植物生理学课件:第十三章 植物分子生物学模式植物拟南芥

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拟南芥简介

拟南芥简介

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*拟南芥的主要遗传资源
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染色体结构 通过对细胞周期的中期 (metaphase)染色体观察,可以清晰地 辨认单倍体拟南芥有5条染色单体(2倍体 为10条染色体)。对拟南芥遗传图谱的连 锁关系分析,也证实了单倍体拟南芥包含 5个遗传连锁群。除去着丝粒、端粒等区 域及一些重复序列,目前已经完成测序的 第一条至第五条染色体的DNA序列长度依 次为29.1 Mb、19.6 Mb、23.2 Mb、 17.5 Mb、26.0 Mb(总长为115.4 Mb), 而包括所有序列在内的拟南芥单倍体基因 组总长约为125 Mb。
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种子时期
营养生长时 期
生殖生长时 期
*拟南芥的繁殖类型
* 1. 拟南芥属于有性繁殖,既可自交、 又可人工杂交 ,在自然条件下,拟南 芥是典型的自交繁殖植物,这使得拟南 芥在种植繁种过程中得以保持其遗传上 的稳定性。同时在实验过程中,根据研 究目的又可方便地实施人工杂交,使得 遗传分析工作很容易完成。
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三、拟南芥的分子遗传学特性
1. 基因组小 在目前已知核基因组大小的高等植物中,拟南芥的核基因组最小, 单倍体基因组DNA序列总长仅为约125 Mb。 2. 重复序列少 拟南芥基因组小的主要原因是重复的DNA序列少,大约80%左右的 序列是用来构建单拷贝基因的。由于基因组中大多数编码某一特定功能产物(如 某种酶)的基因拷贝只有一个,当某一基因发生突变(如在人工诱导条件下发生 突变)后由于得不到补偿就会导致与该基因相关的形态、生理生化过程、生长发 育性状方面的变异,这也是为什么拟南芥容易被诱变产生突变体的原因。 3. 容易实施转化 拟南芥的基因转化可以很方便地利用土壤农杆菌转化系统进行。 目前大多数拟南芥的基因转化工作都采用“真空渗入法。大概过程是:将已经抽 薹但尚未开花的拟南芥植株的花序部分浸入经目的基因转化的农杆菌培养液中, 在施加一定强度的真空压力条件下处理一定时间;将被处理后的植株继续培养并 收获种子;利用含抗生素的培养基筛选阳性转化植株供研究使用。利用此法转化 拟南芥的转化率较高,常可以达到1%(即后代中阳性转化植株所占比例)甚至更 高。 正是由于以上一些拟南芥的独特生物学特性,使得拟南芥成为最为广泛采用 的模式植物材料。 4.容易被诱变产生所需突变体 拟南芥在正常条件下通过自交产生后代,在遗传 上表现出较高的稳定性。但拟南芥在特殊条件处理后较易发生突变,如利用物理 的(如辐射处理)、化学的(如EMS处理)、及遗传转化(如T-DNA插入)等方法 进行人工诱变处理,可获得具有各种不同表型性状的突变体。利用这些人工诱变 方法产生的突变是随机的,可进一步通过对突变体库的有目的筛选而获得所需的

植物生理与分子生物学课件-9[1].14

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植物生理学与分子生物学Plant Physiology and Molecular Biology植物生理与分子生物学课程安排第一篇分子与细胞生物学基础第二篇光合作用第三篇营养与水分第四篇呼吸与代谢第五篇生长发育第六篇植物信号与信号转导第七篇植物与环境第一篇分子与细胞生物学基础内容植物基因组的研究方法: 主要研究目标:基因组学概述基因组(genome):单倍体全部基因组研究内容:基因组学基因组学(Genomics)(Genomics)(Genomics)::基因组学的分类:结构基因组学(structural genomics):意义:功能基因组学(functional genomics):主要研究内容::主要研究内容基因的识别、鉴定和克隆。

基因结构与功能及其相互关系的研究。

基因表达调控的研究。

目标::目标静态动态任务:: 任务比较基因组学(comparative genomics)概念的含义:比较基因组学的应用:目前从模式生物基因组研究中得出一些规律:研究意义:药物基因组学(Medical Genomics) :营养基因组学(Nutritional Genomics): 次级代谢生物信息学(Bioinformatics):仅仅从基因的角度来研究是远远不够的。

蛋白质组学蛋白质组学(proteomics)(proteomics)最终目标:: 最终目标生物基因组大小基因组大小((bp )T4噬菌体T4 phage2.0×105大肠杆菌Escherichia coli 4.2×106酵母Sccharomyces cereviside 1.5×107拟南芥Arabidopsis thaliana 1.0×108线虫Caenorhbditis elegans 1.0×108果蝇Drosophila melanogaste r 1.65×108水稻Oryza sativa 4.3×108小鼠Mus musculus3.0×109人类Homo sapiens 3.3×109玉米Zea mays5.4×109小麦Triticum aestivum1.6×1010不同生物基因组大小基因组学的发展1. 人类基因组计划弹计划阿波罗登月计划《癌症研究的转折点:测序人类基因组》基因组计划?四张图四张图——————遗传图遗传图遗传图、、物理图物理图、、转录图转录图、、序列图基因组研究大事年表。

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止吸水),一般为正值,但质壁分离时为0,剧烈蒸腾 时为负。 • 6.膨压:细胞吸水膨胀而对细胞壁产生的压力。 • 7.渗透势:又叫溶质势,由于溶质颗粒的存在而使水势 降低的部分(水的自由能降低),一般为负值。
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(五)细胞间的水分移动
• 水势差异决定水流方向和速度
渗透势=-1.4Mpa 渗透势=-1.2Mpa 压力势=+0.8Mpa 压力势=+0.4Mpa
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二、植物生理学的产生和发展
(一)我国古代关于植物生理学方面的论述
1.水分代谢
2.矿质营养
3.光合作用
4.呼吸储藏
5.植物生长物质
6.生长发育
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(二)植物生理学的产生与发展 1.研究开始时期(16-17世纪) 2.奠基与成长时期(18-19世纪) 3.飞跃发展时期(20世纪) (三)我国植物生理发展情况 • 起步晚,发展慢。 • 我国植物生理学起业人:钱崇澍(shu ) • 我国植物生理学奠基人:李继侗、罗宗洛、汤佩松 • 现在一些有影响的研究人员:
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(四)近年来植物生理学发展的特点 1.研究层次越来越广 2.学科之间相互渗透 3.理论联系实际 4.研究手段现代化
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三、植物生理学发展展望
• 研究重点:能量转变 • 研究焦点:膜的结构和功能 • 我国植生研究的主要任务: • 1.深入基础理论研究(有所为,有所不为) • 2.大力开展应用基础研究和应用研究
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第二节植物细胞对水分的吸收
一、细胞的渗透性吸水
• 植物的吸水方式 (一)自由能和水势 • 自由能 • 化学势 • 水势《植物生理学》PT课件(二)渗透作用

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FLC 是一个关键的抑制因子 ,FLC 基因编码MADS类型的转录因子,通过抑制 FLOWERING LOCUS T(FT) 和SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANTS(SOC1) 而抑制决定花分生组织特性的基因LEAFY(LFY)和APETALA1(AP1)的表达,从而抑 制开花 。
结合的FY基因蛋白产物的共同作用。
FCA mRNA前体
活性mRNA
无活性mRNA
RNA binding RNA binding
WW-蛋白结合
FY
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FY 编码一个含WD重复序列、C端含有两个PPLP序列、在真核生物中高度保守的蛋白,
它的酵母同源基因Pfs2p编码参与RNA 3’加工的蛋白质复合体的一个必需组分蛋白,因
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决定开花的途径被Boss等人(plant cell,16:S18)分为使能够开花(花决定) 和促进开花两类。
促进开花的途径有光周期、激素、光质、环境温度等,这类途径激活开花基因的表 达,被称为综合者(integrator)。
另一类基因通过控制开花抑制基因的表达影响开花,这类基因是enable pathway的基因,它们使开花能够进行。
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VRN1 、VRN2的功能是抑制FLC的转录,它们提供了对春化的记忆
在对春化作用不反应的突变体vrn1 和 vrn2中,FLC RNA 经过低温处理降低了 含量,但在后续的温暖温度下的生长过程中,FLC RNA的含量增加,而不是正常 的保持低表达。
VRN2 同Suppressor of zeste12 [Su(Z)12] 最为类似,Su(Z)12是 果蝇 (Drosophila )中的polycomb group蛋白,对组蛋白H3上的特定赖氨酸残基进 行甲基化,使该组蛋白覆盖的染色质处于沉默表达状态。这与vrn2突变体中 FLC 基因内含子1部位的染色质对DNAase I超敏感现象一致,这种敏感性通常 与转录活性有关。

拟南芥与植物生物学

拟南芥与植物生物学

多组学整合分析
结合基因组学、转录组学、蛋白质 组学和代谢组学等多组学技术,对 拟南芥进行全方位、多层次的研究 。
基因编辑技术的应用
利用CRISPR/Cas9等基因编辑技 术,对拟南芥进行精确、高效的基 因编辑,深入研究基因功能。
生态与进化研究
关注拟南芥在自然生态系统中的地 位和作用,以及其在进化过程中的 基因组变异和适应性进化。
拟南芥通过细胞膜上的受体感知逆境信号,如干旱、高盐等,并通过信号转导途径将信 号传递至细胞核,触发相应的基因表达。
抗逆基因的表达调控
拟南芥中存在大量抗逆相关基因,这些基因在逆境条件下被激活或抑制,通过调控代谢 途径、细胞结构等提高植物的抗逆性。
渗透调节物质的合成与积累
拟南芥在逆境条件下合成并积累渗透调节物质,如脯氨酸、甜菜碱等,以维持细胞渗透 平衡,防止细胞脱水。
利用CRISPR-Cas9基因编辑技术在拟南芥中定向敲除或突变特定基因,为研究基因功能 和作物遗传改良提供有力工具。
03
拟南芥的生长发育与调控
拟南芥的生长周期与阶段划分
种子萌发期
从种子吸水膨胀到子叶展开的过 程。
幼苗期
从子叶展开到长出真叶的过程。
营养生长期
幼苗长出真叶后,进行光合作用 和营养物质的积累。
拟南芥突变体的筛选与应用
插入突变体库
利用T-DNA或转座子插入技术构建拟南芥插入突变体库,通过筛选获得特定基因突变的 植株,为研究基因功能提供重要材料。
化学诱变剂处理
利用化学诱变剂如EMS处理拟南芥种子,获得大量随机突变的植株,通过表型筛选和遗传 分析鉴定突变基因。
CRISPR-Cas9基因编辑技术
人工智能与机器学习辅助研究
运用人工智能和机器学习技术对拟 南芥表型数据进行分析和挖掘,揭 示新的生物学规律和机制。

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CHAPTER 02
植物的水分生理
植物对水分的吸收与运
根部吸水
植物通过根部吸收水分,主要依赖于 根压和蒸腾拉力。
水分运输
水分在植物体内通过木质部导管进行 长距离运输,受到压力和扩散作用的 影响。
植物的水分平衡与调节
水分平衡
植物通过叶片蒸腾作用释放水分,保持体内水分平衡,调节 温度和盐分平衡。
水分调节机制
发。
细胞分素
促进细胞分裂和组织分 化,延缓植物衰老。
脱落酸
促进叶和果实的脱落, 调节植物休眠和种子成
熟。
植物生长与发育的过程
01
02
03
04
种子萌发
种子在适宜的条件下吸收水分 和氧气,突破种皮发芽。
营养生长
植物通过光合作用合成有机物 ,同时不断扩展根、茎、叶等
器官。
生殖生长
植物在适宜的条件下形成花芽 ,开花、结果,繁殖后代。
光合作用与呼吸作用的相互关系
• 总结词:阐述光合作用与呼吸作用的相互影响和制约关系。
• 详细描述:光合作用和呼吸作用是植物体内两个重要的代谢过程,它们之间存在相互影响和制约的关系。光合作用过程中产生的氧气和还原态的氢是呼吸作用所需的,而呼吸作用过程 中产生的二氧化碳和能量也是光合作用所需的。此外,光合作用和呼吸作用的酶的活性也受到彼此的影响。在光照充足时,光合作用的速率高于呼吸作用的速率,植物积累有机物;在 光照不足时,光合作用的速率降低,呼吸作用的速率相对较高,植物消耗有机物。因此,了解光合作用和呼吸作用的相互关系对于理解植物的生长和发育具有重要意义。

合成蛋白质和其他重要有机物的主要元素,主要通过 根系吸收铵态氮和硝态氮。

参与能量代谢和遗传信息的传递,主要以磷酸根的形 式被吸收。

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CHAPTER
04
植物信号转导与表观遗传学
植物生长素的信号转导
生长素合成
生长素在植物体内通过色氨酸合成,经过一系列酶促反应生成。
信号转导途径
生长素通过与受体结合,激活下游的转导因子,引发一系列的信号 转导反应,调控植物生长和发育。
转导机制
生长素信号转导过程中涉及多种蛋白质的磷酸化、去磷酸化等修饰, 以及基因表达的调控,最终影响植物细胞的生长和分化。
当前发展
目前,植物分子生物学的研究已经深入到基因组学、转录组学、蛋白质组学等多个层面, 研究手段和技术也在不断更新和进步。
未来展望
未来,植物分子生物学将继续发挥重要作用,特别是在农业和园艺等领域的应用将更加广 泛和深入。同时,随着技术的进步和研究的深入,植物分子生物学将会有更多的突破和创 新。
CHAPTER
02
植物基因组与ห้องสมุดไป่ตู้录组学
植物基因组的结构与功能
结构特征
植物基因组通常较大,含有大量的重 复序列和复杂的染色体结构。它们还 包含大量的基因,这些基因编码了参 与各种生命活动的蛋白质。
功能研究
植物基因组的功能研究主要集中在基 因表达、调控和进化等方面。这些研 究有助于理解植物生长、发育和应对 环境压力的机制。
植物转录组的调控机制
转录因子
转录因子是调控基因表达的关键分子,它们可以激活或抑制特定基因的表达。在植物中,转录因子在响应生物和 非生物胁迫、以及在发育过程中发挥重要作用。
miRNA和siRNA
microRNA (miRNA) 和 small interfering RNA (siRNA) 是两种重要的非编码RNA,它们通过与mRNA结合来 调控基因的表达。这些RNA在植物的生长发育和胁迫响应中发挥关键作用。

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植物分子生物学
生物信息学基础(10学时)
唐玉荣 tangyurong@
主要内容
1. 绪论
2学时
2. 分子数据库及NCBI序列检索
3. 双序列比对及BLAST比对工具 4学时
4. 多序列比对和分子系统发育
4学时
5. 核酸和蛋白质序列分析工具
主要参考书
1.基础生物信息学及应用,蒋彦等,清华大学 出版社
蛋白数据库
SWISS-PROT(蛋白序列数据库) /swissprot/
BioSino
网址: /
HKBIC
网址: .hk/
MBC
网址: .tw/index.php
TUBIC
网址: /
EMBL
NIH
DDBJ
• GenBank数据库
–基因组DNA数据库 –对应于表达基因的cDNA数据库 –表达序列标签(ESTs) –序列标签位点(STS) –基因组测序序列(GSSs) –高通量基因组序列(HTGS)
• 其它核酸数据库
• HIV Database(HIV序列数据库)
/content/index
数学
计算机
生物信息学
生物
1.3 生物信息学目标任务
• 收集和管理生物分子数据 • 数据分析和挖掘 • 开发分析工具和实用软件
–生物分子序列比较工具 –基因识别工具 –生物分子结构预测工具 –基因表达数据分析工具
1.4 生物信息学研究内容
序列比对 (Sequence Alignment) 蛋白质结构预测 计算机辅助基因识别 非编码区分析和DNA语言研究 分子进化和比较基因组学 序列重叠群装配 遗传密码的起源 基于结构的药物设计 基因表达谱分析 ,代谢网络分析 ,基因
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中国农大王学臣 老师实验室
拟南芥的遗传学特性
单倍体染色体少,只有5条,基因组小 125Mb
80%的基因为单拷贝,基因冗余少,便 于进行基因的功能分析。
容易获得单基因突变体。
拟南芥的突变体获得
物理方法:X-射线;快中子处理
化学方法:EMS(ethyl methane sulfonic acid ester,乙酰甲基磺酸酯) 诱变
第13章
植物生理学及分子生物学 研究的模式植物---拟南芥
Mutant
图片:中国农大王学臣 实验室苏钊博士提供
WT
植物生理学及分子生物学研究的模 式植物---拟南芥 Arabidopsis.thaliana)
1、拟南芥被选为模式植物的历史背景 2、拟南芥的生物学特性 3、拟南芥的遗传学特性 4、拟南芥的突变体获得 5、拟南芥的栽培 6、拟南芥的突变体类型 7、拟南芥的遗传转化方法WT N422
制备kan抗性的MS选择平板,T0代种子消 毒后,用无菌水清洗3次后,将种子平铺在MS 选择培养基上(50ug/l Kan),4℃下春化3 天 后 , 移 入 生 长 箱 中 ( 22℃ 恒 温 , 光 强 为 130-140 umol.m-2s-1),7天后挑选T1代阳 性植株。阳性植株特征:真叶健康成深绿色, 根伸长至培养基中,而非抗Kan植株叶发黄, 且苗小。将抗Kan的植株从选择培养基上挑出, 转移到正常MS培养基上,继续生长一周后移
2000年底公布了5条染色体的测序 结果和分析报告
拟南芥的生物学特性
植株个体小15-20cm,栽培方便,占地 面积小;
生育期短40天,种子小(0.2ห้องสมุดไป่ตู้g),结实 多
自花受粉,人工授粉容易 整个植株由下面根 及莲座叶 、茎、茎生
叶和总状花序组成,花由4个花瓣呈十字 对称排列、花萼4片、花药6枚,2个心 皮。
拟南芥被选为模式植物的历史背景
传统研究采用的多种植物模式存在的问 题
重复劳动、分散研究资源、个别研究中不具普遍性 的发现等。
理想的模式植物应有的特点
1、适合采用综合的遗传学和分子生物学工具对其
进行详细分析 2、在栽培条件下能有效传代 3、能方便的进行农杆菌介导的细胞转化
1943年欧洲学者Laibach选为模式遗传 有机体;
培养28℃,200rpm震荡过夜),转化前一天接种于200ml 含相
同抗生素的YEB培养基中扩大培养,5000g离 心15min 集菌,重悬于渗入缓冲液,使 OD600为0.8,200ml重悬菌液可重复使用3 次。
渗入缓冲液(Infiltration Medium )的配制: 0.5×MS大量元素,0.5×MS微量元素, 0.5mg/l VB5,5% 蔗糖,0.044uM 6-BA, 0.03% Silwet l-77
生物方法:T-DNA 插入法
拟南芥的突变体获得
物理方法:X-射线;快中子处理 化学方法:EMS(ethyl methane
sulfonic acid ester) 诱变 生物方法:T-DNA 插入法
N422 突变体 陈惠种植
WT
N422
拟南芥的栽培
直播法 平板培养7天移栽法 溶液培养法 栽培条件:22ºC,100-120um/cm2 光
周期8/16h or 12/12h
拟南芥的突变体类型
形态突变株 生物化学突变株 以生理和激素为特征的突变株
aba mutant
WUS mutant
图片来自:中科院植物研究所种康实验室的徐云远研究员
拟南芥的遗传转化方法
•真空渗入法 •速蘸法
拟南芥的准备
培养室内的拟南芥(Arabidopsis
thaliana gl1)苗长至抽薹1cm高时,剪去苔的尖端使次生花
序生长(勿剪去整个苔),剪时刀口应位于最高茎生叶的 上方(使腋生花序的茎位于茎生叶的基部),4天后植株有 侧枝并已经有一些花蕾,就可以进行农杆菌转化。
农杆菌的培养 分别接种含目的质粒的农杆菌GV3101于10mlYEB的 液体培养基(含125mg/l Rif, 100mg/l Kan)中预
拟南芥的转化:将200ml菌液置于一容器 中,翻转种有拟南芥的花盆,使植株浸 入悬浮有待转农杆菌的渗入缓冲液中410min,取出花盆,侧躺于托盘中,盖上 塑料布,第二天取下塑料布,直立放置 花盆(Clough and Bent, 1998)。两周 后收获T0代种子。
拟南芥T1代阳性植株的Kan抗性筛选
入土壤中。
美国学者Redei(1970)做了详细研究;
1980 年公布了拟南芥的详细遗传图谱;
1987年在美国密歇根洲立大学召开了专 门国际会议;
1990年确立了拟南芥的长期研究目 标。到2000年底完成基因组测序, 并强调要把其研究成果得到应用;
1996年成立的一个拟南芥基因组测 序的国际合作组开始工作。
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