花在美国投入生产 美国转基因大豆的种植面积首次超过普通大豆

迄今为止 世界上共批准了12种作物、6大类性状的48个转基因品种 进行商业化生产，其中包括水稻、玉米、马铃薯、小麦、黑麦、红 薯、大豆、豌豆、棉花、向日葵、油菜、亚麻、甜菜、甘草、卷心 菜、番茄、生菜、胡萝卜、黄瓜、芦笋、苜蓿、草莓、木瓜、猕猴 桃、越橘、茄子、梨、苹果、葡萄等。

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三、 高等植物的基因转移系统1、Ti 质粒介导的整合转化程序 、 2、植物病毒介导的转染程序 、 3、植物细胞的直接转化程序 、 4、植物原生质体的再生程序 、

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1、Ti 质粒介导的整合转化程序Ti 质粒的结构与功能 几乎所有的双子叶植物尤其是豆科类植物的根部常常会形成 根瘤，这是由于植物根部被一种革兰氏阴性土壤杆菌农杆根瘤菌( A.tumefaciens)感染所致，其致瘤特性是由该菌细胞内的野生型 质粒 Ti(Tumor-inducing)介导的。

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Ti 质粒的结构与功能 Ti 质粒的图谱 整个质粒 160 - 240 kb 其中 T-DNA 12 - 24 kb tms 的编码产物负责： 的编码产物负责： 合成吲哚乙酸 tmr 的编码产物负责： 的编码产物负责： 合成植物分裂素 tmt 的编码产物负责： 的编码产物负责： 合成氨基酸衍生物 冠瘿碱复制起始区 复 复 复 复 代Vir 区 代 LBT-DNA

( tms ) iaa H iaa M

( tmr ) ipt Z

( tmt )

Auxin Cytokinin Opine RB

Ti plasmidOpine 代谢区 代 代 代

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植 植 植 植

Ti 质粒的结构与功能 Ti 质粒致瘤的分子机制损伤的植物根部会分泌出乙酰 丁香酸和羟基乙酰丁香酸， 丁香酸和羟基乙酰丁香酸，它 们能诱导Ti质粒上的 们能诱导Ti质粒上的vir基因以 Ti 及根瘤菌染色体上的一个操纵 子表达。 基因产物将Ti Ti质粒 子表达。vir基因产物将Ti质粒 上的T-DNA单链切下，而根瘤菌 上的T DNA单链切下， 单链切下 染色体上的操纵子表达产物则 与单链T-DNA结合形成复合物， 与单链T DNA结合形成复合物， 结合形成复合物 后者转化植物根部细胞。 后者转化植物根部细胞。O 羟 羟 羟 羟 乙酰丁香酸 羟 H3CO OH C CH3 O C

植物根部

CH2OH 羟 羟 羟 羟 羟 羟 羟

羟基乙酰丁香酸

OCH3

H3CO OH

OCH3

植 植 植 植

根瘤菌细胞Ti 质 质 Ti 质粒

T-DNA 单 单

单链 T-DNA

植物细胞

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LB

RB T-DNA

Ti 质粒的结构与功能 T-DNA的染色体整合机制 的染色体整合机制Vir Çø

Ti plasmidOpine

表达

特异性核酸内切酶

T-DNA LB RB

在LB和RB的第三和第四个碱基之间切开

单链T-DNA整合在植物的基因组上

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Ti 质粒的结构与功能 T-DNA的

染色体整合机制 的染色体整合机制

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Ti 质粒的改造 除去T-DNA上的生长素(tms)和分裂素(tmr)生物合成基因，因 上的生长素( )和分裂素( )生物合成基因， 除去 上的生长素 为大量的生长素和分裂素会抑止细胞再生长为整株植物； 为大量的生长素和分裂素会抑止细胞再生长为整株植物； 除去T-DNA上的有机碱生物合成基因 ( tmt); 因为有机碱的合成 上的有机碱生物合成基因( ) 除去 上的有机碱生物合成基因 大量消耗精氨酸和谷氨酸，影响植物细胞的生长； 大量消耗精氨酸和谷氨酸，影响植物细胞的生长； 质粒上的其它非必需序列，最大限度地缩短载体的长度； 除去 Ti 质粒上的其它非必需序列，最大限度地缩短载体的长度； 安装大肠杆菌复制子， 使其能在大肠杆菌中复制， 安装大肠杆菌复制子 ， 使其能在大肠杆菌中复制 ， 以利于克隆操作 ； 安装植物细胞的筛选标记， 基因， 安装植物细胞的筛选标记， 如 neor 基因 ， 使用植物基因的启动子 和polyA化信号序列； 化信号序列； 化信号序列 安装多聚人工接头以利于外源基因的克隆。 安装多聚人工接头以利于外源基因的克隆。

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多克隆位点

共整合转化程序T-DNA

NPTII ( Kmr )

大肠杆菌质粒 农杆菌筛选标记

重组质粒

pBR322 ori

大肠杆菌筛选标记

转化

农杆菌

大肠杆菌

细菌接合

T-DNA区同源整合

农杆菌

感染植物根部细胞

T-DNA区整合在植物细胞基因组上

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二元整合转化程序植物细胞筛选标记 Kmr

将外源基因克隆在大 肠杆菌肠杆菌-农杆菌穿梭质 粒的T-DNA区内； 区内； 粒的 区内 重组质粒直接转化农 杆菌株， 杆菌株 ， 该菌株携带 只含vir区不含 只含 区不含T-DNA 区不含 区的Ti辅助质粒； 区的 辅助质粒； 辅助质粒 以上述重组农杆菌感 染植物细胞。 染植物细胞。

外源基因

LB

T-DNA大肠杆菌-农杆菌穿梭质粒 农杆菌ori 大肠杆菌筛选标记

RB

大肠杆菌ori 农杆菌筛选标记

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/b0ri.html