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文檔簡(jiǎn)介
Chapt7
GeneticEngineeringofHorticulturePlantgeneEnhancerelementcontrollingsequencesStructuralgeneWhatisgene?Genecanbedefinedasasegmentofgenomewithaspecificsequenceofnucleotides,whichhasaspecificbiologicalfunction.UpstreamelementTATAboxExonExonExonintronintronintron
GeneticEngineering
alsocalledgenetic
modification,isthedirectmanipulationofanorganism'sgenomeusingbiotechnology.
NewDNA
maybeinsertedinthehostgenomebyfirstisolatingandcopyingthegeneticmaterialofinterestusingmolecularcloningmethodstogenerateaDNAsequence,orbysynthesizingtheDNA,andtheninsertingthisconstructintothehostorganism.
Genesmayberemoved,or"knockedout",usinganuclease.Genetargetingisadifferenttechniquethatuseshomologousrecombinationtochangeanendogenousgene,andcanbeusedtodeleteagene,removeexons,addagene,orintroducepointmutations.Anorganismthatisgeneratedthroughgeneticengineeringisconsideredtobeageneticallymodifiedorganism(GMO).ThefirstGMOswerebacteriain1973.Geneticallymodifiedcrops(GMCs,GMcrops).Thefirstgeneticallymodifiedplantwasproducedin1982,usinganantibiotic-resistanttobaccoplant.ThefirstgeneticallymodifiedcropapprovedforsaleintheU.S.,in1994,wastheFlavrSavrtomato,whichhadalongershelflife.7.1InstrumentalEnzymeof
GeneEngineeringRestrictionendonucleases(限制性內(nèi)切酶)Ligase(連接酶)Polymerase(聚合酶)Nuclease(核酸酶)Terminalenzyme(末端轉(zhuǎn)移酶)Methylase(甲基化酶)7.1.1RestrictionEndonuclease一類能識(shí)別雙鏈DNA分子中某一特定核苷酸序列,并能對(duì)核酸內(nèi)部的磷酸二酯鍵進(jìn)行切割的一種內(nèi)切核酸酶。TypeⅠendonuclease:識(shí)別專一位點(diǎn),切割不專一;TypeⅡendonuclease:識(shí)別專一位點(diǎn),切割專一;TypeⅢendonuclease:識(shí)別專一位點(diǎn),切割不專一。TypeⅡendonucleaseRecognize:4~6個(gè)核苷酸,回文序列Cutingresult:astickyends(粘性末端):Pst1EcoR15’-CTGCA
G-3’5’-G
AATTC-3’3’-G
ACGTC-5’3’-CTTAA
G-5’
abluntends(平末端):NruⅠ5’TCG
CGA3’5’AGC
GCT3’Isoschizomers(同裂酶):指來(lái)源不同,但識(shí)別相同靶序列的核酸內(nèi)切酶。如:HpaⅡ和MspⅠ是一對(duì)同裂酶(CCGG)Isocaudarner(同尾酶):指來(lái)源不同、識(shí)別靶序列不同但產(chǎn)生相同的粘性末端的核酸內(nèi)切酶。BamHⅠ
BclⅠG
GATCC
TGATC
ACCTAGG
ACTAGT7.1.2DNAligase
(DNA連接酶)T4DNA
ligase:joinbluntendsorstickyendsEscherichiacoliDNA
ligase:joinstickyends7.1.3DNApolymeraseDNA
polymeraseⅠofE.coli:
5’→3’聚合活性,5’→3’外切活性,3’→5’外切活性2.KlenowfragmentofDNApolymeraseⅠofE.coli
5’→3’聚合活性,3’→5’外切活性3.DNA
polymeraseofPhageT4
5’→3’聚合活性,3’→5’外切活性,活性高200倍。4.Reversetranscriptase(反轉(zhuǎn)錄酶)5.DNA
polymeraseofT7phage:活性高1000倍7.1.4
OtherDNA-modifyingenzymesTerminaltransferase(末端轉(zhuǎn)移酶):能以具3’-OH的單鏈和雙鏈的DNA為引物,在有底物dNTP和Mg2+和Co2+下,把脫氧核苷酸一個(gè)接一個(gè)加到DNA的3’端上。
Alkalinephosphatase(堿性磷酸酶):在堿性條件下(pH8~9),可除去DNA、RNA
5’端磷酸基團(tuán),使5’端變?yōu)?OH。防止DNA的自身連接,方便5’端的放射性標(biāo)記。
Methylase(甲基化酶):通過(guò)對(duì)DNA分子上的特定序列位點(diǎn)進(jìn)行甲基化修飾,使該序列免受能識(shí)別和切割該序列的限制性內(nèi)切核酸酶的切割。
Nuclease
S1(S1核酸酶):能降解單鏈DNA或RNA,產(chǎn)生帶5’磷酸的單核甘酸或寡核甘酸。7.2Vectors(載體)Vector:能把外源DNA帶進(jìn)宿主細(xì)胞,并使之在細(xì)胞內(nèi)建立穩(wěn)定的遺傳狀態(tài),在細(xì)胞內(nèi)繁殖、傳代或進(jìn)行表達(dá)。Avecctorshouldhavethefollowingfeatures:Containareplicon,能自主復(fù)制Markergenes,可供選擇的遺傳標(biāo)記Uniquecleavagesite,克隆位點(diǎn)ContainsuitablecontrolelementsforexpressionofclonedDNA,suchaspromoters,terminators,控制元件7.2.1Plasmids(質(zhì)粒)Plasmidsaredouble-stranded,colsedcircularDNAmolecules,whichexitstinthecellasextrachromosomalunits.存在于細(xì)菌染色體外的小型環(huán)狀雙鏈DNA分子。大小1~500bp??勺陨韽?fù)制和表達(dá),常有1~3個(gè)抗藥性基因,便于篩選。經(jīng)過(guò)適當(dāng)改選后便可成為良好的載體??寺⊥庠碊NA片段<10kb(4363bp)oripBR322wasoneofthefirstcloningvectorstobeconstructedandthemostwidelyused.
Itisa4.36kbdoublestrandedcloningvecctor.ItcontainsColE1oriofreplicationandtwoantibiotic-resistancegenesand20uniquerecognitionsites.TheinsertedDNAfragmentwaslessthan10kb.pUCVectors1、2.7kbandpossessColE1oriofreplication;
2、amprR(氨芐青霉素抗性)gene,不含核酸內(nèi)切限制酶的識(shí)別位點(diǎn)。
3、operon(啟動(dòng)子)oflacZ(大腸桿菌β-半乳糖基因)andcodingα-肽鏈的DNA序列;
4、MCS(多克隆位點(diǎn))locatedinlacZ’
gene。MCS不破壞該基因的功能。在含氨芐青霉素、x-gal和IPTG培養(yǎng)基上,未轉(zhuǎn)化的細(xì)菌不能生長(zhǎng),藍(lán)色菌落為野生型pUC,白色菌落為重組pUC。7.2.2λ
phage(噬菌體)vectorphage15kb<insertedDNAfragment<23kbVirusesthatcaninfectbacteria.48.5kbinlengthLinearorcirculargenome(cosends)Lyticphase
(Replicateandrelease)Lysogenicphase(integrateintohostgenome)VectorcarryLacZ'gene:在誘導(dǎo)物IPTG和X-gal存在時(shí),β-半乳糖苷酶與相應(yīng)的Lac-宿主鋪平板可形成深藍(lán)色噬菌斑。當(dāng)插入外源基因時(shí),所產(chǎn)生的重組噬菌體喪失α互補(bǔ)能力,形成無(wú)色噬菌斑。Theimmunefunction(免疫功能失活載體):載體基因組中有一段免疫區(qū)(酶切位點(diǎn)),外源基因插入失活,無(wú)法進(jìn)入溶原周期,形成清晰噬菌斑。7.2.3Cosmid(柯斯質(zhì)粒)vectorsThevectorshavingbothcos(cohesive)ofλphageandoriofreplicationofplasmid。Cosmidvectors可利用噬菌體體外包裝的特性進(jìn)行體外包裝,利用噬菌體感染的方式將重組DNA導(dǎo)入受體細(xì)胞,但它不會(huì)產(chǎn)生子代噬菌體,而是以質(zhì)粒DNA的形式存在于細(xì)胞內(nèi)。COSmidpHC79is4.3kb
DNAfragmentandmadeofpBR322andcossiteofλphage.InsectionDNAfragmentmorethan40kb。7.2.4Artificialchromosomevectorsbacterialartificialchromosome,(BAC,細(xì)菌人工染色體)yeastartificialchromosome,(YAC,酵母人工染色體載體)Structureofabacterialartificialchromosome(BAC),usedforcloninglargefragmentsofdonorDNA.CMRisaselectablemarkerforchloramphenicolresistance.oriS,repE,parA,andparBareFgenesforreplicationandregulationofcopynumber.cosNisthecossitefromlphage.HindIIIandBamHIarecloningsitesatwhichforeignDNAisinserted.Thetwopromotersarefortranscribingtheinsertedfragment.TheNotIsitesareusedforcuttingouttheinsertedfragment.7.3Gene
cloning
Genelibraryscreening(文庫(kù)篩選法)Map-basedcloning(圖位克隆技術(shù))Transposontag(轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽法)Differentialdisplayanalysis(基因差異表達(dá)分析)Homologysequences(同源序列法)Genechip(基因芯片技術(shù))Strategy7.3.1GenelibraryscreeningGenelibrary:是一組DNA或cDNA序列克隆的集合體。Type:genomiclibrary(基因組文庫(kù))cDNAlibrary(cDNA文庫(kù))(1)GenomicCloning①Vectorpreparation:Thenumberofrecombinantsforacompletegenomiclibrarycanbeestimated:
N=ln(1-P)/ln(1–f)(P=任一基因被克隆的概率)(f=克隆片段的平均大小/生物基因組的大小)
Example:genomicsoftonatowas9.5×108bp,基因文庫(kù)中克隆片段的平均大小為20kb,則構(gòu)建一個(gè)完備性為0.99的基因文庫(kù)至少需要N=2.2×105
cloning。②PreparationoflongDNAfragment
盡可能避免機(jī)械切割
部分消化:低熔點(diǎn)瓊脂糖包埋,再酶切。一般可得到>600kb的DNA.③JunctionofgenomicDNAwithvectors(比例1:15)④Genetictransformation(電轉(zhuǎn)化)⑤Cloneselectionandverification
(隨機(jī),脈沖電泳)⑥Libraryamplification,packagingandpreservation(2)cDNAlibraryPreparatonofmRNA:oligo(dT)SynthesisoffirststrandofcDNA:reversetranscriptasesSynthesisofsecondstrandofcDNA:RNA-cDNA雜合分子AAAA(A)nTTTT(T)nRNA酶H,大腸桿菌DNA聚合酶IAAAA(A)nTTTT(T)nAAAA(A)nTTTT(T)nAAAA(A)nTTTT(T)nRNA片段為引物合成第二鏈T4DNA聚合酶置換合成CloningofcDNA:Mondify:cDNA甲基化處理,保護(hù)內(nèi)部酶切位點(diǎn),添加接頭。cloning:將cDNA克隆到載體中。關(guān)鍵是cDNA與載體的比例。PCR介導(dǎo)法Introductiontohostcells(3)
ScreentheinterestinggeneAccordingtonucleotidesequenceofgene相關(guān)基因→DNA探針→雜交Accordingtoexpressionofgene氨基酸序列→合成cDNA探針→雜交ScreenbyPCR
7.3.2Map-basedcloningMap-basedcloning(圖位克隆法):identificationofDNAmarkerlinkedtotargetgeneonthegeneticmap,thenapproachtoandisolationthegenesbychromosomejumpingorchromosomelanding.Produre:目的基因的初步定位精細(xì)定位構(gòu)建目的基因的精細(xì)物理圖譜并鑒定出含目的基因的小DNA片段篩選文庫(kù)以找出目的基因并通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證實(shí)其表型功能。
7.3.3Transposontagging(轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽)andT-DNAtaggingTransposonistheDNAsequencecanmoveonachromosome.能從一個(gè)基因座位轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基因座位,當(dāng)轉(zhuǎn)座子插入到某個(gè)基因內(nèi)部或鄰近位點(diǎn)時(shí),會(huì)使插入位置的基因失活并誘導(dǎo)突變型;當(dāng)轉(zhuǎn)座子切離時(shí),又使目的基因恢復(fù)活性。Transposontagging:localizationandcloningagene
usingtransposoninsertion
causingonegeneinactivation.Procedure:轉(zhuǎn)座子導(dǎo)入目標(biāo)植物篩選獲得純合突變株構(gòu)建突變體核基因組文庫(kù)轉(zhuǎn)座子片段作探針進(jìn)行雜交獲得轉(zhuǎn)座子側(cè)翼序列野生型植物核DNA獲得完整目的基因構(gòu)建野生型核基因組文庫(kù)T-DNAtaggingPrinciple
Likethetransposontaggingmethod,ButusingT-DNAofTiplasmidinagrobacterium(農(nóng)桿菌)causemutant,andfindorseparatagene。7.3.4Analysisofgenedifferentialexpression
基因差異表達(dá)分析Variousprocessesoflifeareaccompaniedbyselectiveopeningandclosing
of
differentgenes.Accondingtothese,severalgenecloningmethodweredeveloped.mRNA差異顯示技術(shù)抑制性差減雜交代表性差異分析
基因表達(dá)序列分析cDNA-AFLP技術(shù)根據(jù)真核生物成熟mRNA的多聚A尾巴設(shè)計(jì)一個(gè)錨定引物和一個(gè)隨機(jī)引物對(duì)RNA進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄和PCR擴(kuò)增,然后進(jìn)行電泳分析,分理出有差異的條帶,制成探針篩選cDNA文庫(kù)或基因組文庫(kù),找出差異表達(dá)的基因。(1)DDRT-PCR(mRNA差異顯示):(2)SSH(suppressionsubtractivehybridazation抑制性差減雜交)
7.3.5Homology-basedcloning
同源序列法Genessequencesarehomologybetweenplantsbelongtothesamespeciesorgenus.Soagenecanbeisolatedaccordingtothesequenceofisolatedgeneofanothercloserelativeplant.PCRmethod.從待分離植物的DNA中直接擴(kuò)增DNA片段,并與已知序列比較,確認(rèn);Hybridizationwithgenelibrary.以已知序列的基因作探針,從待分離材料的核DNA文庫(kù)或cDNA文庫(kù)中釣取同源性較高的克隆,測(cè)序并比較、確定。
7.3.6Genechip(基因芯片)Principle:Throughthecomparisonbetweendifferentspecies,orbetweendifferentindividualsofthesamespecies,orthesameindividualindifferentgrowthperiodorgeneexpressionbetweenthedifferentenvironmentalconditions。Method:采用原位合成或顯微打印手段,將數(shù)以萬(wàn)計(jì)的DNAprobe固化于支持物表面上,產(chǎn)生二維DNA探針陣列,然后與標(biāo)記的樣品進(jìn)行雜交,通過(guò)檢測(cè)雜交信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品快速、并行、高效地檢測(cè)。
1)DNAmicroarrayconstructionandprinting.在序列分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)基因序列中特異的片段設(shè)計(jì)出一系列10-50bp長(zhǎng)、代表該生物所有基因或欲分離目的基因信息的DNA片段,固定在芯片上。2)Preparationoftargetsample.不同發(fā)育時(shí)期或不同處理?xiàng)l件下植物體特定器官的mRNA用熒光標(biāo)記。3)Hybridizationanddetection.通過(guò)雜交位點(diǎn)及信號(hào)強(qiáng)弱,可以得知在不同條件下各基因是否表達(dá)及表達(dá)強(qiáng)弱,進(jìn)而找出與該生理功能相關(guān)的目的基因。4)Datacollectionandanalysis(基因芯片數(shù)據(jù)的收集和分析)Produreofgenechip7.4
Gene
transferinplant
基因的遺傳轉(zhuǎn)化Plantgenetictransformation:應(yīng)用分子重組技術(shù)、細(xì)胞組織培養(yǎng)技術(shù)或種質(zhì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化技術(shù),有目的地將外源基因或DNA片段插入到受體植物基因組中,并使其在后代植株中得以表達(dá)的過(guò)程。7.4.1、Receptorsystem(受體系統(tǒng))Concept:是指用于轉(zhuǎn)化的外植體通過(guò)組織培養(yǎng)途徑或其他非組織培養(yǎng)途徑,能高效、穩(wěn)定地再生無(wú)性系,并能接受外源DNA整合,對(duì)轉(zhuǎn)化選擇抗生素敏感的再生系統(tǒng)。Theestablishmentofreceptorsystemispremise.(1)RequirementsforreceptorsystemingenetictransformationHighlyefficientandstableregeneration(高效穩(wěn)定的再生能力)Geneticstability(較高遺傳穩(wěn)定性)Stablesourceofexplants(穩(wěn)定的外植體來(lái)源):無(wú)菌實(shí)生苗的子葉、胚軸、幼葉等Sensitivetoselectiveantibiotics(對(duì)選擇性抗生素敏感)EasyinfectedbyAgrobacterium(對(duì)農(nóng)桿菌侵染的敏感性)(2)Typesofreceptorsystem(1)Tissuereceptorsystem(組織受體系統(tǒng))愈傷組織再生系統(tǒng):轉(zhuǎn)化率高,來(lái)源容易、易擴(kuò)繁、適用廣,穩(wěn)定性差,嵌合體多;直接分化再生系統(tǒng):操作簡(jiǎn)單,無(wú)性系變異小,轉(zhuǎn)化率低,嵌合體多。(2)Protoplastreceptorsystem(原生質(zhì)體受體系統(tǒng))高效攝取外源基因、轉(zhuǎn)化準(zhǔn)確,無(wú)嵌合性,適用廣;培養(yǎng)周期長(zhǎng),難度大,再生頻率低。(3)Germcellreceptorsystem(生殖細(xì)胞受體系統(tǒng))接受外源DNA潛能強(qiáng),純合體便于選育,操作簡(jiǎn)便,但受季節(jié)限制。7.4.2Transformationmethod
轉(zhuǎn)化方法Directtransformethod(直接轉(zhuǎn)化法)Vectormediatedgenetransfor(載體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化)Germplasmsystemtransfor(種質(zhì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化)①Chemicalinduction(化學(xué)誘導(dǎo))Receptor:protoplast(原生質(zhì)體)Pricinple:PEG(聚乙二醇)可使DNA與細(xì)胞膜之間形成分子橋,促使相互間的接觸與粘連,改變細(xì)胞膜表面電荷,增加細(xì)胞膜通透性。在二價(jià)陽(yáng)離子共同作用下,使外源DNA沉積在細(xì)胞膜表面,促使細(xì)胞主動(dòng)吸收外源DNA,實(shí)現(xiàn)外源DNA導(dǎo)入受體細(xì)胞。(1)DirecttransformationofexogenousDNAprocedure:Advantage&disandvatage
Simpleoperation,lowcost,noneedexpensiveinstrument,awideplantrange,goodrepeatability,lowconversionrate:10-5~10-3外源目的基因的制備原生質(zhì)體制備目的基因與原生質(zhì)體的轉(zhuǎn)化培養(yǎng)轉(zhuǎn)化體的鑒定和再生植株的培養(yǎng)Principle:高壓電脈沖使植物細(xì)胞膜或原生質(zhì)體上造成非對(duì)稱穿孔,每個(gè)細(xì)胞膜上形成上百個(gè)瞬間通道,允許外源基因的進(jìn)入。procedure:制備含目的基因的質(zhì)粒DNA→制備植物原生質(zhì)體懸浮液或一定處理的植物組織→混合在200~600V/cm的電場(chǎng)處理若干秒→原生質(zhì)體培養(yǎng)和轉(zhuǎn)化子篩選→再生植株鑒定與培養(yǎng)。②Electroporation
電穿孔法Advantage&disandvatage:Easyoperation,highconversionrate,butneedtoprotoplastculture.③Genegun(基因槍)Principle:利用火藥爆炸、高壓氣體和高壓放電作為驅(qū)動(dòng)力,將包裹有生物活性DNA的金屬小顆粒加速,高速轟擊植物組織或細(xì)胞,使外源基因?qū)崿F(xiàn)穿壁并導(dǎo)入受體細(xì)胞中,然后通過(guò)細(xì)胞核組織培養(yǎng)技術(shù),再生出新的植株類型。gunpowderHighpressure
gasgenegunAdvantage&disandvatage:unlimitedofhost,controllable,widetargetreceptors,goodrepeatability.transformatiinrateisextremelylow,costishigh,thechimericratioislarge,geneticstabilityispoor.
④Microinjection(顯微注射法)Principle:直接將外源基因注入已固定的植物細(xì)胞或組織中,從而實(shí)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)移。注射部位包括子房、穗基、分蘗節(jié)等。Receptorcellsfixed:瓊脂糖包埋法,多聚L-亮氨酸粘連法,吸管支持法。Advantage&disandvatage:Controllable,hightansfornationrate,noharmtoreceptorcells,butcomplicated,time-consumingandlowworkingefficiency,morecopy,pronetomutation.(2)Vectormediatedgenetransfer
載體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化Agrobacteriumtumefaciensmediatedgenetransfer(根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化)Agrobactriumrhizogenes(發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化)Tumorinducingplasmid(Ti質(zhì)粒)isalargeplasmidwhichharboredinA.tumefaciensandcausecrowngallinplant.當(dāng)根癌農(nóng)桿菌感染植物時(shí),菌體不進(jìn)入植物細(xì)胞,而僅是Ti質(zhì)粒中稱之為“T-DNA”的DNA片斷進(jìn)入寄主細(xì)胞并插入基因組中,T-DNA中的基因利用植物的酶系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯。①Tiplasmid(根癌農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒)organizationofTiplasmid(180~240kb):T-DNAregion(與基因轉(zhuǎn)移相關(guān)),Virregion(激活T-DNA轉(zhuǎn)移),Conregion(調(diào)控Ti質(zhì)粒在農(nóng)桿菌間發(fā)生結(jié)合轉(zhuǎn)移)andOriregion(調(diào)控農(nóng)桿菌自我復(fù)制)。T-DNAregionLeftborderRightborderauxincyt冠癭堿合成酶基因oriConvirVirRemould
Tiplasmid(Ti質(zhì)粒改造)Disarm:刪除T-DNA左右邊界中的onc(激素合成)基因,構(gòu)建卸甲載體。Addselectivemarker:引入大腸桿菌質(zhì)粒的復(fù)制起點(diǎn)和選擇標(biāo)記。Addenzymesite:插入人工多克隆位點(diǎn)。IntroducePlantgenepromoterandpoly(A):引入植物基因的啟動(dòng)子和信號(hào)序列Deletenon-essentialsequences:除去其他非必需序列?Tivectors:pGV3850,pGV2250,pTiB6S3-SE載體。Function:中間載體與卸甲載體共同組成一個(gè)植物基因轉(zhuǎn)化載體系統(tǒng),完成基因的轉(zhuǎn)化。Organization:
“植物特異性啟動(dòng)子+目的基因+終止子”,“植物特異性啟動(dòng)子+選擇標(biāo)記基因+終止子”。
Expressionvector(Ti中間表達(dá)載體)Cointegratevectors
(Ti共整合轉(zhuǎn)化載體)ThedisarmedTivectoriscovalentlylinkedtodonorvectorwithgeneofinterest-T-DNAbordersequencespresentinaA.tumefaciensstraintoactasoneunit.E.coli中間載體+卸甲Ti質(zhì)粒以同源重組方式整合成共合體,分子量較大,共合體的形成頻率較低,需用Southern雜交或PCR進(jìn)行檢測(cè),構(gòu)建較困難。
CointegratedvectorbasedonPBR322homologousThevectorhaspBR322DNAintheT-DNAregion,whichprovidearegionofhomologywithmostothercloningvectors.RecombinatoninthetwoplasmidsDNAproducesthecointegrate.(在卸甲載體的T-DNA區(qū)引入PBR322,中間載體是PBR322質(zhì)?;蚱溲苌|(zhì)粒,兩者通過(guò)同源重組實(shí)現(xiàn)目的基因及選擇性標(biāo)記基因與卸甲Ti質(zhì)粒的整合,以順式方式將基因轉(zhuǎn)化到植物細(xì)胞中去。)基于左邊界內(nèi)部同源區(qū)(LIH)的轉(zhuǎn)化系統(tǒng),即SEV系統(tǒng)。受體Ti質(zhì)粒pTiB6BS3(TL),中間載體是pMON200(TR).含有抗性嵌合基因便于轉(zhuǎn)化植株的直接篩選。共整合載體co-integratedvectorBinaryvectors
Ti雙元轉(zhuǎn)化載體的構(gòu)建Concept:指由兩個(gè)分別含T-DNA和Vir區(qū)的相容性突變Ti質(zhì)粒構(gòu)成的雙質(zhì)粒系統(tǒng)。Principle:位于一個(gè)Ti質(zhì)粒上的Vir基因可以反式激活位于另一個(gè)Ti質(zhì)粒上的T-DNA轉(zhuǎn)移。使插入到T-DNA區(qū)的外源基因?qū)胫参锛?xì)胞中。含有廣泛寄主范圍的復(fù)制起點(diǎn),代替了重組同源區(qū)。Binaryvector(雙元載體系統(tǒng))Transfermechanism(轉(zhuǎn)化機(jī)制)
根癌農(nóng)桿菌在自然條件下感染大多數(shù)雙子葉植物的受傷部位,根癌農(nóng)桿菌細(xì)胞中的Ti質(zhì)粒上通過(guò)特異性識(shí)別信號(hào)分子誘導(dǎo)其Vir區(qū)基因的表達(dá),產(chǎn)生VirD1和VirD2蛋白,該2種蛋白可切割T-DNA的左右邊界,產(chǎn)生一條單鏈T-DNA分子,進(jìn)入植物細(xì)胞,并整合到植物基因組中。
Techniques:
Leaf-discmethod(葉盤法)co-culturewithprotoplast(原生質(zhì)體共培養(yǎng))plantinfection(整株感染)Procedure:
含重組Ti質(zhì)粒的工程菌培養(yǎng)及轉(zhuǎn)化;選擇合適的外植體;工程菌與外植體共培養(yǎng);外植體脫菌及篩選;轉(zhuǎn)化植株再生及鑒定。Interestedgenestransferinto(dicotyledonous)plant
cellsAgrobacterium
mediatedtransformationAdvantage:Naturalvectorsystemwithhightransferrate,exogenousgenestransferedareoftensinglecopy,rarelymethylationandgeneticallymodifiedsilence,excellentstabilityofgene,lowcost,simpleandeasytooperate.DisadvantageHostrangelimated(雙子葉植物和少數(shù)單子葉植物),Needantibioticforalongtime(因外植體再生階段脫菌比較困難)。②A.rhizogenesmediavectors
發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)的載體WhenAgrobacteriumrhizogenes(發(fā)根農(nóng)桿菌)infectplants,itcaninduceplanttoproducemanyadventitiousroots.Therootsgrowquicklyandconstantlybranchingintohairyroot,whichisinducedbyRiplasmidinfact。Noneedtodisarm.Asinglecellclonecanderivedfromhairyroot,andchimeras(嵌合體)isavoid.Ri質(zhì)??芍苯幼鳛橹虚g載體;可與Ti質(zhì)粒配合使用建立雙元載體系統(tǒng);Hairrootisappropriateforinvitrocultureandforproductionofsecondarymetabolites(次生代謝產(chǎn)物)。AdvartageofRiplasmidRicointegrationvectors(Ri共整合轉(zhuǎn)化載體的構(gòu)建)中間載體常用pBR322,pBI121等。把目的基因插入到T-DNA中,構(gòu)成中間表達(dá)載體。然后通過(guò)誘導(dǎo)菌株的協(xié)助質(zhì)粒和野生型的發(fā)根農(nóng)桿菌直接進(jìn)行三親雜交,通過(guò)同源重組把中間載體整合到Ri質(zhì)粒的T-DNA中。Ribinaryvectors(Ri雙元轉(zhuǎn)化載體的構(gòu)建)基本程序與Ti質(zhì)粒相同。A.rhizogenesmediatedtransformationTheprincipleandprocedureofitstransferassameasA.tumefaciensBinaryvectorsystem(3)Germplasmtransfersystem
(種質(zhì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化法)①Insituvacuuminfiltrationmethod(原位真空滲入法)Procedure:將適宜轉(zhuǎn)化的健壯植株倒置浸于裝有攜帶外源目的基因的農(nóng)桿菌滲入培養(yǎng)基的容器中,經(jīng)真空處理,造傷,使農(nóng)桿菌通過(guò)傷口感染植株,在農(nóng)桿菌介導(dǎo)下發(fā)生遺傳轉(zhuǎn)化。Advantagesanddisadvantages:Convenient,quick,reliable,lowcost,hightransferrate.Itsapplicationneedsdevelopment.②DNAtransferviapollen
(花粉管通道法)Principle:植物在雙受精完成以后,受精卵細(xì)胞的初次分裂需要充分的物質(zhì)和能量積累。該時(shí)期的細(xì)胞不具備完整的細(xì)胞壁和核膜系統(tǒng),細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)頻繁交流。通過(guò)花粉管通道滲透進(jìn)入胚囊的外源DNA片段有可能進(jìn)入受精卵細(xì)胞,并進(jìn)一步被整合進(jìn)受體植物基因組中。③Seedsoakingmethod
(種子浸泡法)Principle:Usingplantcellsmaterialtransportationsystem,exogenousDNAisdirectlytransforedintoreceptorcells.通過(guò)細(xì)胞間隙與胞間連絲組成的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)輸系統(tǒng)將外源DNA運(yùn)至每個(gè)細(xì)胞。通過(guò)內(nèi)吞作用將外源DNA攝入細(xì)胞。7.5IdentificationofgenetransformationplantReporterorselectablegenes(利用選擇標(biāo)記基因和報(bào)告基因)RecombinantDNA(利用重組DNA分子鑒定)Transcriptionorexpressionofexogenousgene(利用外源基因的轉(zhuǎn)錄或表達(dá)鑒定)7.5.1
Selectablegenes
選擇標(biāo)記基因Antibioticresistancemarker:nptⅡ(新霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶基因),hpt(潮霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶基因),Herbicideresistancemarker:Bargene(草丁膦乙酰轉(zhuǎn)移酶)Antimetabolitemarker(抗代謝物標(biāo)記基因):dhfr(二氫葉酸還原酶基因)7.5.2Reportergene
報(bào)告基因Opinesynthase(冠癭堿合成酶基因):檢測(cè)冠癭堿Chloramphenicolacetyltransferase(氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶基因,cat):放射性檢測(cè)β-galactosidase(半乳糖苷酶基因,GUS):藍(lán)色Greenfluorescentprotein(,綠色熒光蛋白,GFP):綠色熒光Anthocyanins(花青素合成相關(guān)基因)(C1,B/R):紅色斑點(diǎn)7.5.3
RecombinantDNAcharacteristic
利用重組DNA分子特征的鑒定Enzymedigestionprofile(DNA分子酶切圖譜鑒定)PCR鑒定Southern雜交7.5.4
Transcriptionorexpressionofexogenousgene
利用外源基因的轉(zhuǎn)錄或表達(dá)鑒定NorthernblottingWestern
blottingProteinimmunoassay(蛋白免疫測(cè)定)7.6Strategytoimprovetheexogenousgeneexpression提高外源基因的表達(dá)水平7.6.1Transgenesilencing
轉(zhuǎn)基因沉默現(xiàn)象Transgenesilencing(轉(zhuǎn)基因沉默):導(dǎo)入并整合進(jìn)受體基因組中的外源基因在轉(zhuǎn)化體的當(dāng)代或其后代出現(xiàn)表達(dá)收到抑制,甚至完全不表達(dá)的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)基因在受體植物中往往不能穩(wěn)定表達(dá),有時(shí)甚至完全不表達(dá)的現(xiàn)象。Types:Transcriptionalgenesilencing(轉(zhuǎn)錄水平的基因沉默)Post-transcriptionalgenesilencing(轉(zhuǎn)錄后水平的基因沉默)7.6.2Thecauseforgenesilencing
引發(fā)基因沉默的原因DNAmethylation(DNA甲基化)Repeatinduced(重復(fù)序列誘導(dǎo))Positioneffect(位置效應(yīng)):異染色質(zhì)區(qū)co-suppression(共抑制現(xiàn)象):RNAinterference(RNAi)Example:CHS(苯基苯乙烯酮合成酶)轉(zhuǎn)化矮牽牛AntisenseRNA(反義RNA)7.6.3Strategytoimprovetheexogenousgeneexpression
提高外源基因表達(dá)的策略采用合適的轉(zhuǎn)化方法:Agrobacteriummediatedtransfer使用信號(hào)肽使用強(qiáng)啟動(dòng)子、誘導(dǎo)型啟動(dòng)子和強(qiáng)終止子使用增強(qiáng)子使用植物偏愛(ài)密碼子防止甲基化改造外源基因使用基質(zhì)結(jié)合序列7.7Thetransgenicplantssafetymanagement
轉(zhuǎn)基因植物安全性管理7.7.1Transgenicplantfoodsafety
轉(zhuǎn)基因植物食品安全性(1)Transgenicfood:表達(dá)外源基因的轉(zhuǎn)基因生物體直接作為食品或以其為原料加工生產(chǎn)的食品就是轉(zhuǎn)基因食品。SubstantialEquivalence(實(shí)質(zhì)等同性原則):Theorganizationforeconomiccooperationanddevelopmentproposedin1993.Including:
1)Phenotypicequivalent(表型等同)
2)Compositionequivalent(成分等同)
如果轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)的產(chǎn)品與傳統(tǒng)產(chǎn)品具有實(shí)質(zhì)等同性,則可以認(rèn)為是安全的。(2)Evaluationprincipleforsafetyofgeneticallymodifiedfood
轉(zhuǎn)基因食品安全性評(píng)價(jià)原則Toxicsubstances:必須確保轉(zhuǎn)入外源基因或基因產(chǎn)物對(duì)人畜無(wú)毒。Anaphylaxis(過(guò)敏反應(yīng)):在自然條件下存在著許多過(guò)敏源。Nutrition(營(yíng)養(yǎng)問(wèn)題)Resistancetoantibiotics(對(duì)抗生素的抵抗作用)
(3)T
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