植物基因工程中的改进之载体 朱祺琪 社科1003 3100104077 【摘要】 植物基因工程经历了二十多年的发展历程，虽然取得了令世人
瞩目的成绩，但仍有许多问题一直困扰着这个领域的研究者。本文从各种文献中整理了国内外在构建植物表达载体方面的一些新进展，这些策略的最终目的都是为了更好地增强外源基因的表达水平，提高生物工程体的安全性。 【关键字】植物基因工程载体 启动子 内含子 定位信号 位置效应
【引言】 近几年来植物基因工程的研究进展十分迅速。在植物抗病、抗虫、
抗除草剂和改变植物的某些成份方面都已得到不少转基因植株,有的已经建成了品系;为提高作物的产量、抗逆能力、改进它们的品质,进行快速、优质、稳产的良种选育提供了一条全新的诱人的途径。
植物基因工程经历了二十多年的发展历程，虽然取得了令世人瞩目的成绩，但仍有许多问题一直困扰着这个领域的研究者。突出的问题表现在外源基因往往表达效率不高，难以得到理想的转基因植物（作物），转基因作物的安全性不好。这些问题不仅成为植物基因工程发展的限制因素，而且也是近几年在西欧等国家对转基因作物有较大争议甚至产生排斥反应的直接原因之一。如何提高载体的表达效率，最大程度上消除植物基因工程的非安全因素，已经成为当下一个值得深思的问题。
【正文】 一、 植物基因工程过程简介 基因工程简单地说就是采用目前知道的新技术，在大分子（DNA分子）水平上将个别基因的分子基础输入到另一种生物的细胞以定向改变其遗传特性。 一般来讲，基因工程的实现主要分为三个步骤：1)以人工方法在现有的生物中取得所需要的DNA片断，利用mRNA复制所需的DNA，即人工合成基因。2)将人工合成的基因输入到新细胞当中去，并使其与新细胞中原有的DNA相组合，即DNA的重组。3)筛选和培养有外源基因的细胞或组织，使其产生正常健康的转基因植物，通过有性繁殖将优良性状传递给下一代。实现以上三步需要进行以下工作：1) 寻找目标基因。2) 取得目标基因。3) 基因的载体问题。
二、 植物基因工程载体的种类 1、载体是指运载外源DNA 进入受体细胞内的运载工具。它同外源DNA 在体外重组成DNA 重组分子, 在进入受体后形成一个复制子, 即形成在细胞内能独自进行自我复制的遗传因子。因此, 作为载体应该具有以下几个要求: ①有某种限制酶的一个切点, 最好是有许多种限制酶的切点, 而且每种酶的切点只有一个; ②外源DNA 插入后不影响载体在受体细胞中进行自我复制, 载体应对受体细胞无害, 以及载体能接纳尽可能大的外源DNA 片段; ③有利于选择的标记基因, 可以很方便地知道外源DNA 已经插入, 以及把接受了载体的受体细胞选出; ④具有促进外源DNA 表达的调控区。
2、克隆载体及表达载体 载体又可分成克隆载体和表达载体两大类。克隆载体一般是原核细菌将需要克隆的基因与克隆载体的质粒相连接, 再导入原核细菌内, 质粒会在原核细菌内大量复制, 形成大量的基因克隆。被克隆的基因不一定会表达, 但一定被大量复制。而表达载体是一些用于工程生产的细菌, 他们被导入目标基因, 这些目标基因会在此类细菌中得到表达。生产出我们需要的产物, 导入的基因是有克隆载体产出的。最常用的载体是Ti质粒载体。
质粒是许多种细菌中发现的染色体外的遗传因子,它是闭合环状的双链DNA 分子, 大小从1kb 直到200kb 以上。质粒所带的基因通常有利于宿主细胞。受体细胞由于质粒的进入而产生了新的表型。质粒复制时利用宿主细胞复制自身染色体的同一组酶系。有些质粒处于“严紧控制”之下, 即它们的复制是同宿主细胞的复制偶联同步的。因此在每个细胞中的质粒只有一份拷贝, 或最多只有几份拷贝。这称为“严紧型”质粒。Ti质粒侵染植物的农杆菌带有Ti质粒，侵染植物后会产生冠瘿瘤。Ti质粒上有一段transferDNA,长为12-24kb，能转移并整合到植物基因组中。但是Ti质粒长约200-800kb，过于庞大，并且不能在大肠杆菌中复制。其中质粒载体主要有：pBR322质粒载体、pBR325质粒载体、pUC质粒载体以及穿梭质粒载体。 除此之外，常用的载体还有λ噬菌体、单链噬菌体载体、柯斯质粒、噬菌粒载体、酵母人工染色体载体（YAC）以及细菌人工染色体载体（BAC）。
另外，日本科学家还利用高等植物叶绿体和细菌之间的类似性(据信,高等植物的叶绿体在几个世纪以前还是无生命的细菌),发展了一种更理想的把外源 DNA 转移到植物里去的运载体。京都大学农学系 Oyama,K 把一种杂合的穿梭型运载体做了些改变。在基因转入到花椰菜花叶病毒和根瘤农杆菌(Agribact tumefaciens)Ti-质粒这样的侵染性因子上时,这些运载体就绕过所遇到的疾病因子。
三、 植物基因工程表达载体的改进和优化策略 将特定的外源基因构建在植物表达载体中并转入受体植物，并不是植物遗传转化的最终目的。理想的转基因植物往往需要外源基因在特定部位和特定时间内高水平表达，产生人们期望的表型性状。然而，近二十年的发展历史却表明，外源基因在受体植物内往往会出现表达效率低、表达产物不稳定甚至基因失活或沉默等不良现象，导致转基因植物无法投入实际应用。另外，转基因植物的安全性问题已在许多国家引起人们的关注，例如，转基因有可能随花粉扩散，抗生素筛选标记基因有可能使临床上的某些抗生素失去作用等等。以上问题的出现使得植物基因工程这一高新技术正处于一种前所未有的困扰时期。针对这些问题，近几年人们对植物转基因技术进行了多方面的探索和改进，植物表达载体的改进和优化就是其中最重要的一项内容。
1、启动子的选用和改造 外源基因表达量不足往往是得不到理想的转基因植物的重要原因。由于启动子在决定基因表达方面起关键作用，因此，选择合适的植物启动子和改进其活性是增强外源基因表达首先要考虑的问题。
目前在植物表达载体中广泛应用的启动子是组成型启动子，在这些组成型表达启动子的控制下，外源基因在转基因植物的所有部位和所有的发育阶段都会表达。然而，外源基因在受体植物内持续、高效的表达不但造成浪费，往往还会引起植物的形态发生改变，影响植物的生长发育。为了使外源基因在植物体内有效发挥作用，同时又可减少对植物的不利影响，目前人们对特异表达启动子的研究和应用越来越重视。已发现的特异性启动子主要包括器官特异性启动子和诱导特异性启动子。这些特异性启动子的克隆和应用为在植物中特异性地表达外源基因奠定了基础。
在植物转基因研究中，使用天然的启动子往往不能取得令人满意的结果，尤其是在进行特异表达和诱导表达时，表达水平大多不够理想。对现有启动子进行改造，构建复合式启动子将是十分重要的途径。
2、增强翻译效率 为了增强外源基因的翻译效率，构建载体时一般要对基因进行修饰，主要考虑三方面内容：添加5‵-3‵-非翻译序列，优化起始密码周边序列，对基因编码区加以改造
3、消除位置效应 当外源基因被移人受体植物中之后，它在不同的转基因植株中的表达水平往往有很大差异。这主要是由于外源基因在受体植物的基因组内插入位点不同造成的。这就是所谓的"位置效应"。为了消除位置效应，使外源基因都能够整合在植物基因组的转录活跃区，在目前的表达载体构建策略中通常会考虑到核基质结合区以及定点整合技术的应用。 一种可行的途径是采用定点整合技术，这一技术的主要原理是，当转化载体含有与寄主染色体同源的DNA片段时，外源基因可以通过同源重组定点整合于染色体的特定部位。实际操作时首先要分离染色体转录活性区域的DNA片段，然后构建植物表达载体。在微生物的遗传操作中，同源重组定点整合已成为一项常规技术，在动物中外源基因的定点整合已获得成功，而在植物中除了叶绿体表达载体可实现定点整合以外，细胞核转化中还很少有成功的报道。
4、构建叶绿体表达载体 为了克服细胞核转化中经常出现的外源基因表达效率低，位置效应及由于核基因随花粉扩散而带来的不安全性等问题，近几年出现的一种新兴的遗传转化技术--叶绿体转化，正以它的优越性和发展前景日益为人们所认识并受到重视。到目前为止，已在烟草、水稻、拟南芥、马铃薯和油菜（侯丙凯等，等发表）5种植物中相继实现了叶绿体转化，使得这一转化技术开始成为植物基因工程中新的生长点。
5、定位信号的应用 上述几种载体优化策略主要目的是提高外源基因的转录和翻译效率，然而，高水平表达的外源蛋白能否在植物细胞内稳定存在以及积累量的多少是植物遗传转化中需要考虑的另一重要问题。
近几年的研究发现，如果某些外源基因连接上适当的定位信号序列，使外源蛋白产生后定向运输到细胞内的特定部位，例如：叶绿体、内质网、液泡等，则可明显提高外源蛋白的稳定性和累积量。这是因为内质网等特定区域为某些外源蛋白提供了一个相对稳定的内环境，有效防止了外源蛋白的降解。
6、内含子在增强基因表达方面的应用 内含子增强基因表达的作用最初是由Callis等在转基因玉米中发现的，玉米乙醇脱氢酶基因（Adhl）的第一个内含子（intron 1）对外源基因表达有明显增强作用，该基因的其他内含子（例如intron8,intron9）也有一定的增强作用。后来，Vasil等也发现玉米的果糖合成酶基因的第一个内含子能使CAT表达水平提高10倍。水稻肌动蛋白基因的第三个内含子也能使报道基因的表达水平提高2～6倍。至今对内含子增强基因表达的机制不不清楚，但一般认为可能是内含子的存在增强了mRNA的加工效率和mRNA稳定性。Tanaka等人的多项研究表明，内含子对基因表达的增强作用主要发生在单子叶植物，在双子叶植物中不明显。
7、多基因策略 迄今为止，多数的遗传转化研究都是将单一的外源基因转入受体植物。但有时由于单基因表达强度不够或作用机制单一，尚不能获得理想的转基因植物。如果把两个或两个以上的能起协同作用的基因同时转入植物，将会获得比单基因转化更为理想的结果。这一策略在培育抗病、抗虫等抗逆性转基因植物方面已得到应用。
【参考文献】 《植物基因工程技术研究进展》（梁小友 米景九） 《植物基因工程的克隆载体》 （吴乃虎 黄美娟） 《植物基因工程表达载体的改进和优化策略》（中国价值网） 中国生物工程杂志第24 卷.