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林木遗传改良中的分子生物学研究进展 (1)
第 45 卷 第 1 期 200 9年 1 月林SCIENT IA业科SILVAE学SINICAEVol 45, No 1 Jan. , 2 0 0 9林木遗传改良中的分子生物学研究进展胥
猛1, 2*潘惠新1张博1王树东杭州 310012)2黄敏仁南京 210037;1( 1 南京林业大学林木遗传与基因工程国家林业局重点实验室 2 国家林业局竹子研究开发中心摘要:林木作为重要的可再生自然资源, 具有良好的经济效益、 生态效益和社会效 益。林木遗传 改良在森林 资源可 持续发展中起到关键作用, 现代分子生物学技 术的迅 速发展 为之带 来了新 的机遇和 挑战。近 年来, 林木生 物 技术 研究取得了重要突破, 显示出独特的优势和巨大的发 展潜力。转基因林木的遗传稳定 性在田间 试验中得到 验 证, 遗传基因组学和关联遗传学的发展也为进一步深入开 展林木遗传改良研究提供了 新思路。杨树 全基因组测 序 计划 的完成实现了多年生木本植物基因组的首次破译, 势 必开启林木分子育种的新时 代。综述当前 林木遗传改 良 中的 分子生物学研究进展, 遗传基因组学和关联遗传学策 略在林木育种 中的应用; 并就林 木分子生 物学研究中 亟 需解决的问题和应用前景进行讨论。 关键词: 林木遗传改良; 遗传基因组学; 关联遗传学 文献标识 码: A 文章编号: ( 36- 08 中图分类号: S718 46; Q943 2Molecular Biology Applied in the Improvement Process of Forest TreesXu Meng1, 2 Pan Huixin1 Zhang Bo1 Wang Shudong2 Huang Minren1Nanjing 210037; ( 1 Key Laboratory of Forest Genetics and Gene Engineering of State Forestry Administration 2 China National Bamboo Research Center Nanjing Forestry UniversityHangzhou 310012)Abstract:As important renewable natural resources, forest trees have a huge economic, ecological and social value. Geneticimprovement programs play a crucial role in the sustainable management of forest resources. The rapid development of modern molecular biotechnology brings us new opportunities and challenges in forest tree improvement. Forest biotechnology has already shown great application potential for forest tree improvement. Not only has the potent ial been demonstrated in producing transgenic trees with optimized yield and quality traits in field trials, but progress in genetical genomics and associat ion genetics provide new thoughts for tree improvement. The availability of Populus genome sequence will develop new domain in the tree molecular breeding. In this paper, we reviewed molecular biology applied in the improvement process of forest tree, together with two main avenues, genetical genomics and association genetics, to accelerate forest tree improvement. Moreover, the exist ing problems and the perspective of applications of molecular biotechnology to tree genetic improvement were also discussed. Key words: for association genetics在过去几十年间, 林木生物技术研究取得了重 要进展, 不仅有一批性状优良的转基因林木进入了 田间试验、 环境释放阶段, 而且在遗传基因组学和关 联遗传学方面的发展也有望对林木遗传改良带来新 的突破。在未来 10 年内, 世界木材需求量预计增长 2 20% , 而全球森林覆盖率以每年 940 万 hm 的速度 减少( Fenning et al . , 2002) 。伴随公众对天然林过度 开发和生物 多样性损失的 持续关注 ( Wimp et al . , 2004) , 各国政府和国际社会为推进森林资源可持续 发展做出了不懈努力, 但林木育种是一个缓慢的过收稿日期: 。 基金项目: 国家 十一五 科技支撑计划项目( 2006BAD01A15 3) 。 * 黄敏仁为通讯作者。程, 林木生长周期长, 许多重要经济性状仅在轮伐年 龄才能得以完全有效地评定。同时, 传统林木遗传 改良策略主要考虑遗传增益, 而杂交育种所获得的 遗传增益随着 育种世代的增加逐渐减 少( 卢孟柱, 2003) 。得益于对基因和功能关系的深入理解, 人们 可以通过 2 个主要的途径加速林木遗传改良: 一是运 用基因工程技术, 将新的基因转入已经驯化的优良个 体中达到种质创新的目的; 其次是在育种程序中充 分利用林木遗传基因组学和关联遗传学的研究成果, 有效开发林木种质资源的遗传多样性( Boerjan, 2005) 。第 1期胥猛等: 林木遗传改良中的分子生物学研究进展1371杨树全基因组测序计划发生 ( Tuskan et al . , 2006) 。通过 对杨树 基因 组内 8 000对旁系同源基因的分析, 推测杨树基因组在进 化过程中至少发生了 3 次基因组复 制事件( Tuskan et al . , 2006) 。第 1 次 复制事件发生于被子植物分 化时期, 而发生在 1 亿~ 1 2 亿年前的第 2 次基因组 加倍事件使杨树和拟南芥走上了不同的进化道路, 最近一次基因组复制发生在距今 6 000 万~ 6 500万 年之间, 直接导致杨柳科的分化。基因组的复制为 杨树提供了更多的基因拷贝, 从而有利于进化出更 多新的功能基因。 杨树全基因组序列信息也将为其他林木基因组 研究提供有价值的参考, 使依据林木功能基因进化 上的保守性及相似性发现并鉴定顺式调控元件成为 可能。全基因组序列间的比较与各种分子遗传学方 法相结合将有力地促进比较生物学的发展( Jansson et al . , 2007) 。林木基因组学研究的根本动力在于 认识林木的多样性和环境适应性, 探索森林生产力 的调控机制( Brunner et al . , 2004) 。目前, 植物生长 发育和抗逆等相关基因的基本生物学功能已经在拟 南芥、 水稻等 1 年生模式植物中进行了精确、 有效的 分析研究。因此, 对于林木分子生物学研究而言, 其 主要挑战是如 何针对多年生林木物种 独特的解剖 学、 生理学及遗传学属性设计科学可行的试验方案, 选择适宜的试验材料, 从而在分子水平上深入剖析 林木生长和发育规律。杨树全基因组测序的完成, 不仅是对多年生木本植物基因组的首次破译, 也是 林木分子 生物学 研究 的 一个 全新科 学时代 的开 端 。林木独特的生物学特性, 生长和休眠的季节性 循环、 幼年期与成熟期的发育变化、 木材形成, 以及 对极端环境条件的适应性等, 在 1 年生模式植物拟 南芥( Arabidopsis thaliana ) 和水稻( Oryza sativa ) 中是 难以进行深入研究的。杨树作为林木模式物种, 生 长迅速, 无性繁殖容易, 种间可杂交, 组织培养和遗 传转化 技术较 为成熟, 并 具有 适中的 基因 组大 小 ( Jansson et al . , 2007; Groover, 2005; Taylor, 2002) 。 美国能源部 基因组 联合 研究 所( DOE Joint Genome Institute, JGI ) 与 多 家 研 究 机 构 ( DOE Oak Ridge National L Ghent U B GenomeC Umea Plant Science Centre) 于 2002 年 启动了 杨树全 基因组 测序 计划, 该计 划以 毛果 杨 ( Populus trichocarpa) 雌株无性系 Nisqually 1 为材料, 采用 全 基 因 组 鸟 枪 法 ( a whole genome shotgun approach) 进行全基因组测序。迄今, 已进行了约为 基因组全长 8. 6 倍的基因组序列测定, 完成了约 480 Mbp 的测序任务, 基因组覆盖度达 98 6% , 预测到杨 树基因组有 4. 5 万多个可能的蛋白质编码基因( 表 1) ( Tuskan et al . , 2006) 。之前, 科学家已经 完成了 拟南芥和水稻的基因组测序, 杨树是第 3 个开展全 基因组测序的高等植物, 并且是第 1 个完成全基因 组测序的多年生木本植物。 在系统分类学中杨树属于 Rosids( 蔷薇) 分支中 的 Eurosid ! ( 真蔷薇 ! ) 单元, 拟南芥属于 Rosids 分 支中 Eurosid ?( 真蔷薇 ?) 单元, 在进化过程中 2 个 物种距离较近。系统分类学地位有利于两物种进行 比较生物学分析, 基于杨树与拟南芥全基因组水平 间的比较研究能揭示更多的物种进化与发育信息。 在杨树基因组的 4 5 万多个蛋白质编码基因中, 大 约 12% ( 5 248) 的基因在拟南芥基因组中没有检索 到相似性 ( E # e ? 10 ) , 而拟 南芥基 因组 中也 有- 32林木分子生物学资源在杨树全 基因 组测 序计 划进 行的 同 时, 林木EST 测序计划的开展也极大地促进了人们对林木基 因组信息的洞悉。由瑞典皇家科学院( Royal Institute of Technology, Sweden) 推动的杨树 EST 测序项目( The Swedish Populus Genome Project) 已经获得了一系列基 因突变的杨树无性系和杨树不同发育时期的 cDNA 微阵列, 从中得到超过 20 万条 EST 序列, 已经拼接 了约 2 5 万条单一基因( unigene) , 其中包含了 1 000 条全长 cDNA 序列( Brunner et al . , 2004; Bhalerao et al . , 2003a; Hertzberg et al . , 2001) 。加拿大哥伦比亚 杨树基因组项目( Genome British Columbia) 分别构建 了均一化的 cDNA 文库( normalized cDNA libraries) 和 富集 cDNA 文 库 ( enriched cDNA libraries) , 获得 了 10 万条 EST 序列和 5 000 条全长 cDNA 信息。此外, EST 测序 计划 也在 其他几 个树 种中 开展, 如 桦树9% ( 2 321) 的 基因在杨树基因组中没有相似序列。 通过 BLAST 双向比对发现, 杨树和拟南芥基因组中 有 13 019 对 直 系 同 源 基因, 平 均 相 互 覆 盖 度 达 93% , 其中 11 654 对基因的序列一致性超过 90% , 仅有 156 对基因覆盖度低于 50% 。杨树比拟南芥有 更多的蛋白质编码基因, 相对于拟南芥每个基因平 均有 1 4~ 1 6 个同源拷贝; 然而, 相关的蛋白质结 构域频率在 2 个基因组中是相似的。杨树基因组中 还存在丰富的诸如木纤维生物合成、 分生组织发育、 抗病以及代谢运输等相关基因。核酸替换、 串连基 因倍增和染色体重组在杨树基因组进化过程中持续138林业科学45 卷( Betula spp. ) 、 松树( Pinus ssp. ) ( Kirst et al . , 2003) 、 桉树 ( Eucalyptus ssp. ) ( Paux et al . , 2004 ) 、 杉 云 ( Picea spp. ) 、 树 ( Quercus spp. ) 和 刺槐 ( Robinia 栎 pseudoacacia) 。在林木 EST 测序和基因组测 序开展 的同时, 众多林木功能基因组学研究工具如 DNA 微 阵列已经发展起来。这些分子生物学资源包括, 瑞 典开发的含有 2 5 万个点的 cDNA 微阵列, 法国研Tab. 1基因预测模型 Gene predictor 预测基因总数 Total number of models 基因长度 Gene length bp 平均外显子数 Exons per gene 外显子长度 Exon length bp 内含子长度 Intron length bp 转录本长度 Transcript length bp CDS 长度 CDS lengt h bp UTR 长度 UTR length bp 蛋白质长度 Prot ein length ( AA) 预测基因 NR 库比对数 Models with NR hit s 预测基因 EST 验证数 Models with EST support制的 2. 7 万 个 点 的 商 业 化 PICME cDNA 微 阵 列 ( http: www. picme. at ) , 以及加 拿大开发 的 15 400 个点的 Treenomix cDNA 微阵列( Ralph et al . , 2006) 。 随着杨树基因组序列的公布, 杨树寡核苷酸全基因 组微 阵 列 已 经 或 正 在 被 Affymet ix、 NimbleGen 和 Operon 等公司商业化开发。表 1 不同模型预测出的杨树蛋白编码基因特征 Characteristics of gene models predicted using different algorithmsEuGene 50 211 2 149 4 0 279 351 1 106 969 137 323 433 114 ( 86% ) 13 926 ( 29% ) GrailEXP6 42 171 2 212 3 5 226 569 790 546 244 182 32 718 ( 78% ) 17 235 ( 41% ) Genewise 30 812 2 687 5 0 239 380 1 183 1 113 70 371 30 758 ( 100% ) 5 843 ( 19% ) FgenesH( + ) 44 946 2 613 4 8 257 363 1 232 1 131 71 387 39 002 ( 87% ) 10 646 ( 24% ) Ref erence set 45 555 2 300 4 3 254 379 1 079 987 92 329 40 448 ( 89% ) 10 092 ( 22% )基因组序列信息和基因表达谱芯片技术是深入 开展林木功能基因组研究不可或缺的资源, 然而对 林木表型性状和生物学过程的全面分析仍离不开代 谢组和蛋白组水平的研究。当前, 对林木代谢组学 还知 之 甚 少, 仅少 量 文 献 报 道 了 林 木 的 代 谢 谱 ( Jonsson et al . , 2004; Morreel et al . , 2004a; 2004b; Morris et al . , 2004) 。林木蛋白组学研究也刚刚起步 ( Plomion et al . , ) 。有 关海 岸 松 ( Pinus pinaster) 木 材 形 成 的 蛋 白 质 组 学 研 究 已 见 报 道 ( Plomion et al . , 2004) , 该研究揭示了 175 个已知功 能蛋白质的特性。林木蛋白质组学研究正处于其初 期, 但来源于杨树基因组序列的 45 555 个基因模型 的注释将有助于质谱数据的蛋白质预测。同时, 遗 传工程在林木遗传改良中已初见成效。杨树较小的 基因组及其较高的转化效率有利于构建基因陷阱、 增强子陷阱和激活标签文库( Groover et al . , 2004) , 这将 便 利 和 加 速 林 木 基 因 功 能 研 究。Busov 等 ( 2003) 通过在矮化激活的株系中过量表达赤酶素氧 化酶, 成功分离鉴定了首个林木发育调控相关基因 的激活标签。另外, 转座子标签也运用在林木基因 功能研究中( Fladung et al . , 2004) 。这些技术手段有 力地拓展了林木分子生物学研究的深度和广度。伴 随现代分子生物学的深入发展和林木基因组计划的 全面实施, 日益丰富的林木分子生物学资源将为林木独特生物学特性的分子基础研究提供技术条件。3林木典型生长发育现象的分子基础林木典型生长发育性状, 既是科学理论研究的热门话题, 又是再生资源 可持续开发利用 的焦点。 探索这些生物学性状的分子基础, 将加速其生产应 用。当前, 微阵列和反向遗传学技术在林木分子生 物学研究领域得到广泛运用, 林木独特生物性状的 分子基础研究取得一定的进展, 转基因林木的改良 机理也得到深入研究。从而加速了基因工程在林木 遗传改良中的应用, 搭建了林木分子育种发展平台。 林木基因工程 在可持续林业经济中彰 显出独特魅 力, 大大缩短林木育种周期, 强化林业经营的可预见 性, 创造出用常规遗传育种方法难以产生的新种质、 新材料, 为规模化种植和产业化开发创造了条件。 3 1 次生生长与应力材的形成 植物分子生物学的发展主要以草本模式植物为 研究对象, 在分子水平上研究植物的生长、 发育、 繁 殖、 抗逆等生命过程。但构成木材的次生维管组织 为木本植物所特有, 成为林木分子生物学的主要研 究内容之一。林木生物学家迫切需要基于草本模式 生物的研究基础, 以木本植物为研究对象, 探索林木 次生维管系统形成和发育的分子基础, 挖掘控制维 管形成层活动的关键基因, 以最终实现人为调控这第 1期胥猛等: 林木遗传改良中的分子生物学研究进展139些基因的表达, 改良树木材性。木材形成取决于维 管形成层活动, 受控于生长季节的长短。越来越多 的研究运用基因表达谱技术探索杨树维管束形成层 的活动, 聚焦木材形成的分子机理。传统的组织解 剖学与现代的 DNA 微阵列技术结合, 构建了研究木 材形成机理的良好平台, 揭示了形成层区 6 个解剖 学上相似的细胞层在转录水平上存在显著的基因表 达差异( Uggla et al . , 2002) 。同时相关研究也表明, 在木质部和韧皮部分化过程中存在各自的阶段性标 记基因, 形成层的活动受关键基因调控( Schrader et al . , 2004b) 。林木次生生长是一个复杂的生理发育 过程, 也涉及对环境信号的响应。应力材的形成也 同样 受 到 越 来 越 多 的 关 注 ( Pilate et al . , 2004; Plomion et al . , 2003) 。当树干倾斜, 木本被子植物在 倾斜树干上方形成应拉木, 反之木本裸子植物在其 下方形成应压木。这样的木材组织在解剖学和化学 组成上都存在差异, 给木材加工工艺带来麻烦。在 应压木形成过程中, 一类上调表达基因编码阿拉伯 半乳聚糖蛋白, 这些基因可能在应拉木典型次生细 胞壁凝胶层( G 层) 的形成中起到特殊作用( D jardin et al . , 2004; Lafarguette et al . , 2004) 。在杨树、 松树 和桉树的相关研究中, 转录和蛋白质谱也鉴定出许 多与次生生长和环境胁迫相关的基因, 这些基因在 早晚材 形成 ( Le Provost et al . , 2003; Egertsdotter et al . , 2004) 、 幼龄材与成熟材发育( Le Provost et al . , 2003) 、 秋叶衰老( Bhalerao et al . , 2003b; Andersson et al . , 2004) 、 木质部分化( Lorenz et al . , 2002) 、 不定根 发生( Kohler et al . , 2003) 、 创伤和病害感染( Smith et al . , 2004) 、 水分胁迫( Dubos et al . , 2003) 、 低温胁迫 ( Renaut et al . , 2004) , 以及外生菌根共生( Martin et al . , 2004) 等过程中有显著的表达 变化。这些 研究 均集中于 野生型 林木的生长发育性状, 可以预见 遗传修饰过的转基因树木也是研究相关性状的常规 材料。进行转基因植株的转录谱分析, 也是鉴定相 关改良特性基因调控的有效方式( Israelsson et al . , 2003) 。此外, 一年生模式植物拟南芥, 在短日照条 件下也能从维管束形成层产生一定的次生木质部, 也是研究木材形成分子机理的较好系统( Chaffey et al . , 2002; Ko et al . , 2004) 。 3 2 林木开花调控机制与季节性休眠 林木在进入生殖生长( 第一次开花) 之前的幼年 期的生长发育可持续若干年甚至几十年, 控制多年 延迟开花的分子机 制有待进一步 深入研究。杨树 FT 基因( PtFT1 ) 的表达机制可能是杨树开花调控的 重要决定因素( Bohlenius et al . , 2006) , 雄株杂种山杨 ( Populus tremula ? Populus tremuloides ) 转 化 株 35S : : PtFT1 经过 4 周的生长发育就能直接形成类 似花的结构, 而正常植株开花要 8~ 20 年。研究表 明, 杨树 PtFT1 基 因同时 涉及 调控林 木的开 花延 迟、 秋季的驻芽形成和生长抑制。在进入生殖生长 的成年树木中, PtFT1 的表达受光周期控制继而调 控树木生长发育, 即春季和早夏长日照诱导开花, 秋 季短 日 照 促 进 驻 芽 形 成 ( bud set ) 和 抑 制 生 长 ( Bohlenius et al . , 2006) 。林木 CO FT 基因 通过响 应光周期的变化而调控林木生长发育的现象, 揭示 了林木在生态和进化上的 权衡 机制, 即多数林木 是如何在生存和生长之间做出权衡调控的( Weiser, 1970; Horvath et al . , 2003; Howe et al . , 2003) , 这也 是多年生林木物种适应新的地理环境和当前气候变 化的关键。关于这一机制的了解将对今后的林木育 种计划起着重要的作用, 诱导早期开花的技术也使 得加速林木育种进程成为可能。生长和休眠的季节 性循环是林木生物学的又一个重要方面, 林木生物 学家们正致力于揭示其分子机制。在林木中发现的 CO FT 调控机制, 揭示了植物 休眠 的本质, 以便 重新认识这种季节性和周期性的生理活动。开花时 间和分生组织发育方向是区别 1 年生、 年生和多 2 年生生命形式的重要标志。多年生林木物种, 与其 他植物的关键区别在于它们具有响应环境信号而中 止或恢复生长发育的能力, 并且这种能力是季节性 和条件性的。植物的生长发育在很大程度上决定于 分生组织的活动。分生组织分化活动影响着植物营 养生长和开花特性, 而这些都是植物界多样性生活 策略的组成部分。多年 生植物首先至 少具备一个 不确定 的分生组织, 以便在后续的生长季中恢复 生长。而这种多年生植物的 不确定 分生组织已经 被广泛认知( Battey, 2000; Thomas, 2000) , 该分生组 织具备在非最适季节生存的能力。在生存的不同层 面, 休眠是多年生植物生 长发育的关键策 略之一。 在生长季节末, 受光周期变化, 休眠施加于所有的分 生组织。通过对形成层 分生组织的基 因表达谱分 析, 发现在休眠过程中形成层的转录组发生了广泛 的表达变化, 同时鉴定出了部分影响相关活动的调 控基因( Schrader et al . , 2004a) 。顶端分生组织的休 眠感应是通过芽的形成诱 导的。 PtABI3 是在芽发 育中的一个转录因子( Rohde et al . , 2002) , 在临界日 照条件展叶过程中临时表达。反向遗传学实验也表 明这个转录因子在芽形成的相关发育阶段扮演重要 角色。受益于多年生林木开花调控模式 CO FT 的 发现, 休眠机制研究有了突破性的进展。研究证实,140林业科学45 卷杨树中 CO FT 模式在短日照条件下调控树木休眠。 当毛果杨的 FT1 和 CO 基因在转基因的杂种山杨中 过量表达时, 植株在短日照条件下并不会停止生长 ( Bohlenius et al . , 2006) 。通过 RNAi 技术抑制 PtFT1 基因的表达后导致生长停止和驻芽形成, 此时已经 不再依赖于日照长度。很明显 FT 是一种多重调节 因子, 响应环境信号调控分生组织的转换, 如控制分 生组织在花器官与驻芽间的定向分化( Rohde et al . , 2007) 。 3 3 转基因林木改良特性 林木遗传工程仍是加速林木改良的一个重要途由于 1 年生模式植物存在转基因沉默的现象, 越来 越多的学者开始关注多年生转基因树木改良性状的 稳定性, 来源于大田试验的结果表明目的基因在转 基因林木 连续生长发育年份是稳定 表达的( Meilan et al . , 2002; Hawkins et al . , 2003) 。因此, 改良性状 的稳定性对于转基因林木商业应用而言应当不是首 要考虑的。在全世界范围内, 有超过 210 个田间试 验种植转基因林木, 绝大多数为杨树、 松树、 枫香树 ( Liquidambar ) 和 桉 树, 仅 中 国 就 种 植 有 300 ~ 500 hm 约 140 万株抗 虫的 转基 因杨 树 ( Halpin et al . , 2003; FAO, 2004) 。2径。其中一个主要的优势在于通过遗传工程手段定 向改造后的优良性状能被稳定保持。当前, 在遗传 工程中大量的工作致力于改良树木中木质素的含量 和组分以强 化纸浆工 艺过程中 木质素的分 离 ( Baucher et al . , 2003) 。这些转 基因树木能提 高纸 浆的生产量, 从而减少生产成本, 更重要的是减少纸 浆工艺对环境的生态冲击。F 5H 在杨树中 的过量 表达降低木质素含量, 改善了木质素分离和漂白工 艺, 而纤维质 量仍保持不变或 更好。相似 地, CAD 在木质素单体生物合成中有重要功能, 抑制 CAD 的 表达能显著改善木材的质量。从来源于转基因树木 的纸浆中除去木质素只需要极少的化学品, 且得到 了较高的纸 浆产量 ( Pilate et al . , 2002) 。通过用 2 个载体共转化, 一个旨在增加 F5H 的表达, 另一个 用于减少 4 coumarate CoA ligase 的表达 % % % 得到预 期的结合效应: 木质素量减少, 纤维素增加。这项研 究表明, 通过堆 垛转基因( stacking transgenes) 策略, 针对一个基因型同时进行多个性状的定向改良是可 行的( Halpin et al . , 2003) 。除质量性 状之外, 产量 性状也是基因工程改造的潜在对象, 杨树中几个与 产量性状相关的基因 已经显示出其应用前景。GS 是一个涉及氮同化的关键性酶, 通过对 3 年生转基 因杨树的测定, GS 过量表达植株高增加 41% , 树干 增粗 36% ( Jing et al . , 2004) 。拟南芥内源葡聚糖酶 CEL1 基因在杨树中的过量表达也能显著增加树高、 叶面积、 树干直径和纤维素 半纤维素含量( Shani et al . , 2004; Park et al . , 2004) 。相似地, 山葵过 氧化 物酶( horseradish peroxidase) 在杨树中的过量表达也 明显增强氧化抵抗力, 提高树木生长量, 而这一结果 可能是由于改变了转基因植株的抗坏血酸盐 脱水 抗坏血酸盐的水平导致的, 该物质被认为在细胞分 裂和伸 长中扮演 重要角 色( Kawaoka et al . , 2003) 。 此外, 林木基因工程也关注林木在病虫害防御、 生物 补救、 环境胁迫响应等过程中相关性状的定向改造。4林木遗传基因组学和关联遗传学通过对转录本和蛋白质表达谱分析能洞悉林木 复杂的发育程序和鉴定感兴趣的基因, 进一步结合 反向遗传学手段可揭示相 关基因的生物 功能。当 前, 林木分子生物学研究面临的巨大挑战是如何从 这些复杂的数 据里提取那些能改良特 定性状的基 因。遗传基因组学( Kirst et al . , 2004) 和关联遗传学 ( Neale et al . , 2004) 能 揭示天然群体中表型变化的 分子基础, 是有效的林木分子育种策略。所谓遗传 基因组学, 就是在构建分子标记连锁图谱的基础上, 结合分离群体内表型变异性状, 采用 DNA 微阵列技 术分析该群体内每个个体的全基因组表达谱, 将每 个基因的表达水平作为数量性状, 分析定位该基因 的表达 QTL( eQTL) 。它为研究复杂性状的分子机理 和调控网络提供全新的手段。关联遗传学是以现有 群体或种质资源为材料, 通过检测群体内连锁位点 间等位基因的非随机关联来解析复杂性状, 阐明与 个体表型变异有关的候选基因及其等位基因。 在过去数年间, 许多研究者借助于与 QTL 连锁 的 DNA 分子标记分析追踪特定性状, 构建了大量的 高密度遗传图谱, 一系列农业重要性状的 QTL 被定 位。但是, 在林木育种中分子标记辅助选择( MAS) 的潜力是有限的, 除非这个标记就是基因本身, 遗传 重组导致每代的性状与标记连锁逐渐减少, 对于具 备较长世代和较大基因组的远缘繁殖物种 % % % 林木 进行图位克隆也是难以实现的。目前几个策略用于 鉴定潜在于 QTLs 中的基因。一个是关联遗传学策 略, 进行特定性状相关基因的遗传图谱定位与 QTLs 关联分析。例如, 18 个与木质素合成和细胞壁结构 相关 的 候 选 基因 已 经 图 谱 定 位 在 火 炬松 ( Pinus taeda) 上, 其 中一些 基因与 木材 性状 QTLs 共 定位 ( Brown et al . , 2003) 。然而, 关联遗传分析中可能存 在大量连锁产生于虚假的杂交, 以致候选基因在决第 1期胥猛等: 林木遗传改良中的分子生物学研究进展141定性状中的作用没有任何肯定的结论。另一个策略 就是遗传基因组学, 在一个作图谱系中结合表型的 QTL 分析与基因表达水平的 QTL ( eQTL ) 分析, 筛选 鉴定相关 基因在 决定 性状 中的 作用 ( Kirst et al . , 2004) 。这个策略首次应用于一个桉树回交群体, 直 径生长相 关 QTLs 与木质 素相关基因的 eQTL 共定 位, 暗示生长和木质素特性受同一位点控制。一个 SAMS 基因被定位于直径生长相关 QTL 上。在玉米 中 SAMS 的下调导致木质素含量减少, 因此在桉树 中推测 SAMS 是木质素形成和树木生长发育的调控 基因。同时, 一个鉴定产量候选基因的类似策略用 于海岸松( Pinus pinaster ) 的蛋白质组水平, 生物生产 量 QTL 被发现与 GS 基因共定位, 蛋白质数量 QTL ( PQTL) 控制 GS 基因的丰度( Plomion et al . , 2004) 。 尽管如此, 这些候选基因与性状存在的关联性有可 能仅因为在作图谱系上是连锁的。图谱定位候选基 因和 eQTL 等位基 因缺乏说服力的 问题, 可以 用自 然群体通过关联遗传学得以解决。在自然群体中较 长的进化历史打破了标记和基因之间的连锁( Neale et al . , 2004) , 在群体中存在大量等位基因的变异。 在桉树、 松树和杨树中一系列候选基因的测序, 证实 存在这 样的等 位基因 变异, 包 括单核 苷酸 多态 性 ( single nucleot ide polymorphisms, SNPs) 和 插 入 缺 失 ( insertion deletion polymorphisms, Indels) 多 态 也很 容 易被发现( Poke et al . , 2003; Gill et al . , 2003; Brown et al . , 2004; Ingvarsson, 2005) 。在火炬松种质中, 连 锁不平衡( LD) 按基因物理长度的次序衰减; 在欧洲 山杨( Populus tremula) 中, LD 仅延伸几百个碱基对, 这些表明了关联遗传学在鉴定重要性状相关基因上 的潜力( Brown et al . , 2004; Ingvarsson, 2005) 。楚。就林木分子生物学研究而言, 选择适宜的试验 材料和技术手 段对于解决相关问题将 起到重要作 用。近来杨树基因组测序计划的完成及其全基因组 芯片的开发将为林木分子生物学研究提供新思路, 势必加速多年生林木的遗传改良进程, 优化林木遗 传育种程序。 参报, 5( 2) : 14- 17. 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Trends Biotechnology,传改良进程, 而常规的林木遗传改良手段多集中于 种质资源收集、 引种驯化以及杂交育种等研究。现 代分子生物学技术的迅速发展给林木遗传改良研究 带来了新的机遇和挑战。林木分子生物学是一门有 着广泛应用前景的学科, 那些在草本模式植物中不 易开展的分子生物学领域已经或正在林木中深入和 拓展。转基因林木稳定的改良特性揭示了生物技术 在林木遗传改良研究中具有巨大潜力。加强林木分 子育种研究, 不仅有理 论意义, 而且有潜在应 用价 值。当前林木分子生物学研究刚刚起步, 林木遗传 改良的分子基础研究仍然较为薄弱, 对于多年生林 木的诸多生物学性状的基因表 达调控机制尚 不清14220: 291- 296.林业科学2003.45 卷The poplar rootKohler A , Delaruelle C, M artin D , et al .Fladung M , Deut sch F, H nicka H, et al . 2004. T DNA and transposon tagging in aspen. Plant Biol, 6: 5- 11. Food and Agricultural Organizat ion ( FAO ) . 2004. Preliminary review of biotechnology in forestry, including genet ic modif ication. Forest G enet ic Resources Working Paper FGR 59E. Rome: Forest Resources Development Service, Forest Resources Division. Gill G P, Brown G R , Neale D B. 2003. A sequence mutat ion in the cinnamyl alcohol dehydrogenase gene associated with alt ered lignif ication in loblolly pine. Plant Biot echnol J, 1: 253- 258. Groover A T. 2005. 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1/7 世界林业发展概论论文 林木分子育种发展现状与美国林业发展现状简析 摘要:森林...本文将对当前林木 遗传改良中的分子生物学研究进展,遗传基因组学和关联遗传学...发育的生物遗传学 研究方向主要是利用分子生物学方法, 研究林木性状遗传变异特点...为林木在抗性、材性等多性状改良上 提供理论和方法同时, 在分子水平上探讨树木...关键词:林业发展;生态环境; 林木遗传改良;林木常规...生物学、遗传学、生物化学、细胞生物学和分子生物学...(四)正确处理常规育种与生物技术两者的关系 (1)、...[1] 组研究中取得重大进展, 已经发表了水稻基因组...其他前沿领域:在诸如生物化学和分子生物学、神经生物...“荧光93”是我国利用生物技术对细菌进行遗传改良的...研究进展 一 植物花粉培养 1 植物花粉培养的研究目的和意义 在植物组织培养中,...近年来随着分子遗传学和细胞生物学的发展, 解析离区发育和器官脱落的分子机制...综述分子生物学研究进展_农学_高等教育_教育专区。...实践以及植物遗传工程,都有重要意 义【1】.花粉...纯合二倍体与染色 体变异体对树种改良均具有重要...分子生物学技术中的分子标记技术、 基因丁程技术更...基因工程是生物技术的核心,为林木遗传改良开辟了一条...[5] [4] [3] 1.林木育种现状 1.1.国外林木...进行遗传改良 3 4 5 数量遗传 植物进化遗传 遗传...初步具有独立从事科学研究工作的能力,在有关领域中...细胞生物学 前沿讲座 分子进化 计算机应用基础 1 1...分子生物学之植物中的应用及其进展 1、前言: 在植物系统与进化研究中, 单纯的...进一步挖掘一串红品种间遗传基础的多态性信息, 为一串红遗传改良和资源创新提供理论...结构分析和遗传物质的研究在分子生物学的发展中作出...1.揭示 RNA 解旋酶 Dbp2 功能有助开发出抗癌药物...基因工程用于农作物及家 畜品种改良, 用定向引入有...
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