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擬南芥
鎖定
擬南芥植物學史
擬南芥的名稱在過去幾百年內的變化,反映了植物命名規則的演變。1577年,德國醫生約翰內斯·塔爾(Johannes Thal)首次在德國北部哈茨山脈(Harz)的茂密森林裏發現並描述了這種植物。卡爾·林奈將之命名為Arabis thaliana,Arabis代表南芥屬,種加詞thaliana是紀念塔爾。此後在1842年,德國植物學家古斯塔夫·海因霍爾德(Gustav Heynhold)將之納入一個新劃定的屬——南芥屬(Arabidopsis),這個名字取自希臘語,意為“類似南芥”。
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1907年,德國科學家弗里德里希·萊巴赫(Friedrich Laibach)正確地觀察到,這種植物有五條染色體(其他人都計算錯了,説只有三條)。這是當時已知植物染色體數量中最小的奇數。儘管有這一發現,萊巴赫仍對擬南芥感到失望,因為其細胞的基因含量很小,而他則想找到具有更多染色體的植物進行研究。所以,在後來的30年裏,他把注意力轉移到了別處,直到1937年才又回過頭來研究擬南芥。
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1943年,萊巴赫提出,基於擬南芥的生長速度快(從發芽到結籽只需六週),易於雜交和變異,因而將之作為研究開花植物的模式生物。1945年,他的學生埃爾娜·賴因霍爾茨(Erna Reinholz)在博士論文中描述了自己培育出的擬南芥突變體。她利用了X射線誘變技術(這在當時帶有科幻小説的意味),即通過將植物暴露在X射線下改變其細胞中的遺傳物質,從而產生突變。
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賴因霍爾茨製造的突變體包括將早開花植物改造成晚開花植物。這是一個人類改變基因的開拓性例子,後來則發展為製造轉基因作物。不尋常的是,賴因霍爾茨的論文竟是由美國軍方促成傳播並全文公開發表的。因為他們當時正在尋找德國製造原子彈的證據,該論文標題中的“倫琴射線突變”字樣引起了美國情報分析人員的注意。
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在20世紀五六十年代,遺傳學家約翰·蘭格里奇(JohnLangridge)和喬治·雷代伊(George Redei)的工作進一步提升了擬南芥作為模式植物的地位,它打敗了數名競爭對手,包括矮牽牛和番茄等。不過,擬南芥能在植物遺傳研究中獲得領銜地位,扮演着類似於老鼠和果蠅在動物研究中的角色,是有多種原因的。
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20世紀80年代的科研發展進一步確立了擬南芥為模式生物的地位。擬南芥基因序列的第一個片段測序完成三年之後,1983年,科學家們首次發表了該植物的詳細基因圖譜。80年代後期的實驗表明,擬南芥特別適合進行轉基因實驗,具體做法是利用一種經改造的細菌——根瘤農桿菌(Agrobacterium tumefaciens)。先對這種天然土壤細菌進行基因改造,使之攜帶特定的DNA,然後讓植物感染上這種細菌,這樣一來,植物就把這種特定的DNA帶進自己的基因組裏了。1989年,含有一個突變基因的DNA片段首次成功完成轉移,有了這種技術,植物基因的改造變得更加容易掌控了。
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擬南芥形態特徵
擬南芥(3張)
花序為疏鬆的總狀花序,結果時可伸長達20釐米;萼片長圓卵形,長約1.5毫米,頂端鈍、外輪的基部成囊狀,外面無毛或有少數單毛;花瓣白色,長圓條形,長2-3毫米,先端鈍圓,基部線形。角果長10-14毫米,寬不到1毫米,果瓣兩端鈍或鈍圓,有1中脈與稀疏的網狀脈,多為桔黃色或淡紫色;果梗伸展,長3-6毫米。種子每室1行,種子卵形、小、紅褐色。花期4-6月。
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擬南芥近種區別
擬南芥 | |
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一年生草本。 | 二年或多年生草本。 |
擬南芥生長環境
擬南芥生於平地、山坡、河邊、路邊。
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擬南芥的三種生態型擬南芥的生長受温度、濕度、光照等影響,其生長的理想温度範圍是16-25℃,最適生長温度是22-23℃;環境濕度在25-75%時生長正常,濕度過高(超過90%)會導致不育;擬南芥培養的光照時間一般為8-24小時,在短光照週期(小於12小時)條件下,偏向於營養生長,在長光照週期(12小時以上)下,則有利於擬南芥轉向生殖生長。對很多擬南芥生態型而言,播種後在4℃低温條件下處理幾天有利於種子打破休眠,將擬南芥幼苗放在4℃低温條件下處理幾周也有利於植株的開花,在幼苗長大之前可通過覆蓋保鮮膜的方法來增加濕度一定程度上也有利於擬南芥生長。
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擬南芥分佈範圍
擬南芥生長習性
擬南芥種子萌發後,莖端分生組織陸續產生蓮座葉,節間極短,在蓮座葉發育過程中,葉的大小、形狀和排列逐漸發生變化,葉形狀發生變化最早出現,第一個蓮座葉是小的圓形葉,交叉葉序。後期形成的葉大而且呈勺形,螺旋葉序。在長日週期下,Ws和Ler生態形圓形葉向勺形葉的轉變是在第四個蓮座節形成之後發生的。一般認為,葉形狀和葉序的變化可能標誌着從幼年期向成年期的轉變。這種轉變是與頂端分生組織獲得對成花刺激信號感受能力相聯繫的。因此Haughn等(1995)又將蓮座期分為早期蓮座和後期蓮座。蓮座期的腋生分生組織處於休眠狀態。
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頂端分生組織伸長後形成花序,早期花序上着生葉(稱為莖生葉或托葉),呈披針形,與後期蓮座葉形態相近,托葉葉腋處發育出二級花序。頂端伸長一般發生在第一個花芽形成之後,因此早期花序可以被看成是營養生長期的一部分。在形成幾個產生二級花序的節之後,主莖側生分生組織直接形成單花,無托葉,稱為後期花序。主花序無限生長,直至衰老。這樣就構成了擬南芥的總狀花序。
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擬南芥繁殖方法
擬南芥培養方法大致可以分為三種:第一種是直接把種子播種在土壤中(直播土培法);第二種是先將種子播在無菌培養基上,再將幼苗移栽到土壤中(移栽法);第三種則是直接將擬南芥種子播種在裝有營養液的培養盒中(直播水培法)。
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- 直播土培法
按土壤性質可分為蛭石法和蛭石營養土混合培養法。蛭石法只用蛭石作為培養介質,蛭石的特性是質地疏鬆,通氣性好,有利於小苗生根。但是由於其本身沒有營養成分,蓄水能力不強,需要經常補充澆灌營養液,而且蛭石輕鬆,易於被水沖走,導致根部露出土面,影響小苗的生長,所以這種培養方法在擬南芥一般培養實驗中不常用。蛭石營養土混合培養法是將蛭石與營養土按一定比例混合後作為培養介質,然後再直接將種子播種在裏邊,這樣營養土可以為擬南芥植株的生長提供營養成分,蛭石可以起到疏鬆土壤的作用,這是擬南芥一般培養使用最多的方法。
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- 移栽法
先將擬南芥種子表面消毒,然後播種在MS固體培養基上,待幼苗長到一定大小後,再移栽到培養土中正常培養生長,這種培養方法可以在移栽時挑選長勢相同的植株,有助於提高後續實驗的準確度。但是幼苗在移栽後需要對生長環境進行重新適應,而且幼苗比較脆弱,在移栽過程中很容易會對幼苗造成傷害,移栽後也需要精心呵護,因此對操作者的要求較高。這種方法常用於擬南芥種子萌發與篩選實驗中。
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- 直播水培法
擬南芥栽培技術
擬南芥温室生長
播種和發芽
擬南芥(4張)
將播有種子的容器移至低温或相應低温條件下,在2-4℃下放置2-4天,從而於吸脹條件下破除種子休眠,這對新鮮收穫的擬南芥種子尤為必要。對大多數擬南芥品系來説其種子是中度休眠的,收穫已久的這類生態型的擬南芥種子可免於低温處理,而有些生態型甚至需長達7天的低温處理。幹種子的低温處理往往是無效的。
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低温處理後,將盆移至温室或生長室,在22℃左右發芽,夜温可比日温低2℃,用2000勒克斯的熒光燈給予光照,光週期為18小時光/6小時暗(也可24小時光照),在5天左右可見擬南芥發芽。擬南芥發芽需光,故防止種子被土覆蓋。
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生長髮育條件的控制
擬南芥一般是冬性一年生植物,自然條件下種子在秋天發芽,幼年期度過冬天,花分生組織在春季分化,種子在夏季成熟脱落。大多數實驗室栽植的擬南芥品種在發芽後4周開花,而在4-6周後採集種子。不同擬南芥生態型其發育進程快慢、開花時間早晚、何時成熟等除了取決於遺傳性以外,也受外界環境條件的影響。
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光:光對擬南芥生長的影響涉及光強和光週期兩個方面。以光強度説,在生長室中一般最適光的光強度為120-150μmol/(㎡·s),這可通過熒光燈,配以白熾光來達到。在夏天温室中,60%蔭影有助於光強控制和温度調節,高光強或直接太陽光照射對較老植株可以忍受,而年幼植株避免強光。擬南芥在連續照光和長日下開花加快,短日時開花被阻遏或延遲,這表明擬南芥開花需要長日照光週期,一般至少12小時的光照。在冬季温室中可補充早晚的光照,以滿足光週期需要,一般給以16小時光照,8小時暗期為宜。連續光照可促進生殖循環,略微提早開花,但使葉數減少及降低種生成,而較短日照有利於營養生長。
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温度:最適生長温度為25℃左右,稍低的温度也是允許的。當水分供應充足時,植物甚至能在高達34℃時生長,但會減少受精。較老的植物能忍受高温,但保持25℃對整個生長週期是有利的。當種子形成時,生長室温度宜設定在25℃,而温室温度宜在23℃,夜温可比日温低2-4℃為宜。對於許多遲開花的擬南芥生態型來説,幼苗期要給以4℃左右處理一個時期(如幾周),以完成春化作用,從而在長日下促進開花。而對於常用的擬南芥生態型Landsbergerecta和Columbia則不需作春化處理就能開花。必須注意這裏的低温春化處理是不同於播種時破除休眠的低温處理,破除休眠的低温處理又稱層積處理(stratification)。
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水分:在種子發芽後的頭幾周裏,理想的供水是來自毛細管由下至上的滲水,只有當土壤呈現乾旱時適時灌溉。過量供水會引起土表藻類和真菌的生長。在擬南芥頭兩片真葉開始伸展之前必須避免乾旱,當真葉長出後,灌水頻率可相應減少,如每週一或兩次,而至長角果充實階段必須保證水分供應,以利於種子形成。澆水時最好待90%左右的穴盤或花盆完全乾燥之後進行。不僅土壤供水狀況影響到擬南芥的生長髮育,而且濕度也會影響水分供給。雖然濕度的增加(如50%-60%)會大大減少土表乾旱的影響以及發芽着的幼苗脱水危害,但一般説來擬南芥植株,包括幼苗都能忍受低濕度,處在蓮座狀階段的植株可在不同濕度下生長,當長角果進入成熟階段時,較低濕度(如<50%)是有利的。
[3]
營養:正常情況下只要配置合適的土壤混合物,並非必須供給營養物質,但是貧瘠的營養狀況會降低植株高度,使它提早開花,並使種子着生減少。在生長髮育的後期階段補充營養物質將會增加種子着生,併產生較健壯的植株。當植株呈現出輕微淡綠色時,表明營養供給不足,則應立即施以營養物質,正常健壯的擬南芥植株是亮暗綠色的。
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防止雜交:擬南芥是自交授粉的,為了保持擬南芥品系的純化,必須防止温室或生長室中各品系之間的雜交。為此可根據各自實驗室條件進行設置。例如,保持生長環境的清潔,從而防止經昆蟲載體而導致的雜交機會。栽植時注意各品系種植之間的距離(如20釐米),從而防止來自不同品系的花互相接觸。在長成植株後,可採取適當措施,防止植株倒伏,以致互相接觸。
[3]
擬南芥無菌培養
有利於突變體篩選,突變體篩選是遺傳和分子研究中十分重要的手段,用無菌培養來篩選突變體有許多有利之處。首先,對大量擬南芥誘變處理的種子很容易進行生活力記錄。其次,生長在培養皿中的植物可在人工控制的條件下穩定生長,以致使實驗設計得以實現,這種突變體篩選方法十分類似於微生物突變體篩選的操作。例如對一些特殊化合物、除草劑、生長調節劑的敏感性可在同一野生型生長阻遏的背景下進行篩選,而如果在土壤條件下對這些化合物進行測試,則很難達到一致的生長條件,會受到各種因素影響。再次,無菌培養下培養皿中的篩選還可在下一代同樣條件下重新測試和進行遺傳分析。
在分子水平分析時,常需經基因工程的方法取得轉基因植物,而轉基因植物獲得過程中,常採用抗生素篩選等手段,這就必須將抗生素置於培養基中,在無菌條件下,使轉化有外源基因的個體存活,而淘汰未轉化的組織。
[3]
無菌培養的培養基組成
最普遍的培養基是1倍或0.5倍濃度MS培養基,其中加入瓊脂達0.6-0.8%的濃度,可另加蔗糖至0-3%。也有實驗採用Gamborg B5培養基。以下列出一種培養基配方:
培養基組成 | 最終濃度 |
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MS基本培養基鹽類 | 4.4毫克/毫升 |
蔗糖 | 10毫克/毫升 |
肌醇 | 100微克/毫升 |
硫胺素 | 1.0微克/毫升 |
吡哆醇 | 0.5微克/毫升 |
煙酸 | 0.5微克/毫升 |
MES[2-(N-嗎啉代)乙磺酸] | 0.5毫克/毫升 |
在上述配製溶液中,加入1摩爾/升氫氧化鉀調pH至5.7,在加入適量瓊脂或蔗糖後,滅菌,貯存。當需鋪平板時,將貯藏培養基置於微波爐中熔化,即可將其倒至培養皿中。0.8%瓊脂濃度有利於在不傷根的情況下取出培養的小植株,並移植至土壤。蔗糖用作碳源,有利幼苗茁壯生長,但對只需短時間發芽生長的處理可免去蔗糖成分。
[3]
種子滅菌和播種
種子表面滅菌可採用漂白劑、乙醇等,另可附加SDS,TritonX-100等。例如,將擬南芥種子用含0.001-0.2%SDS的50%漂白劑處理10微分鐘,或者將種子在50%乙醇中浸潤1微分鐘再用漂白粉處理。其中SDS也可用0.1%TritonX-100代替,最終用無菌水淋洗晾乾。如果滅菌過程不採用漂白粉,可將種子在50%乙醇和0.5%Triton中放置3微分鐘,再用95%乙醇淋洗,並令其快速風乾。
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擬南芥病蟲防治
作為模式植物栽培時,為了使植株正常生長,培養出有代表性的羣體以及潛在的新突變體在早期篩選過程中不致因病蟲害侵襲而使表型丟失,因此必須注意病蟲害防治。只要採取適當的措施,温室或生長室的病蟲害是可以預防的。病蟲害可能來自土壤,種子或操作人員本身。防治的原則應以防為主,殺滅為輔。最積極的措施是保持培養環境的清潔。
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擬南芥蟲害
擬南芥病害
擬南芥主要價值
擬南芥藥用
擬南芥科研
擬南芥是進行遺傳學研究的好材料,被科學家譽為“植物中的果蠅”。
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擬南芥由於其本身的優點(基因組小,重複序列少;生活週期短,植株體積小;易無菌培養轉化;易誘發突變;花特徵明顯等)被廣泛用於分子遺傳學研究。它也成為研究植物成花轉變遺傳基礎的模式植物。
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首先,擬南芥生長的地理範圍廣,種類多樣,非常有利於研究植物適應環境的問題。其次,它生長的速度很快。第三,由於它小巧,非常適合在實驗室條件下培育。此外,從技術層面上説,由於擬南芥的幼苗和根部相對透明,易於進行活細胞顯像,適合做顯微鏡分析。
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擬南芥太空實驗
2022年11月29日23時08分,神舟十五號載人飛船成功發射。此次任務中,中國科學院分子植物科學卓越創新中心蔡偉明研究團隊,採用模式植物擬南芥作為空間實驗材料,承擔了“空間微重力環境調控植物細胞結構和功能的分子網絡研究”項目。目前已收到空間站發回的微重力環境中生長的擬南芥圖像。
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北京時間2022年12月4日20時09分,神舟十四號載人飛船返回艙在東風着陸場成功着陸,帶回國際首次在軌獲得的水稻和擬南芥種子。
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擬南芥樣品一部分已做固定處理,科學家將對返回樣品進行分子生物學、細胞學和代謝等相關分析,通過檢測及分析研究,解析空間微重力對於擬南芥和水稻作用的規律和分子基礎,為進一步創制適應空間環境的作物和開發利用空間微重力環境資源提供理論依據。
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- 參考資料
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- 4. 科學家解碼問天實驗艙內植物生長奧秘 .科技.2022-12-03
- 5. “神十四”帶回國際首次在軌獲得的水稻種子 .文匯報[引用日期2022-12-05]
- 6. 國際首次!中國空間站種出的水稻種子回家了!長這樣→ .未來網.2022-12-05[引用日期2022-12-05]
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- 收起