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1、植物叶绿体基因工程研究进展植物叶绿体基因工程研究进展植物叶绿体基因工程研究进展植物叶绿体基因工程研究进展植物叶绿体基因工程研究进展植物叶绿体基因工程研究进展植物叶绿体基因工程研究进展植物叶绿体基因工程研究进展植物叶绿体基因工程研究进展植物叶绿体基因工程研究进展第3O卷第2期201i年4月华中农业大学学报JournalofHuazhongAgriculturalUniversityVoll30No.2Apr.2011,249--259植物叶绿体基因工程研究进展程琳瞿波李和平廖玉才1,21.华中农业大学植物科技学院,武汉430070;2.
2、华q-农业大学麦类作物分子生物技术实验室,武汉430070;3.华中农业大学生命科学技术学院,武汉430070摘要植物叶绿体基因工程与细胞核基因工程相比,具有许多独特的优势,如能够实现外源基因特异整合及高效表达,多基因共表达,外源基因不会随花粉扩散,没有位置效应和基因沉默等.目前已在16种植物中成功获得叶绿体转基因植株,改良了植物的农艺性状,特别是在烟草叶绿体中高效表达了4o多种外源蛋白,包括多种抗体和疫苗.尽管如此,这项技术目前尚未用于主要粮食作物的性状改良.本文综述了植物叶绿体基因工程的原理,技术,应用,难点及进展.关键词质体转化
3、;叶绿体;筛选标记基因;植物生物反应器中图分类号Q78文献标识码A文章编号1000—2421(2011)02—0249—11植物叶绿体由前质体分化而来,在进化上源于内共生细菌_1],因而叶绿体保留了许多原核细胞的特性,如多顺反子,基因转录及蛋白质翻译,均与细菌相似.但经过千万年的进化,叶绿体基因组中大部分基因已转移到核基因组中,其自身的新陈代谢也受核基因调控;叶绿体中主要保留了三类功能基因:光合作用,表达调控和生物合成.叶绿体通过光合作用合成重要的氨基酸类物质,是植物细胞首要的能量来源,在植物生长发育和细胞新陈代谢过程中具有非常重要的
4、作用[2].植物叶绿体转基因技术,是经过同源重组将外源基因定点整合到叶绿体基因组中,这与常规的细胞核转基因技术不同.高等植物细胞的叶绿体数目多,每个细胞含100个左右,而1个叶绿体中又存在约100个叶绿体基因组L3],所以1个植物细胞的叶绿体基因组拷贝数可高达lO000.因此,植物叶绿体转基因技术的发展及应用具有一些重要特点.本文扼要综述了叶绿体转基因技术原理,发展历程及一些最新研究进展.1叶绿体基因工程原理将外源DNA转入叶绿体首先需要通过几层物理障碍:细胞壁,原生质体膜及叶绿体双层膜.目前,最有效同时也是应用最广泛的转化方法是将外
5、源基因包裹在金粉或者钨粉颗粒表面,通过高压气体的驱动,将其转入细胞内,也就是我们通常所说的基因枪转化法.该方法最早被应用于洋葱表皮细胞的基因转化_5j,随后,经过改良的基因枪法被应用到更小的细胞类型和细胞器的基因转化中,如单细胞生物衣藻_6]和烟草的叶绿体转化¨7].其他较为复杂的转化方法也逐渐发展起来,如PEG介导的原生质体转化[8j和直接将DNA通过显微注射的方法注入细胞器中¨9].尽管PEG介导的质体转化技术在酶解细胞壁和原生质体的分化再生方面积累了一定的经验,但是该项技术还仅限于在部分实验室进行研究.而显微注射技术对仪器有特殊
6、的要求,这也极大地限制了该项技术的应用,所以截止到目前并没有应用该项技术成功获得叶绿体转基因植株的报道.目前,基因枪法仍为应用最广泛的叶绿体转化的方法.迄今为止,得到的叶绿体转基因植株汇总于表1和表2,大多数是通过基因枪法转化得到.当外源基因进入叶绿体后,通过同源重组双交换的模式外源基因定点插入到叶绿体基因组的特定位点中,稳定整合的外源基因在细胞分裂时可以复制并进入到新分裂出的细胞中.每1个叶绿体约含有100个拷贝的叶绿体基因组,每7～1O个拷贝聚收稿日期:201101—27基金项目:国家”863”计划重点项目(2007AA10050
7、5)和国际合作项目(2009DFA32330)程琳,博士研究生.研究方向:植物叶绿体基因工程.Email:chenglin403@webmail.hzau.edu.~i1通讯作者:廖玉才,博士,教授.研究方向:植物分子生物技术.E-mail:yucailiao@mail.hzau.edu.cn250华中农业大学学报第3O卷表2叶绿体转基因技术在生物反应器方面的应用Table2Chloroplasttransgenictechnologyintheapplicationofbioreactor1)Nicotianatabacum第2期程
8、琳等:植物叶绿体基因工程研究进展251集在一起形成一种类核结构.每个细胞约含有100个叶绿体,1次同源重组过程只在1个叶绿体基因组拷贝中插人外源基因,而细胞中含有上万个叶绿体基因组拷贝,所以插入了外源基因的叶绿体基因组只
