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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 JournalofHuazhongAgriculturalUniversity Voll30No.2 Apr.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1,2 1.华中农业大学植物科技学院,武汉430070;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;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 些必威体育精装版研究进展. 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 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(2007AA100505)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.cn 250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 Table2Chloroplasttransgenictechnologyintheapplicationofbioreactor 1)Nicotianatabacum 第2期程琳等: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 组只占较少的数目,这样就形成了叶绿体转化的异 质体.异质体在遗传上是不稳定的,因此,