說說轉(zhuǎn)基因植物“那點(diǎn)事兒”
設(shè)想，你要把一臺機(jī)器，從生產(chǎn)廠里運(yùn)輸?shù)叫枰@臺機(jī)器的工廠里，并讓它順利工作，要通過幾個步驟呢？
首先呢，我們要先把這臺機(jī)器生產(chǎn)出來，然后打包，裝到汽車上并運(yùn)輸?shù)侥康墓S內(nèi)，安裝機(jī)器，最后經(jīng)過一系列調(diào)試，才能讓工廠使用這臺新機(jī)器進(jìn)行新產(chǎn)品的生產(chǎn)。
和這一過程相似，生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因植物，也需要上面一系列步驟。在一個典型的轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)過程中，這些步驟分別稱為目的基因克隆、載體構(gòu)建、轉(zhuǎn)化、重組，以及篩選。
1. 基因克隆。
巧婦難為無米之炊，要生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因植物，那么必須得有這個需要被轉(zhuǎn)的基因。這些基因的來源可是五花八門的，現(xiàn)在最廣泛使用的BT蛋白基因和抗草甘膦基因，就來自于兩種細(xì)菌。不過，托沃森和克里克的福，我們知道所有的細(xì)胞生物都共用一類遺傳物質(zhì)：DNA。因此，細(xì)菌來源的基因，也可以在植物中起作用。
通過序列比對和分析，并加上如今豐富的基因組數(shù)據(jù)庫，我們可以很容易的找到和確定目標(biāo)基因的序列。然后，利用最常用的PCR手段，就能將我們所需的基因片段，從原來的生物基因組中克隆出來。
2. 載體構(gòu)建。
不過，光把基因這一段DNA克隆出來還不夠，我們要把它包裝一番。為什么要包裝呢？因?yàn)榇蠹叶贾�，DNA分子是長線狀的，但是線狀的DNA分子末端比較容易發(fā)生降解。因此，我們把這一段目的基因，通過酶連接到一個特定質(zhì)粒分子上，構(gòu)成一個插入目的片段的新的質(zhì)粒分子。這樣做有幾個好處，一來，質(zhì)粒是環(huán)狀的，沒有游離的末端，因此可以穩(wěn)定線狀的DNA分子，二來，質(zhì)�？梢栽诖竽c桿菌內(nèi)隨著大腸桿菌的分裂而復(fù)制，從而可以方便的大量獲得含有目的基因的質(zhì)粒分子。第三，質(zhì)粒上還具有一些元件，可以讓目的片段更加容易的進(jìn)入植物體內(nèi)和表達(dá)。那么，為什么就能讓進(jìn)入植物體內(nèi)變得容易呢？來看第三點(diǎn)：
3. 轉(zhuǎn)化。
這一步，我們要請出一個重要的運(yùn)輸員：農(nóng)桿菌。農(nóng)桿菌是一類土壤細(xì)菌。在它“從良”之前，它經(jīng)常會侵染植物，讓侵染部位細(xì)胞大量分裂，形成小疙瘩，我們稱為“冠癭”�？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，農(nóng)桿菌之所以會讓植物產(chǎn)生冠癭，是因?yàn)檗r(nóng)桿菌能把它自身含有的一段DNA插入植物的基因組中。這段DNA上有編碼植物生長素合成所需的酶，以及合成細(xì)菌喜歡“吃”的化合物的酶。于是，科學(xué)家們利用生物工程手段改造了農(nóng)桿菌這一區(qū)段DNA，保留了農(nóng)桿菌將自身片段插入植物能力，但是去除了合成生長素和營養(yǎng)物質(zhì)的基因，并且還加入了一些“裝載位點(diǎn)”，方便我們“裝貨”。
這段被改造的DNA，其實(shí)就是我們上面說到的特定的質(zhì)粒分子。等目的基因被包裝好之后，就會把它轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌體內(nèi)，然后，攜帶有包裝好目的片段的農(nóng)桿菌，就可以去侵染植物了。
由于植物具有厚厚的細(xì)胞壁，因此，人們一般選擇較為幼嫩的部位來讓農(nóng)桿菌侵染，對于玉米，多使用花粉管來侵染，而對于大豆，則采用莖尖分生區(qū)來侵染。在侵染后，農(nóng)桿菌這個勤勞的運(yùn)輸員，就將攜帶（但不止含有）目的基因的DNA片段轉(zhuǎn)入植物體內(nèi)，并整合到植物基因組上，來完成“運(yùn)輸”和“安裝”過程。
由于植物具有厚厚的細(xì)胞壁，因此，人們一般選擇較為幼嫩的部位來讓農(nóng)桿菌侵染，對于玉米，多使用花粉管來侵染，而對于大豆，則采用莖尖分生區(qū)來侵染。在侵染后，農(nóng)桿菌這個勤勞的運(yùn)輸員，就將攜帶（但不止含有）目的基因的DNA片段轉(zhuǎn)入植物體內(nèi)，并整合到植物基因組上，來完成“運(yùn)輸”和“安裝”過程。
除了農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化外，還可以利用基因槍或電轉(zhuǎn)化法進(jìn)行轉(zhuǎn)化
4. 篩選
不過，光讓農(nóng)桿菌跑了一趟并不是萬事大吉了。我們還要解決一下幾個問題：農(nóng)桿菌有沒有把貨運(yùn)到？功能正常嗎？有的時候，我們還想更進(jìn)一步知道這個“機(jī)器”安裝在“流水線上”的那個部位？這，就需要篩選了。
4. 篩選
不過，光讓農(nóng)桿菌跑了一趟并不是萬事大吉了。我們還要解決一下幾個問題：農(nóng)桿菌有沒有把貨運(yùn)到？功能正常嗎？有的時候，我們還想更進(jìn)一步知道這個“機(jī)器”安裝在“流水線上”的那個部位？這，就需要篩選了。
檢測“有沒有把貨送到”，這個在生物學(xué)上稱作轉(zhuǎn)化子篩選。通常，在那個特定的質(zhì)粒上，還存在另一個基因，這個基因就是為了檢測“貨”有沒有真正送到的。當(dāng)DNA片段插入植物基因組后，這個基因能夠產(chǎn)生一定的信號，告訴人們“貨已到位”。這個基因就是報告基因。通常使用的報告基因是一個編碼能夠分解抗生素的基因。當(dāng)這個基因進(jìn)入植物基因組后，植物組織就不再害怕培養(yǎng)基中添加的抗生素了，這樣，能在培養(yǎng)基上存活的，就都是“貨已到位”的植物組織了。這一方法十分便捷，因此在科研中很常用，第一代轉(zhuǎn)基因作物也大多采取這一策略。
不過，對抗抗生素畢竟會引起一些人對于抗生素抗性泛濫的擔(dān)憂。雖然轉(zhuǎn)基因植物對抗生素的抗性很難傳播（畢竟編碼的是一個蛋白，而編碼它的DNA和它本身很容易在環(huán)境中和人體消化道中被破壞），但是為了打消人們的憂慮，科學(xué)家們還研發(fā)了“非抗生素篩選體系”。例如，pmi篩選體系，就不用抗性基因而是使用一種磷酸甘露糖異構(gòu)酶基因作為報告基因。這種名字很拗口的酶的存在，可以讓植物利用培養(yǎng)基中通常不能被利用的甘露糖作為碳的來源，這樣，“貨沒有到位”的植物細(xì)胞就會一直處于饑餓狀態(tài)，而DNA片段成功插入的植物組織則“白白胖胖”，很容易區(qū)分。此外，還能通過一些手段在抗生素篩選完成后，把抗性基因切掉。常用的Cre/Loxp系統(tǒng)，就能在篩選完成后準(zhǔn)確的將抗性基因切除，從而也能生產(chǎn)出沒有抗性基因的轉(zhuǎn)基因植物。當(dāng)然，隨著大規(guī)模測序技術(shù)的發(fā)展，我們也可以不用報告基因，而是直接依靠測序判斷目標(biāo)基因是否插入，這就更沒有值得擔(dān)心的了（除了...小錢錢以外）。
在確定DNA片段已經(jīng)插入植物基因組后，我們就可以將這些植物組織進(jìn)行組織培養(yǎng)，由于植物細(xì)胞具有全能性，我們就能獲得完整的攜帶有目的基因的植株了。從定義上講，這些植物都已經(jīng)可以算作“轉(zhuǎn)基因植物”了。但是，事情還沒有完全結(jié)束，這些“轉(zhuǎn)基因植物”還需要通過一個十分重要，但也經(jīng)常被外行人忽略的檢測，那就是判斷目的基因是否正常表達(dá)。由于目的基因的性質(zhì)十分多樣，因此，檢測的手段也是多樣的。例如，通過熱不對稱交錯PCR，我們可以確定目標(biāo)基因在植物基因組上插入的位置、通過Real-time PCR以及western雜交檢測目標(biāo)基因表達(dá)水平、甚至通過轉(zhuǎn)錄組和代謝組學(xué)技術(shù)分析植物基因組規(guī)模的表達(dá)以及產(chǎn)物變化的情況等等。但對于要生產(chǎn)目標(biāo)是商業(yè)化種植的轉(zhuǎn)基因植物來說，原則就是，目標(biāo)基因所具有的性狀一定要產(chǎn)生；同時，盡量不產(chǎn)生其他非目標(biāo)的性狀；如果出現(xiàn)非目標(biāo)性狀，那么也必須是無害的。通過以上檢驗(yàn)最終獲得的成品，才是一株真正意義上的轉(zhuǎn)基因植物了。
標(biāo)簽：
轉(zhuǎn)基因
植物
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