es. Nucleotide sequencing of the Arabidopsis genome was completed
in 2000, and the entire sequencing data were released on the
Internet. The use of this wealth of sequence information has
accelerated progress toward a comprehensive understanding of the
genetic mechanisms, by which plants develop and response to the
environment. The goal of the Arabidopsis 2010 project proposed by
plant scientists is to establish the function of as many
Arabidopsis genes as possible by year 2010. The information from
the Arabidopsis researches will be certainly useful in elucidating
the complex life activities of different plant species.
Key words: Arabidopsis thaliana; model plant
拟南芥(Arabidopsis
thaliana)属十字花科，与白菜、油菜、甘蓝等经济作物同属一科。拟南芥本身并无明显的经济价值，可以说只是路边的“野草”，但在过去二十年中，它
越来越多地被作为一种模式生物加以研究。拟南芥的全基因组测序工作于2000
年完成[1]，成为植物界第一个被完整测序的物种。与其他一些高等植物相比，拟南芥的基因组很小，5 条染色体总共含约1.15
亿个碱基对，这与水稻4.3 亿、玉米24 亿、小麦160 亿个碱基对相比，形成巨大的反差。尽管
基因组小，拟南芥的2.5万多基因在功能类别上却和其他开花植物大致相似，因而，拟南芥作为实验材料有利于其基因的
克隆和饱和突变体库的建立。此外，拟南芥生命周期很短，从播种到种子收获仅需要6~8
周；拟南芥个体较小，适合于实验室内种植。所有这些都使得拟南芥成为一种特别理想的遗传学和分子生物学研究材料，广泛用于植物生命奥秘的研究探索。
1 研究历史
在自然界中，拟南芥主要分布于温带，集中在欧洲地区；在东非、亚洲大陆、日本也都有分布，
一般生长在野外干燥的土壤中。欧洲文明的扩张把拟南芥带到了北美和澳洲大陆。历史上对拟南芥科学研究的记载最早可追溯至16
世纪，由德国学者Thal在德国北部的哈茨山区中首次发现并记录了这个物种。19 世纪分类学家Heynhold 将其命名为
Arabidopsis thaliana。现在人们在世界各地共收集到750
多个拟南芥生态型，这些生态型在形态发育、生理反应方面存在很大差异。在拟南芥的众多生态型中最常用的三种是Landsberg
erecta(Ler)、 Columbia(Col)、Wassilewskija(Ws)，其中Col
生态型用于拟南芥的全
基因组测序。
在1873 年，Braun
报道了他在柏林郊外发现的一种拟南芥突变体，这可能是拟南芥研究历史中所发表的最早一项在分类学之外的研究工作。他当时所发现的这个突变体极有可能就是植
物科学研究领域中为人们所熟知的AGAMOUS(AG)基因的突变体，这个基因是花发育ABC 模型中的C 类基因。 Meyerowitz
实验室于1990 年报道了对AG 基因的
克隆[2]。
之后，另一个值得注意的工作是Laibach 在 1907年首次报道的对拟南芥染色体的研究并最终确定了拟南芥具有5
条染色体。Laibach 于1943
年详细阐述了拟南芥作为模式生物的优点，并在他之后的工作中大力推动了对拟南芥的研究。在Laibach和其他一些科学家的共同努力下，促成了1965年
在德国哥廷根召开的第一届国际拟南芥会议。现在，这个会议已发展成国际拟南芥研究的一项科学盛事[3]，每年举办一次，2007
年将首次在我国首都北京召开。
20 世纪80
年代，分子生物学技术的迅猛发展，给植物科学研究带来了巨大的机遇。1986 年，Meyerowitz
实验室首次报道了对拟南芥中一个基因的克隆[4]。同年，Horsch 实验室报道了根癌农杆菌介导的 T-DNA
对拟南芥进行的遗传转化。1988 年，Meyerowitz 实验室发表了拟南芥基因组的首个RFLP
图谱[5]。在之后的几年中，相继报道了T-DNA 插入突变基因的克隆、基于
基因组图谱的基因
克隆[6~8]。这些突破使人们逐渐认识到拟南芥作为实验材料对植物生命进行探索的价值。
2 拟南芥研究的主要策略
在拟南芥研究中，使用最多的是遗传学研究策略，包括正向遗传学和反向遗传学。正向遗
传学遵循的是从突变体表型分析到基因功能认识的思维方式，它首先关注的是具有某种缺陷的突变体。譬如，如果要研究与植物抗旱机理有关的基因调控过程，可以
先用化学、物理或者生物的方法将野生型拟南芥诱变，然后在干旱胁迫的条件下进行突变体的筛选。如果在诱变群体后代中出现了对干旱条件反应不同于野生型的个
体(例如比野生型更加抗旱或者不抗旱的植物)，这种个体就是突变体。这种植物对干旱的不同反应可能就是因为突变体中某一个基因遭破坏后所造成，而这个基因
必定与植物的抗旱机制有关。在得到了这样的一个突变体之后，可以对其中的突变基因进行定位和
克隆。在获得了基因序列后，可以更深入地了解这个基因的功能，并分析它是以何种形式影响了植物的抗旱途径以及与抗旱途径中其他相关基因的关系。
对
正向遗传学来说，突变表型是所有研究工作的起点。如果一个基因突变之后没有显著的表型改变，那它的突变体也就很难在筛选过程中被发现。因此，正向遗传学不
适用于研究这类基因。事实上，拟南芥中有许多基因都存在功能上的冗余性，即某些基因在功能上可以部分互相替代，其中一个基因的突变往往不会产生十分明显的
表型变化。这些基因在蛋白质序列上也往往会存在着很高的同源性，通常把它们称为一个基因家族。据估计，拟南芥有65%
的基因可以归并到某个家族中[9]，这意味着相当一部分基因可能无法通过正向遗传学来揭示它们的主要功能，需要反向遗传学的介入。
反向遗传学是在
已知某个特定基因序列的前提下去探索这个基因的功能。例如，可以利用已知的基因序列构建该基因的反义RNA 或者双链RNA
结构，用这样的构建去转化野生型植物。这种构建在植物中有可能干扰其内源基因的表达，甚至干扰该基因所在的家族基因的表达。根据一些基因受到干扰后出现的
表型，可以推测这个基因或者与其同源的基因的功能。此外，反向遗传学研究还可以用在不同时空表达的启动子来驱动已知序列基因的表达，研究该基因过量表达或
者时空异位表达时的植物表型，推测该研究基因的功能。
3 拟南芥研究的一些重要发现
鉴于拟
南芥在遗传操作上所具有的优势，它广泛应用于植物整个生命活动各个过程的研究，取得了一系列重要发现。在植物形态建成研究中，经典的例子是花发育的ABC
模型[10~12](图1)。在结构上，拟南芥的花与大多数开花植物相似，由四轮基本的花器官组成：从外向里分别为花萼、花瓣、雄蕊及雌蕊。ABC
模型中的A、B、C 分别指的是控制不同花器官发育的三大类基因，其中A类基因决定了花萼的特征；A类+B类基因共同作用决定了花瓣特征；B
类+C 类基因共同作用决定了雄蕊特征； C 类基因单独作用决定了雌蕊心皮的特
征，同时也终止花器官在第四轮形成之后继续分化[图1(A)]。在野生型花器官中，这三类基因的表达产物大体按照它们所各自决定的花器官位置，
分
布于相应的区域。当其中某个基因发生突变之后，它所控制的区域则会发育出其他类型的花器官。例如，在B 类基因的突变体中(B
类基因功能消失)，第二轮的花瓣区域由于只受到A
类基因的调控，会发育出与第一轮相同的花萼，第三轮的雄蕊也会相应地转化成第四轮的心皮组织(雌蕊的组成部分)[图1(B) ]。A、 B、C
三大类基因都编码转录因子，在花原基的发育过程中会由外到内被逐个激活，从而确保正确的花器官在准确的时期出现。拟南芥花发育中所使用的这套机制与动物发
育中基因表达系统类似。在果蝇中，不同的Hox (homeobox)转录因子控制着不同部位的发育，它们也类似ABC
模型，利用重叠的基因表达区域形成新的器官[13]。
除了在花发育中的发现外，近十年来，植物科学家们利用拟南芥模式系统，对植物不同组织和器官
的发育开展了类似的研究。通过大量拟南芥突变体的分析，科学家们对植物根、茎、叶、花、胚胎和种子的发育，对植物抗病性和抗逆性机理，以及对各种生命活动
有关的激素、光和环境因子引起的信号传导过程等进行了深入的研究，极大丰富了人类对于植物生命活动内在机理的认识。
microRNA (miRNA)
是拟南芥研究中近几年来最值得注意的热点之一。miRNA是高等真核生物中一类非翻译RNA, 由
基因组编
码。miRNA前体的转录过程与普通基因mRNA的转录过程基本类似。不同的是，初始miRNA转录本(pri-miRNA)呈“发夹”
结构，然后通过不同酶的修饰最终形成“成熟” miRNA。 成熟miRNA仅含有19~23
个碱基核苷酸，但是这些寡聚核苷酸却可以通过碱基配对与一些基因的mRNA结合，在一些酶的参与下破坏与之结合的mRNA或者干扰mRNA的正常翻译
[14~15] 。miRNA 最早于1993 年在线虫中发现[16]，在拟南芥中，大多数已经发现的miRNA
都参与植物重要的生命活动，例如，植物的形态建成，RNA 诱导的基因沉默以及植物对于逆境的适应性等[17~18]。
近年来，通过对拟南芥的研究，科学家们获得了关于miRNA生物合成过程的新认识。在动物中已经报道了由RNA酶III 结构域的Drosha
蛋白和由 RNA双链结合结构域的Pasha蛋白参与pri-miRNA的加工。拟南芥中也发现了Drosha 的同源蛋白DCL1
(含RNA酶III结构域)和Pasha的同源蛋白HYL1(RNA 双链结合结构域)[19~22]。最近的研究表明，拟南芥中除了DCL1
和HYL1之外，参与加工miRNA初始转录本的还有另一个必需蛋白SERRATE(SE)[23]。 SE
编码一个含“锌指”结构域的蛋白，在动物的 pri-miRNA
加工过程中尚未发现。除此之外，在拟南芥miRNA的生物合成途径中还发现另一个重要的蛋白HEN1[19]，它的主要功能是使已经剪切成19~23
个碱基的miRNA末端的核糖被甲基化[24~25]。一般认为甲基化是为了防止miRNA的末端被其他酶所识别，从而保证了miRNA
在细胞特定位置的稳定性[26]。以上这两项研究为完整认识高等生物中(包括动物和植物中)的miRNA生物合成过程提供了有价值的信息。
在拟南 芥中除了干扰一些重要基因的mRNA的 miRNA
之外，最近还发现了另一类新的小分子 RNA，称之为trans-acting
siRNA(ta-siRNA)[27~30]。这种小分子RNA 目前在动物中还没有相关的报道。
ta-siRNA像miRNA那样来自于
基因组中
特定基因的转录。与miRNA 不同，ta-siRNA 的前体就如同普通的mRNA, 不像miRNA 的前体那样形成“发夹”
结构，只是这种ta-siRNA的转录本不翻译蛋白，而只能在一些酶的参与下被加工形成小分子RNA。加工后的ta-siRNA会像miRNA那样作用于
与之碱基配对的靶基因mRNA。目前，在拟南芥中总共发现了 5 个编码ta-siRNA 的基因—— TAS1a、TAS1b、
TAS1c、TAS2、TAS3 等，其中TAS3 产生的ta-siRNA
参与叶片极性发育，并且调节植物营养生长阶段时间的长短[31~33]。
4 展望
随着拟南芥全基因组测序工作的完成，对拟南芥的研究已经进入了“后
基因组时
代”。研究者们现在可以快速有效地利用多种手段去研究一个基因、一条调控途径乃至整个调控网络的生物学功能。2000
年，一些科学家提出了拟南芥的“2010 计划”[34]。他们设想到2010
年能够尽可能多地了解拟南芥中已知序列基因的功能，从而在数字水平上建立起一个模拟的“理想植物”，并将这种概念推广到所有植物中，这是一个宏伟的构想。
作为模式生物，拟南芥为我们提供了一个契机。与动物相比，植物不能移动，因此植物的生长发育与环境的联系更为密切，它既需要不断地感受并适应外界的变化，
同时又必须保持内部代谢的平衡和稳定，在某种程度上植物具有更为复杂的信号整合网络。在人们认识了一些基本的调控途径以及找到了这些途径中的元件之后，利
用拟南芥这样的模式系统，将能够更快、更完整地了解植物生命过程的奥秘，造福于人类。
全文下载：
http://www.bbioo.com/Soft/2007/2069.htm
[参 考 文 献]
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