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佰特基因科普长廊:模式生物知多少! 2020-09-01
早在20世纪最初的20年中,甚至更早到19世纪,人们就发现,如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的现象难题可以得到部分解答。例如:孟德尔在揭示生物界遗传规律时选用豌豆作为实验材料,而摩尔根选用果蝇作为实验材料,在他们的研究中,豌豆和果蝇这些生物的细胞数量更少,分布相对单一,变化也较好观察。

由于进化的原因,细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性,许多生命活动的基本方式在地球上的各种生物物种中是保守的。所以,利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育共通规律是可能的。尤其是当在有不同发育特点的生物中发现共同形态形成和变化特征时,发育的普遍原理也就得以建立。对这些生物进行研究,可以帮助我们揭示某种具有普遍规律的生命现象、理解生命世界一般规律的意义。所以,这种被选定的生物就被称为“模式生物”。选择什么样的生物作为模式生物首先依赖于研究者要解决什么科学问题,然后寻找能最有利于解决这个问题的物种。

20世纪初Morgan选择黑腹果蝇作为研究对象,建立了遗传的染色体理论,奠定了经典遗传学的基础并开创利用果蝇作为模式生物的先河。科学家不仅用果蝇证实了孟德尔定律,而且发现了果蝇白眼突变的性连锁遗传,提出了基因在染色体上直线排列以及连锁交换定律。Morgan 1933年因此被授予诺贝尔奖。果蝇的基因组测序于2000年完成,是研究遗传和发育的重要模式动物。

自1965年起,科学家 Sydney Brenner 将线虫引入分子生物学和发育生物学研究领域。1983 年完成线虫从受精卵到成体的细胞谱系,是发育生物学史上具有里程碑性的工作,随后线虫在胚胎发育、性别决定、细胞凋亡、行为与神经生物学等方面研究中得到广泛应用,也是是衰老和寿命研究中最重要的模式生物。

鱼纲的斑马鱼。具有繁殖能力强、体外受精和发育、胚胎透明、性成熟周期短、个体小易养殖等诸多特点,是进行胚胎发育机理研究、基因功能研究、疾病发病机制研究的理想选择。非洲爪蟾的卵母细胞体积大、数量多, 易于显微操作, 还可制成具有生物活性的无细胞体系, 易于生化分析, 在发育生物学研究中具有不可替代的作用。

压轴登场的模式动物自然是小鼠啦!由于个体小、温顺、容易饲养,具有和人类相似的发育过程和组织解剖结构等特点,最早从17世纪小鼠就开始被用于解剖学和动物实验。经长期人工饲养选择培育,现已育成千余个独立的远交群和近交系,小鼠已成为解析人类基因功能、研究人类疾病最重要的模式生物,是当今世界上研究最详尽的哺乳类实验动物。此外,小鼠基因与人类基因高度同源,99%的人类基因在小鼠基因组中能找到相应的基因。小鼠是生物医学研究中广泛使用的模式生物,是当今世界上研究最详尽的哺乳类验动物。

上面介绍了动物中的模式生物,我们一般称之为模式动物。那是否也有模式植物呢?答案是肯定的,目前在植物学研究中比较常用拟南芥、烟草、番茄,水稻等作为模式植物,其用途也各不相同哦。

模式植物首先登场的就是拟南芥了,属被子植物门、双子叶植物纲,是一种十字花科植物,其本身没有明显的经济价值。其植株小、结实多、生命周期短;形态特征分明,突变表型易于观察,是自花受粉植物。其基因组在高等植物中算是很小的(大约为 12500 万碱基对和 5 对染色体),基因高度纯合,用理化因素处理突变率很高,容易获得各种代谢功能的缺陷型,是研究有花植物的遗传、细胞发育、分子生物学的最佳模式生物,被科学家誉为“植物中的果蝇”。

历史上对拟南芥的研究可以追溯到16世纪,在1943年Laibacha详细阐述了拟南芥作为模式生物的优势,并促成了1965年在德国召开的一届国际拟南芥会议。但真正作为模式生物进行研究还是近20年的事。1986年Meyerowitz实验室首次报道了对拟南芥一个基因的克隆,1988年发表了拟南芥基因组的首个RFLP图谱,在此之后的几年中,相继报道了T-DNA插入突变基因的克隆、基于基因图谱的基因克隆等。并在2000年完成了基因组全序列的测序工作,成为第一个被完整测序的植物。

番茄,即西红柿,是管状花目、茄科、番茄属的一种一年生或多年生草本植物,体高0.6-2米,全体生粘质腺毛,有强烈气味,茎易倒伏,叶羽状复叶或羽状深裂,花序总梗长2-5厘米,常3-7朵花,花萼辐状,花冠辐状,浆果扁球状或近球状,肉质而多汁液,种子黄色,花果期夏秋季。由于番茄基因组较小、生长周期短,自花授粉,且具有成熟的遗传转化系统,遗传背景清晰,与其他模式植物,如拟南芥、水稻等具有较远的亲缘关系,因而成为研究果实发育与成熟过程的经典模式植物。

水稻作为世界上最重要的粮食作物之一,由于其基因组较小、已知的基因组序列以及成熟的农杆菌介导的遗传转化体系,且与其它谷类作物有重要的同线性关系,作为禾谷类植物研究的模式植物发挥了越来越重要的作用。烟草不仅是重要的经济作物,同时也是最有价值的科研生物材料之一,许多开拓性研究都用烟草作材料,许多植物学知识诸如光周期、植物营养、光合作用、光呼吸、有机代谢以及有关病毒和转基因的研究等,都源于烟草。从来没有一种植物像烟草一样在科学上被深入研究过,烟草是分子生物学和基因工程研究的模式植物,是当之无愧的“植物王国的小白鼠”。

除了以上模式动物、模式植物,模式生物家族当然不能缺少微生物成员。大肠杆菌和酵母菌就是研究微生物遗传的重要材料,是微生物研究常用的模式生物。未来,随着生命科学研究的发展,还会有越来越多新的物种被人们用来作为模式生物,模式生物家族成员肯定会原来越多,让我们拭目以待吧。

我们佰特基因的植物遗传转化技术平台目前专门针对拟南芥、烟草、番茄三大模式植物提供专业的遗传转化服务。我们拥有国内专业从事植物遗传转化多年的研究团队,对拟南芥遗传转化采用独特的花序浸染法,对烟草、番茄遗传转化采用优化的根癌农杆菌介导法,拥有成熟稳定的转化体系与专业技术人员,可以满足目前国内客户对拟南芥遗传转化、烟草遗传转化及番茄遗传转化的多样需求。我们的服务按照特定的技术路线进行,包括从基因克隆到最终的种苗寄送,保证了服务的优质和高效。

佰特基因奉行“专业、诚信”的经营理念,依托“科学家服务科学家”的运营模式,富有责任感与使命感。目前除了拟南芥遗传转化、烟草遗传转化和番茄遗传转等植物遗传转化技术服务之外,还能为国内科研工作者提供成熟稳定的细胞基因修饰、基因编辑等细胞转基因技术服务,以及放射性同位素检测分析等专业技术服务等项目。 未来,我们将逐步开发更多模式生物转基因相关的技术服务。