RNAi基因沉默技术及其在植物抗病性改良中应用的策略

RNAi基因沉默技术及其在植物抗病性改良中应用的策略 基因沉默技术及其在植物抗病 ,:,, 性改良中应用的策略 ,， 陈 华 民 何 晨 阳 ,， ， ,中国农业科学院植物保护研究所 植物病虫害生物学国家重点实验室 北 京 ,::,,, ,,、。 摘 要 是 一 种 由 参 与 对 靶 基 因 达进行干扰或沉默的现象 由此发展起来的 ,:,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,:, 基因沉默技术已成为当今植物基因功能研究和遗传改良的一个重要手 段 。 该技术已经在靶向病原物 ,真 菌 、 ,:,, 、,，。 细 菌 病 毒 和 线 虫 基因沉默方面得到了广泛的应用 并 且产生了一批抗病性增强的转基因植物 人 工 设 计 和 合 成 。 、的 和 的成功研发加快了 技 术 的 应 用 本 文 对 基 因 沉 默 机 制 技 术 研 发 进 ,,,,:,,,,,),,,:,,,:,,,:,,,:,, ，。展及其在植物抗病性遗传改良中的应用进行综述 并对其应用策略进行探讨 ,, , 基 因 沉 默 抗 病 性 遗 传 改 良 关 键 词 ,:,, , , , ,中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 ,:,,,,:,,:,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,:,,,:,,::,,) ,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,:,) ,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ， ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,，，,,,,,,,,,,:,,,:,:,,,:,::,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,:,,,,,:,,,,,,,, ，,， ,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,::,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,:,,:,:,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,,,,,,:,,,,,:,, )),,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,:, ,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,:,:,,,,,,:,,,:,,,,,:, 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成,:,,,,,:, ,,,,, ,,,，,,,切 形成转录后的基 因 沉 默通 过 与 靶 ,,,,,,:,,个 核 苷 酸 的 小 干 扰 片 段 ,,,,,:,,,,:,,,,:) ，，标 序 列 结 合 造 成 蛋 白 翻 译 起 始 障 碍 形 成 蛋 白 质 翻 与 靶 基 因 的 相 应 序 列 在 诱 导 基 因 :, ,,:, ,:, ,,,,,,译 的 沉 默通 过 将 与 同 源 的 区 域 ,,，,,,:, ,:, 沉 默 复 合 体 上 进 行 结 合 然 后 这 些 短 的 ,,,,,,,) ，中 的 胞 嘧 啶 甲 基 化 形 成 了 介 导 的 甲,,:, ,:, 收 稿 日 期 , ,:,,:,:,))基 金 项 目 , 转基因生物新品种培育科技重大专项 ,，，, ::,,::,:,:,::,:,,,,::,:,:,:,,:,,,,::,:,:,::,))),，,通 信 作 者 ,,,:,:,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, )),, ,,):,。 ，,,，基 化即 表 观 遗 传 效 应植 物 基 同 的 小 而 前 体 只 能 形 成 一 个 特 定 序 ,,,,,:,,,:,,,,:,, 。 ，，列 的 高 效 因 此 技 术 在 更 大 程 度因 沉 默 通 常 是 通 过 剪 切 靶 标 使 其 不 能 作 ,,:,,,,,:,,,,:, 为 ，。。 蛋 白 质 翻 译 的 模 板 从 而 抑 制 基 因 的 表 达 上 规 避 了 对 相 似 序 列 的 非 靶 标 基 因 的 影 响 此 ，外 ，基 因 沉 默 效 果 不 仅 依 赖 于 自 身 特 性 而 ,,,,:,, 基因沉默技术研发新策略 ,,:,,且 ,,,,。 ，依 赖 于 靶 标 基 因 的 局 部 结 构因 此 人 ,,:,,基 因 沉 默 效 果 的 时 空 调 控 ,,, ，工 设 计 和 合 成时 需 要 特 别 考 虑 靶 基 因 序,,,,:,, ，由 于 靶 基 因 表 达 需 要受到精确的调控 ,:,,。 列 的 结 构 。 基 因 沉 默 也 需 要 进 行 时 空 调 控 植 物 体 内 ,:,,，是 一 类 内 源 的 产 生 于 非 编 ,,,,,:,,,,:,,),,),:,基 ,，因 沉 默抑 制 通 常 是 系 统 发 生 的但 在 实 际 ，码 基 因 介 导 转 录 的 个 家 族 负 责 转 录 后 的 基 ,,,,需 要 ,,,:。因 调 控的 形 成 涉 及 的 ,,,,,:,,,,,,,,,:,, )，中 仅 沉 默 部 分 组 织 中 特 定 基 因 这 会 引 起 其 他 组 ，和 指 导 的 切 割 以 和 的 ,,,:,,,,,:,,,,,:,,。织 中 靶 基 因 表 达 的 抑 制 所 以 有 必 要 研 发 和 利 用 ，。 序 列 为 模 板 聚 合 形 成 的 次 级 小 片 段 尽 管 ,:, 、。 组 织 特 异 性 启 动 子 来 调 控 基 因 的 沉 默 效 果 此 、，载 体 的 可 预 测 性 高 不 易 脱 靶 但 ,,,,:,,,,,,,,)) ，。 外 基 因 沉 默 需 要 在 时 间 和 强 度 上 的 进 行 调 控 通 ，方 法 更 为 实 用 因 为 它更 易于多个功能小 :,, 过 筛 选 不 ，序 列 融 合 进 一 个 载 体 中 从 而 可 以 创 建 具 有 ,:,,，同 强 度 的 启 动 子 来 控 制 的 表 达 或 利 用 ,,,:, ,,,,。多抗功能的转基因植物 不 ，同 的 同 源 序 列 来 抑 制 靶 基 因 可 以 达 到 调 控 抑 和 的 应 用,,, ,,,,:,,,,,,,,:,,)制 程 。 对 病 毒 抑 制 子 的 沉 默 与 ,,,,:,,,,:,,)。 度 的 目 的 ， 产 生 的 沉 默 效 果 相 比 靶 向 抑 制 子 的,,, , , 的 靶 定 效 应,,, ,,,:, 、方 法 在 瞬 时 表 达 稳 定 转 化 方 面 效 果 ,,,,:, 基 因 沉 默 需 要 与 靶 基 因 序 列 结 ,:,,,,,:, ,,,,更 。好靶 向 株 系 特 异 序 列 或 不 同 株 系 间 保 守 。合 如 何 使 有 效 地到达靶序列所在 的 部 位,,,:, 序 列 。 、是 技 术 的 关 键 问 通 过 沉 默 与 癌 症 病 ,:,,,,,,。 的 转 基 因 植 株 表 现 对 广 谱 抗 性拟 南 ,,, 毒 芥，侵 染 和 自 身 免 疫 紊 乱 等 疾 病 相 关 基 因 的 表 达 ,:, 通过修饰拟南芥 的 前 体 来 靶 向 两 ,,,,,, ,,,,,, ,,、,。个 病 毒 抑 制 子 序 列 ,,,,,,,:,,,,:,)) 。 技 术 已 成 为 一 种 有 效 的 疾 病 治 疗 新 策 略 在 医 学 ,,, ,,, 和 转 基因植株分别具有 ,,,,,,,:,,,,,:)),,，动 物 疾 病 尤 其 病 毒 病 的 研 究 中 发 现 和 ,,,:, ，对 和 的 抗 性 而表达两者的植株表 ,,,, ,,,, 可, ,,,:。达对两个病毒都具有 很 强 的 抗性 ,,),,,,，而 目 前 在 植 物 中 尚 未 以 到 达 癌 变 特 异 部 位。对 报 告 基 因 的 沉 默 ,,,,,,:,,,,,, ,,,, ) 见 ，，是拟南芥基因沉默分 析 的 报 告基 因 单 拷 贝 表 型 易 。任 何 类 似 的 报 道 ,,,,。 检 测 定 量 分 析用 序 列 沉 默 ,,,,,,:,,,,,, ) 的 人 工 设 计,,, ,,:, ，基 因 发 现 转 基 因 植 株 活 性 水 平 与 突 技术在植物抗病性遗传改 良 中 的 ,,,, ,,, ,,,:,,病 毒 抑 制 子 可 以 与结 合 抑 制 后 者 的 基 因 ,,:, ,,,,,,，。变 体 一 样 达 到 了 基 因 沉 默 效 果 ,, 应 用。，沉 默 功 能对 抑 制子特异结合 位 点进行 修 饰 使 ，其 不 能 与 进 行 正 常 结 合 可 以 提 高 后 者 的 ,,:, ,、、技 术 已 经 在 病 原 物 真 菌 细 菌 病 毒 ,:,,,,,,，。 ，和 沉 默 效 率 如 病 毒 抑 制 子 因 此 ,,,, :,, ,，线 虫基因沉默方面 得 到了 广 泛 应 用 产 生 了 一 批 抗 研 究 。，病性增强的转基因植物 和 利 用 病 毒 抑 制 子 结 合 位 点 可 以 有 效 地 提 高 基 植物真菌病害 的 抗性 改 良 ,,, 因 通 过 表 达 白 粉 病 菌 致 病 因 子 的 ,,,,,: ,:, 。沉 默 效 率 ,,,,。 ，提 供 了 一 个 基 于 的 植 物 抗 真 菌 病 害 遗 传 改 高 从 而 使 脱 靶 效 应 降 至 最 小本 实 验 室 ,:,,,:,, 良 、。正 在 利 用 从 水 稻叶片中克隆 到 的 受病原细菌和信 新 策 略 、植 物 细 菌 病 害 的 抗 性 改 良 号 分 子 诱 导 的 维 管 束 组 织 特 异 性 表 达 的 启 动 ,,, ，根 癌 农 杆 菌和基 因 沉 默 后 转 基 因 植 ,,,, ,, , 子,,,,,, ,,。编 码 色 物 对 冠 瘿 瘤 形 成 具 有 较 高 的 抗 性,,,, ，,,。驱 动 基 因 沉 默 载 体 待 发 表:,,,,,,:,,), ，氨 酸 单 加 氧 酶 将 色 氨 酸 转 变 成 生 长 素 前 体 吲 哚 ，挖 掘 更 多 组 织 特 异 性 和 诱 导 型 启 动 子 将 是 ,,,,,乙 酰 胺编 码 产 物 促 成 和 异 戊 烯 基 焦 ,, ,,, ,加 ,,,,，,,。 快 技 术 在 作 物 遗 传 改 良 中 应 用 的 重 要 任 务 磷 酸 盐 的 浓 缩 并 形 成 细 胞 分 裂 素 玉 米 素 ,:,, 。。 一 和 的 研 发 也 加 快 基 因 的 表 达 是 冠 瘿 瘤 形 成 所 必 需 的 用 靶 之 ,,,,:,, ,,,,,,:,, 这 两 个 )，、在与植物互作过 程 中 病 原 真菌可能通过 吸 器 ,,,,了 。基因 沉默技术的应用向,:,, ,,,, 和的 载体 转化拟南芥和 番 茄 植 、线 虫 通 过 口 针 刺 吸 病 毒 通 过 或 分 子 ,, ,:,,,,:, ,:, 进 ，。株 转 基 因 植 物 肿 瘤 形 成 得 到 明 显 的 抑 制 、，入 根 癌 农 杆 菌 通 过 整 合 与 寄 主 植 物 细 胞 ,,:, )植 物 病 毒 病 害 的 抗 性 改 良 ,,,。 进 行核酸类物质的分子交流 这 些 为 进 行 基 ,:,, ,,、,、水 稻 条 纹 叶 枯 病 和 蛋 白 ,,,,,,, ,,,, 。 ，因 沉 默 提 供 了 科 学 基 础 和 依 据 然 而 至 今 尚 不 ,,、水 稻 矮 缩 病 毒 蛋 白 玉 米 矮 花 叶 病 毒,,,,,,,, 清 楚 其 他 病 原 细 菌 与 植 物 间 是 否 存 在 核 酸 分 子 ,,、,,蛋 白 菜豆金黄花叶 病 毒 复 ,,,,,, ,,,,。，的 交 流 对 此 需 要 进 行 深 入 的 研 究 为植物抗细,，制 起 始 因 子 基 因 沉 默抑 制 后 转 基 因 植 株 ,,, 。菌病害 改良提出新的思路 对 技 术 需 要 不 断 地 改 进 和 完善才能得以充 ,:,,,,),,,:。 病 毒 病 抗 性 明 显 提 高。分 的 利 用 需 要 不 断 地 鉴 定 和 发 掘 病 原 物 致 病 因 不 同 编 码 基 因 沉 默 导 致 的 病 毒 抗 性 是 有 明 显 差 、,基 因 植物感病因子基因用作 靶 标 构 建 和 子 ,:,,，。异 的 靶 基 因 的 选 择 至 关 重 要 例 如 编 码 蛋 白 ,,, ，设 计 将 多 个 基 因 定 位 在 一 个 载 体 中 有 效 ,:,,，和 运 动 蛋 白 沉 默 转 基 因 植 株 表 现 高 抗 而 ,,,, ,, 地 降 ，低 病 原 物 变 异 造成的抗病性 丧 失 的 几 率 解 编 码 糖 蛋 白 和 无 结 构 蛋 白 的沉默对抗性没 ,,, ,, ,,,:。决 作 物 持久抗病性的改良问题 。有 影 响 参 考 文 献 ,,病 毒 诱 导 的 基 因 沉 默 常 受 限 于 病 毒 ,,,, 。 ，的 寄 主 范 围 因 此 直 接 喷 洒 原 核 表 达 的 ,, ,,,:,, ,,,,,,, ,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,,,,,,,,,,,，，,,,,,:,,,,,:,,:,,,:,,,,,,,,:,:,,,,,) ,，，也 可 诱 导 植 物 基 因 沉 默 如在接种病毒前 喷 洒 ,,,, ，，，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,: ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:, ,,,,,,辣 椒 轻 斑 驳 病 毒 和 李 痘 疱 病 毒 ,,,:,,,, ,,,,,,) ,,,:,,:,,,,,,:,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,,,,, ,,，，,,::,，，) 的 可 成 功诱导相关基 因 的沉默 产 生 对 病 :,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,,,:,,,,,:,,,,:, ,, ，,,,,,:,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,:,:,,,,,,,,,,,,) ,,毒 。侵 染 的 抗 性 植 物 线 虫 病 害 的 抗 性 改 良 ,,,，，, ,, ,,,,,,,,,::,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,:,:,,,,,,表 达 根 结 线 虫 基 因 序 列 的 烟 草 对 根 ,,,:, ,,,) ,,,,,,, ，，，,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,))。 结 线 虫 的 抗 性 高 达 以 上表 达 线 虫 ,,, ,,,,: ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,:,,,,,, ,,,:,,,,, ,,,,,基 ,,,:,) ,,，，,,:,,:,,,,,,,,,::,,,:,,,,、 因 序 列的拟南芥抑 制 了线 虫虫瘿 的 形 成 ,,,:, ,, ，，，,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,:,,,,,,,,)) ,,,,:, ,,,,,,,,:,,,,,,,,,:,,,:,,,:,:,,,,,,,,,,, ,,,,减 少 了 虫 卵 产 生 转 基 因 植 株 对 其 他 种 线 虫 也 具 ，，,,,,,::,,, ,,,:,,,,,,,,,) ,,,,。有 一 定 的 抗 性 ，，，,, ’,,,,,,,,:,,,,,,,,:,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,),,,,, 结 束 语 ,,,,,,,,:,,,,:, ,,,:,,,,,,,,:,,,, ,,,,,,,,,,,,,,), ,),,,, ,,，，,,:,,,:,,,,,,::,,,,,,,,,,,) ) ,,、基 因 沉 默 技 术 因 其 特 异 性 高 效 性 和 ,:,, 遗 ，传 可 操 作 性 已 经 成 为 当 今 植 物 基 因 功 能 研 究 和 ,, ,,，， ::,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,:,,,,,,,,,::,,,,,,，作 物 遗 传 改 良 的 一 个 重 要 手 段 正 在 迅 速 得 到 广 , ,,:,,,,,,,)。，，泛 的 应 用 近 年 来 随 着 研 发 工 作 的 不 断 深 入 该 ,, ，，,,,,,,,:,,,, ,,,,, ,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,。到 了 极 大 的 提 高 和 完 善 例 如 利 用 组 织 特 异 性 和 诱技 术 得 ，，,,,，，,,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,:, :,,,,,,::,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,:,,::,,,:,,,,,,,,,,,,),, ，，，,,,::,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,, ) , ) ,, ，，，,,, ,,,,,,,,,, ,,, :,,,,,, ,,:,,:,,, ,,,,, ,,,:,, ,, ,,,,,,,,:,,,,, ,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,) , ,,，，,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,, ,,,,,,:,,,,,),) ) ,,,,,,,,,,,,,,:,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,:,:,,,,,:,,,,,,,， ， ,,, :, ,,:, :,,, ,,,, ,,, ,,,,:::,:,, ，,,，， ,,,,,:,,, , ,,,,,,:,:, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,:,,) ,,:,,,,:,,,) ,,,,,,,,:,,:,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,,,) ,,,,,，，，,,,,,,,,, ,:,,,,,,, ,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,，，,,,,:,,,,,,,,:,,,:, :,,, ,,,, ,,, , , ,,::,,, ,,,,,, ,:,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,:,,,,,,) ,,:,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,:,,,,,,, ,,,,,,,,，，，,,,,,,,,:,,:,,,:,:,,,,,,,,,,:,,,,:,,,,,,,,,,, :,,,,,,,,,) ，，,,,,,,,::,,,,,,,,:,,:,,, ,,,,,,,,,,: ,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,:, ,,,, ，,,,,,,,,,, ,,,,,,,,:,,,,,:,,,,,,,,,,,,:,,:,,,, ) 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