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1、生物芯片在植物科学中应用的研究进展现代化农业2010年第7期(总第372期)1生物芯片在植物科学中应用的研究进展倪进斌.吕德方.高亚梅..韩毅强.(1.黑龙江北大荒集团建三江种业有限公司胜利分公司,黑龙江富锦156324;2.黑龙江省农垦绿色食品办公室;3.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院)摘要:近年来,芯片技术成为科学家进行功能基因组研究的有力工具.在植物科学领域,芯片技术在植物基因表达分析,基因突变检测,植物病理和抗性研究,植物营养和逆境研究,植物发育和生长机理等方面得到广泛应用.以下就芯片在植物科学中的应用进展做一简要概述.关键词:基因芯片;植物;应用随着越来越多的动植
2、物,微生物基因组测序的顺利实施和基因序列信息的膨胀性增长,生命科学研究的重心逐渐转移到生物功能的整体研究上,生物芯片的出现为人类提供了能够对个体生物信息进行快速,并行采集和分析的强有力的技术手段,将大量的基因序列和功能分析相结合,克服了常规技术一次只能检测少数几个基因的限制,为功能基因组研究提供大量最必要的信息,必将成未来生物信息学研究中的一个重要信息采集和处理的平台.生物芯片在产生的短短几年内技术不断完善,逐渐商业化,已在基因表达分析,DNA测序,多态性检测,突变分析,基因图谱绘制,尤其是对人类疾病的诊断治疗,药物筛选和新药开发方面得到广泛应用.在植物科学领域,模式植物拟南芥
3、测序完成和功能基因组研究的启动,生物芯片迅速被人们所接受,而且许多关系国计民生的农作物和各类经济作物的分子生物学研究也将生物芯片技术作为其得力的研究手段.目前生物芯片技术已经应用于包括拟南芥,水稻,玉米,番茄,草莓,松树,大豆,白杨等植物物种中,并且将会不断应用于其他植物物种中.植物发育的机理,基因的表达调控,植物营养及抗性机理,植物病理研究,农作物的改良培育等都可以从生物芯片技术中获得大量的重要信息.1基因表达检测与新基因的发现生物芯片的第一个应用领域就是检测基因表达.在基因表达检测的研究上,人们已比较成功地对多种生物,包括果蝇,酵母,人和拟南芥等,在不同发育阶段,不同条件下
4、的基因表达情况进行检测,并且用该技术在全基因组水平上一次性检测酵母几种不同菌株间数千个基因表达谱的差异.目前由于芯收稿日期:2010—01-05片密度的限制,这类芯片只在一些基因组相对较小的生物中得到应用,不过有的科学家将制备了植物细胞器全基因组芯片,如儿ANGG用拟南芥线粒体cDNA文库研究线粒体基因及基因的剪切位点,找到了新的剪切位点和新的线粒体基因.YUJ则将芯片用于研究线粒体和细胞核之间相互作用.利用cDNA微阵列研究基因在植物不同组织间差异性表达,已经积累了大量的数据信息.最早的研究始于1995年ScHENAM等人所做的出色的工作.他们利用拟南芥的eDNA克隆(包括1
5、4种全序列基因和31种EST基因)和3种来自其他生物的内控的cDNA,PCR扩增后经过机械手点样技术制成eDNA芯片,拟南芥的mRNA(来自根和叶,野生型和HAT4突变植株)通过一轮反转录后制备荧光探针.在合成cDNA前用人的乙酰胆碱受体mRNA补充拟南芥mRNA(1:10000),并做校正的内标由此产生得当的荧光标记的cDNA混合物与芯片杂交,然后进行荧光扫描分析.结果HAT4mRNA在突变植株中的信号比在野生型中提高50倍.根和叶组织中普遍存在基因的表达差异,其中根中CABT1基因是叶中的500倍,其它26种基因在根和叶中的表达差异因子大于5.1998年RUANY等利用14
6、43个拟南芥的EST克隆制成cDNA芯片研究基因在根,叶,花蕾,花不同组织间,不同发育阶段基因表达的差异,找到了许多组织特异性的基因,发现了许多新的编码序列的表达模式,为其功能研究提供了线索.ZHUT等则利用代表8300个基因的的高密度的寡核苷酸芯片研究拟南芥不同组织基因表达的差异.通过这些差异表达基因的聚类分析,有可能提出关于这些基因特定功能新的假说.利用芯片分析基因家族及家族各成员间功能差2现代化农业2010年第7期(总第372期)异的研究.CONGILEM将玉米和大豆的GST(谷胱甘肽一转移酶)基因家族点在芯片上,分析不同诱导物处理和不同组织中基因的表达,发现在不同物种间
7、基因家族的有些基因表达的组织特异性有差异.而XUW分析拟南芥细胞色素P450基因家族各个成员的组织特异性,根据这些数据推测其功能和调控机制.在利用芯片研究基因家族时,由于基因家族各成员间同源性很高,杂交的交叉污染是一个严重的问题,CONGILEM和XUW都做了成功的探索.总之,通过平行对比检测基因表达谱,积累关于每种类型组织的发育阶段,不同物质处理,遗传背景,环境条件等一系列影响因素基因表达信息,将有助于研究人员更好地理解植物生长和发育的机理,了解植物更多基因的功能.芯片分析是一种途径,它联
