时间：2023-08-02 16:30:13
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学生做好这一模块的题目，就需要从四个方面入手。即如何切入，何为重点，何为难点，如何改进。
关键词：基因工程；复习；切入点；重难点；改进和调整
中图分类号：G633.91 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2016）08-0005
在过去三年的江苏高考卷中连续出现了三道基因工程方面的题目，而且分值较高。这就不禁让笔者有理由推测明年的高考卷中势必还会出现这种类型的题目，所以笔者在复习这一模块时，特别总结了相关注意事项，并思考如何才能让学生理清思路、游刃有余地把这一模块的题做好。过去三年出的三道题目很类似，都是提供几种限制酶识别序列及切割位点图和转基因操作流程图，考查的重点问题都是限制酶对质粒和目的基因的识别与切割，以及切割后的重组问题，即目的基因的获取和表达、载体的构建。那么，我们的学生要想做好这种题目，还需要形成哪些方面的认识呢？笔者认为在复习时应该从以下四个方面入手：
一、以肺炎双球菌转化实验为复习的切入点
复习前先带学生重新认知该实验的过程，复习巩固生物之间的自然的基因转接过程。从学习角度分析，借助学生所熟知的原型，可以启发、引导以实现温故而知新。这个实验是一个很好的认知原型，让学生能够感悟到大自然的鬼斧神工造就了自然发生的重组DNA，那我们人为地也可以改变，即我们的基因工程。基因工程的操作程序主要包括四个步骤：目的基因的获取，基因的表达与载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。其中，获取目的基因和基因表达与载体的构建是整个工程的核心技术。这一技术涉及许多知识点，如DNA的结构、DNA的复制、限制酶和DNA连接酶及DNA作用与特性、基因的表达、载体的结构组成和作用等。因此，命题者可以从多个角度考查学生对这一系列知识的整体掌握程度及相关的能力。前几年的题目都分别考查了不同的限制酶切割目的基因和质粒后可得到重组质粒的种类、目的基因导入质粒后对质粒结构和功能的影响、DNA水解酶、毒素蛋白与受体细胞中受体间的特异性结合、转基因植物栽培中降低害虫种群抗性基因频率增长速率的措施等问题。基因工程内容重要，基础性知识要求较高，涉及的知识和技术多，同一个问题还可以从不同的角度设置问题，笔者认为，教师在教学中、学生在学习中仍然要格外重视这部分内容。
二、基因工程是现代生物技术的核心内容
高中生物选修内容包括选修一《生物技术实践》、选修二《生物科学与社会》、选修三《现代生物科技专题》。其中，选修三选择了现代生物技术中深刻影响着人类社会的生活、生产和发展的四大工程：基因工程、细胞工程、胚胎工程、生态工程。由于基因工程是现代生物技术的核心内容，所以显得尤为重要。因此，我们在给学生复习的时候要特别重视基因工程的复习，但在复习方法上要侧重理论与原理，注重理解和应用，注重与必修内容、社会热点、生物科技发展的最新成果的联系，注重这些技术在农业、工业以及在医疗卫生事业上的应用，努力用已学的原理和技术去分析理解并解决其中的一些实际问题。复习的深度不宜过深，在操作技术上至少要求一般性了解，不宜过细。另外，微观的技术要注意采用模拟操作的方法加强理解，宏观的技术要尽可能走进工厂或研究所参观学习，加强直观理解，实在没有条件的学校，要想办法找一些视频或录像反复地观看。只有做到理解，才能达到真正掌握和应用。笔者认为，学生之所以一直感到这部分内容难，主要原因就在于他们缺乏这一学习过程，而是局限于看书和记忆。所以，我们在复习这部分内容时一定要将这个过程给他们补上。
三、对双基的掌握和分析、解决问题的能力是复习的重难点
近几年的生物高考命题指导思想都强调以能力测试为指导，重点考查对基础知识和基本技能的整体掌握程度，力求引导中学全面实施素质教育。这一指导思想通过近几年的高考实践已经得到充分的证明，也就是要求学生全面掌握《生物课程标准》和考试大纲规定的基础知识和基本技能。这种整体掌握不但体现在必修和选修上，还体现在要求考生能在相对简单的情境中综合运用进行分析、判断、推理和评价。这一指导思想表现在试题上为：知识覆盖率高，注重基础知识和基本技能，重点内容、主干知识的考查出现频率高且相对稳定，试题的学科内、专题内和专题间综合性强。那么，像基因工程这么重要的知识在近三年高考题中连续出现的现象就不足为奇了。事实上像遗传规律的应用、人类遗传系谱图的分析、免疫、生态等内容也是连年考，但设置的问题和考查的角度不完全相同。这一指导思想要求我们学生既应踏踏实实地、全面系统地、重点突出地掌握基础知识和基本技能，也要能从不同的角度去理解知识，要能挖掘知识之间的区别和联系，并在不同的情境中运用知识。
笔者根据课标要求，结合考纲和近年高考考点将近年基因工程考点总结如下。
一、 基因工程的基础知识
基因工程的理论铺垫――分子生物学发展：
① 艾弗里证明了DNA是遗传物质。
② 沃森和克里克证明了DNA双螺旋结构。
③ 尼仑贝格破译了遗传密码。
二、 酶切
基因工程选择限制性内切酶作为工具，主要是因为它具有比一般酶更高的专一性。由于其具有较高的专一性，因此在基因工程的具体操作中如何选择限制性内切酶是高考的重点考察内容。
1. 限制酶的特异性
例1 判断用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸是否可行？_____。
答案 不可行
解析 限制酶的专一性非常强，其特异性表现在三个方面：识别DNA、识别特定序列（回文）、切割特定位点磷酸二酯键。由于烟草花叶病毒是RNA病毒，所以限制酶不能识别RNA。
另外要特别注意限制酶切割以后的结果，磷酸二酯键断裂，暴露出新的磷酸基团。
2. 限制酶的选择
正确选择限制酶是基因工程中一件非常重要的任务。限制酶的选择应当遵循以下一些原则：不破坏目的基因；不破坏标记基因；目的基因和运载体上都有限制酶的切割位点。当然也要注意用一种限制酶和两种限制酶切割的区别。
例2 与只使用EcoR I相比较，使用BamH Ⅰ和Hind Ⅲ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA的优点在于可以防止_________
______________________。
答案 质粒和含目的基因的外源DN段自身环化
解析 基因工程中目的基因和质粒可以用同一种酶切，也可以用两种酶切，若用一种酶切，质粒只要切一个切口，目的基因需要切两个切口；若用两种酶切，质粒要切两个切口，目的基因也需要切两个切口。一种酶切出的4个切口都相同，所以有多种连法，两种酶切出的质粒和目的基因上的4个切口两两相同，因此可以防止自身环化。
3. 同尾酶
限制酶种类多样，一些酶之间关系特殊，如例3中的酶I和酶Ⅱ识别不同的序列，但能切出相同的黏性末端，它们切出的末端可以连接，被称为同尾酶。
例3 已知限制酶I的识别序列和切点是―GGATCC―，限制酶Ⅱ的识别序列和切点是―GATC―。根据下图示判断下列操作正确的是（ ）
A. 质粒用限制酶Ⅰ切割，目的基因用限制酶Ⅱ切割
B. 质粒用限制酶Ⅱ切割，目的基因用限制酶Ⅰ切割
C. 目的基因和质粒均用限制酶Ⅰ切割
D. 目的基因和质粒均用限制酶Ⅱ切割
答案 A
三、 连接
1. 连接物类型
经过限制酶切割过以后，暴露出的相同的黏性末端可以自动连接，考生同时需要考虑：酶切以后暴露的所有的黏性末端；目的基因两端的两个黏性末端；目的基因所在DNA上其他片段所含的黏性末端；质粒上的两个黏性末端。综合以上结论，连接产物的类型可能就比较多，如目的基因-目的基因连接物、目的基因-运载体连接物、运载体-运载体连接物、其他DN段-运载体连接物、目的基因自连、运载体自连，若用同一种酶切时后两种连接物不存在。
2. 连接酶
下表简要总结了基因工程中常见酶的特性差异。
例 PCR反应体系中含有热稳定DNA聚合酶，下面的表达式不能正确反映DNA聚合酶的功能，这是因为_____________
___________________。
答案 DNA聚合酶只能将单核苷酸连接到双链DN段的引物链上
解析 如上表所示，DNA聚合酶的合成需要引物，那么连接酶能否催化以上反应呢？也不能，因为连接酶必须将两段DNA相连。RNA聚合酶能否催化以上反应呢？也不能，因为RNA聚合酶虽然不要引物，但其不能催化T参与反应，只能利用U。虽然这些酶都是催化磷酸二酯键，但它们作用的底物差异较大，所以一定要注意辨析。
以上主要介绍了基因工程的三种操作工具，这些内容当然是高考的重点和热点。除此之外有些内容也应当给予一定关注，如：目的基因的获取；目的基因的扩增（PCR）；土壤农杆菌介导的目的基因的导入；重组质粒的筛选；目的基因的检测；转基因生物的安全性；转基因生物的利用等问题。
巩固训练
1. 目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉，以下说法正确的是
（ ）
A. 标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因
B. 抗虫基因导入棉花叶肉细胞后，可通过传粉、受精的方法，使抗虫性状遗传下去
C. 苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因与质粒结合后直接进入棉花的叶肉细胞表达
D. 转基因抗虫棉经过种植，棉铃虫不会产生抗性，这样可以有效消灭棉铃虫
2. 下图四种质粒含有E1和E2两种限制酶的识别，Apr表示抗青霉素的抗性基因，Tcr表示抗四环素的抗性基因。
（1） 将两端用E1切开的Tcr基因与用E1切开的质粒X-1混合连接，连接后获得的质粒类型有______。（可多选）
A. X-1 B. X-2
C. X-3 D. X-4
（2） 若将上图所示X-1、X-2、X-3、X-4四种质粒导入大肠杆菌，然后分别涂布在含有青霉素或四环素的两种培养基上。在这两种培养上均不能生长的大肠杆菌细胞类型有____________、____________。
（3） 如果X-1用E1酶切，产生850对碱基和3 550对碱基两种片段：那么质粒X-2（Tcr基因的长度为1 200对碱基）用E2酶切后的片段长度为______对碱基。
（4） 若将外源的Tcr基因两端用E2切开，再与用E2切开的X-1混合连接，并导入大肠杆菌细胞，结果显示，含X-4的细胞数与含X-1的细胞数之比为13，增大DNA连接酶用量能否提高上述比值？______。原因是________
________________________。
3. 下表中列出了几种限制酶识别序列及其切割位点，图1、图2中箭头表示相关限制酶的酶切位点，图l中Cmlr表示氯霉素抗性基因，Ner表示新霉素抗性基因。请回答下列问题：
（1） 将提取的质粒与外源DNA分别加入缓冲液中，选用相应的限制酶处理时，影响处理效果的外界因素主要是______等（写出两点）。
（2） 用图中的质粒和外源DNA构建重组质粒时，能否使用MspⅠ与BamHⅠ同时切割质粒与外源DNA？答：______，原因是______
___________________________。
（3） 可选用______（两种）限制酶同时酶切质粒与外源DNA，酶切并连接后可获得______种含目的基因的重组质粒，筛选含有该重组质粒的大肠杆菌时，需要在含______的培养基上培养。
（4） 为了从基因文库中分离获取T2噬菌体抗性基因，将重组质粒导入对T2噬菌体敏感的大肠杆菌，然后将含有该大肠杆菌的菌液分别接种在预先涂有______的培养基上培养，从而初步检测目的基因的表达。
答案
1. A 2. （1） ABC
（2） 无质粒细胞 含X-3的细胞
（3） 4 750
（4） 不能 DNA连接酶对DN段没有选择性或者DNA末端相同
3. （1） 温度、pH
（2） 不能 MspⅠ会切割质粒上的两个标记基因，而BamHⅠ会切割破坏目的基因
关键词:生物技术;基因工程;细胞工程
现代生物技术的迅猛发展,成就非凡,推动着科学的进步,促进着经济的发展,改变着人类的生活与思维,影响着人类社会的发展进程。现代生物技术的成果越来越广泛地应用于医药、食品、能源、化工、轻工和环境保护等诸多领域。生物技术是21世纪高新技术革命的核心内容,具有巨大的经济效益及潜在的生产力。专家预测,到2010～2020年,生物技术产业将逐步成为世界经济体系的支柱产业之一。生物技术是以生命科学为基础,利用生物机体、生物系统创造新物种,并与工程原理相结合加工生产生物制品的综合性科学技术。现代生物技术则包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等领域。在我国的食品工业中,生物技术工业化产品占有相当大的比重;近年,酒类和新型发酵产品以及酿造产品的产值占食品工业总产值的17%。现代生物技术在食品发酵领域中有广阔市场和发展前景,本文主要阐述现代生物技术在食品发酵生产中的应用。
一、基因工程技术在食品发酵生产中的应用
基因工程技术是现代生物技术的核心内容,采用类似工程设计的方法,按照人类的特殊需要将具有遗传性的目的基因在离体条件下进行剪切、组合、拼接,再将人工重组的基因通过载体导入受体细胞,进行无性繁殖,并使目的基因在受体细胞中高速表达,产生出人类所需要的产品或组建成新的生物类型。
发酵工业的关键是优良菌株的获取,除选用常用的诱变、杂交和原生质体融合等传统方法外,还可与基因工程结合,进行改造生产菌种。
(一)改良面包酵母菌的性能
面包酵母是最早采用基因工程改造的食品微生物。将优良酶基因转入面包酵母菌中后,其含有的麦芽糖透性酶及麦芽糖的含量比普通面包酵母显著提高,面包加工中产生二氧化碳气体量提高,应用改良后的酵母菌种可生产出膨润松软的面包。
(二)改良酿酒酵母菌的性能
利用基因工程技术培育出新的酿酒酵母菌株,用以改进传统的酿酒工艺,并使之多样化。采用基因工程技术将大麦中的淀粉酶基因转入啤酒酵母中后,即可直接利用淀粉发酵,使生产流程缩短,工序简化,革新啤酒生产工艺。目前,已成功地选育出分解β-葡聚糖和分解糊精的啤酒酵母菌株、嗜杀啤酒酵母菌株,提高生香物质含量的啤酒酵母菌株。
(三)改良乳酸菌发酵剂的性能
乳酸菌是一类能代谢产生乳酸,降低发酵产品pH值的一类微生物。乳酸菌基因表达系统分为组成型表达和受控表达两种类型,其中受控表达系统包括糖诱导系统、Nisin诱导系统、pH诱导系统和噬菌体衍生系统。相对于乳酸乳球菌和嗜热链球菌而言,德氏乳杆菌的基因研究比较缺乏,但是已经发现质粒pN42和PJBL2用于构建德氏乳杆菌的克隆载体。有研究发现乳酸菌基因突变有2种方法:第一种方法涉及(同源或异源的)可独立复制的转座子,第二种方法是依赖于克隆的基因组DN断和染色体上的同源部位的重组整合而获得。通过基因工程得到的乳酸菌发酵剂具有优良的发酵性能,产双乙酰能力、蛋白水解能力、胞外多糖的稳定形成能力、抗杂菌和病原菌的能力较强。
二、细胞工程技术在食品发酵生产中的应用
细胞工程是生物工程主要组成之一,出现于20世纪70年代末至80年代初,是在细胞水平上改变细胞的遗传特性或通过大规模细胞培养以获得人们所需物质的技术过程。细胞工程主要有细胞培养、细胞融合及细胞代谢物的生产等。细胞融合是在外力(诱导剂或促融剂)作用下,使两个或两个以上的异源(种、属间)细胞或原生质体相互接触,从而发生膜融合、胞质融合和核融合并形成杂种细胞的现象。细胞融合技术是一种改良微生物发酵菌种的有效方法,主要用于改良微生物菌种特性、提高目的产物的产量、使菌种获得新的性状、合成新产物等。与基因工程技术结合,使对遗传物质进一步修饰提供了多样的可能性。例如日本味之素公司应用细胞融合技术使产生氨基酸的短杆菌杂交,获得比原产量高3倍的赖氨酸产生菌和苏氨酸高产新菌株。酿酒酵母和糖化酵母的种间杂交,分离子后代中个别菌株具有糖化和发酵的双重能力。日本国税厅酿造试验所用该技术获得了优良的高性能谢利酵母来酿制西班牙谢利白葡萄酒获得了成功。目前,微生物细胞融合的对象已扩展到酵母、霉菌、细菌、放线菌等多种微生物的种间以至属间,不断培育出用于各种领域的新菌种。
三、酶工程技术在食品发酵生产中的应用
酶是活细胞产生的具有高效催化功能、高度专一性和高度受控性的一类特殊生物催化剂。酶工程是现代生物技术的一个重要组成部分,酶工程又称酶反应技术,是在一定的生物反应器内,利用生物酶作为催化剂,使某些物质定向转化的工艺技术,包括酶的研制与生产,酶和细胞或细胞器的固定化技术,酶分子的修饰改造,以及生物传感器等。酶工程技术在发酵生产中主要用于两个方面,一是用酶技术处理发酵原料,有利于发酵过程的进行。如啤酒酿制过程,主要原料麦芽的质量欠佳或大麦、大米等辅助原料使用量较大时,会造成淀粉酶、俘一葡聚糖酶、纤维素酶的活力不足,使糖化不充分、蛋白质降解不足,从而减慢发酵速度,影响啤酒的风味和收率。使用微生物淀粉酶、蛋白酶、一葡聚糖酶等制剂,可补充麦芽中酶活力不足的缺陷,提高麦汁的可发酵度和麦汁糖化的组分,缩短糖化时间,减少麦皮中色素、单宁等不良杂质在糖化过程中浸出,从而降低麦汁色泽。二是用酶来处理发酵菌种的代谢产物,缩短发酵过程,促进发酵风味的形成。啤酒中的双乙酰是影响啤酒风味的主要因素,是判断啤酒成熟的主要指标。当啤酒中双乙酰的浓度超过阈值时,就会产生一种不愉快的馊酸味。双乙酰是由酵母繁殖时生成的α-乙酰乳酸和α-乙酰羟基丁酸氧化脱羧而成的,一般在啤酒发酵后期还原双乙酰需要约5～10d的时间。崔进梅等报道,发酵罐中加入α-乙酰乳酸脱羧酶能催化α-乙酰乳酸直接形成羧基丁酮,可缩短发酵周期,减少双乙酰含量。
四、小结
在食品发酵生产中应用生物技术可以提高发酵剂的性能,缩短发酵周期,丰富发酵制品的种类。不仅提高了产品档次和附加值,生产出符合不同消费者需要的保健制品,而且在有利于加速食品加工业的发展。随着生化技术的日益发展,相信会开发出更多物美价廉的发酵制品,使生物加工技术在食品发酵工业中的应用更加广泛。
参考文献
[1]赵志华,岳田利等.现代生物技术在乳品工业中的应用研究[J].生物技术通报.2006,04:78-80.
[2]王春荣,王兴国等.现代生物技术与食品工业[J].山东食品科技.2004,07:31.
[3]徐成勇,郭本恒等.酸奶发酵剂和乳酸菌生物技术育种[J].中国生物工程杂志.2004,(7):27.
叶绿体作为植物中与光合作用直接相连的重要细胞器,其基因组的功能也因此扮演着十分重要的角色。1882年straburger观察到藻类叶绿体能分裂并进入子代细胞;1909年baur和correns通过在3种枝条颜色不同的紫茉莉间杂交得出,质体是母本遗传的。人们便开始对叶绿体遗传方面产生了浓厚的兴趣[1]。1988年boynton等首次用野生型叶绿体dna转化了单细胞生物衣藻突变体(atpb基因突变体),使其完全恢复光合作用能力,标志着叶绿体基因工程的诞生[2]。叶绿体基因工程作为一种很具有发展前景的植物转基因技术,在植物新陈代谢、抗虫性、抗病性、抗旱性、遗传育种等方面都将有着越来越重要的意义。
1叶绿体基因工程概述
1.1叶绿体简介
叶绿体是植物进行光合作用的重要器官,是一种半自主型的细胞器,能够进行自我复制,含有双链环状dna。叶绿体dna分子一般长120~160kb。叶绿体dna有ira和irb 2个反向重复序列(分别位于a链和b链),两者基因大小完全相同,只是方向相反,它们之间有1个大的单拷贝区(大小约80kb)和1个小的单拷贝区(大小约20kb)。
1.2叶绿体基因组转化优点
叶绿体基因具有分子量小、结构简单、便于遗传的特点,故相对于传统的细胞核遗传更能高效表达目的基因,这是因为叶绿体基因本身拥有巨大的拷贝数[3]。叶绿体基因可实现外源基因的定点整合,避免位置效应和基因沉默;遗传表达具有原核性;安全性好,叶绿体属于母系遗传,后代材料稳定;目的基因产物对植物的影响小。利用叶绿体基因转化的这些优点,可以加快育种速度和效率,节约育种时间。
1.3叶绿体转化的主要过程
叶绿体转化过程通常分4步:一是转化载体携带外源目的基因通过基因枪法或其他转化体系导入叶绿体;二是将外源表达框架整合到叶绿体的基因组里;三是筛选具有转化的叶绿体细胞;四是继代繁殖得到稳定的叶绿体转化植物[4]。
1.4叶绿体转化的主要方法
依据叶绿体转化的主要过程,生物学家相应地研究若干种叶绿体基因转化的方法,其中常用的叶绿体转化方法:一是微弹轰击法。将钨粉包裹构建完整的质粒载体,用基因枪轰击植物的各种组织、器官,然后对重组叶绿体进行连续筛选,不断提高同质化水平,最后获得所需的转基因植株[5]。二是农杆菌t-dna介导的遗传转化法。将外源目的基因、选择标记基因等构建到农杆菌的ti质粒上,然后通过与植物组织或器官共培养,最后把所需外源基因转化到叶绿体并获得表达。三是peg处理法。只需将构建好的质粒(含外源基因、标记基因、同源片断、启动子、终止子等)在一定的peg浓度下与植物原生质体共培养。
2叶绿体基因工程的应用
2.1提高植物光合效率
植物的光合效率非常有限,太阳能的很小一部分可以转化为植物所需要的能量,从而转变为人类需要的产品。植物光合效率取决于rubisco酶的丰富度。rubisco酶一方面可以制造可溶性蛋白,另一方面也可以限制co2合成。人们可以通过2种直接的方法提高光合速率:一是加速酶催化的循环过程;二是提高酶的特性,减少光呼吸浪费的能量[6]。很多科学家正试图通过提高rubisco酶来提高植物的光合效率,而其中拟南芥和水稻的定点整合试验取得了重大突破,证明叶绿体基因工程是生产高光合效率作物植物的最有价值的方法。
2.2合成有机物质
由于叶绿体型转基因植物具有环境安全性好、底物丰富、产物区域化等优点,已被越来越多的人关注,并成为工业化生产特定有机物质的可靠场所。例如,有科学家已发明了用叶绿体基因工程表达聚3-羟基丁酸酯合成相关基因的方法。聚3-羟基丁酸酯及其他类型的聚3-羟基链烷酸酯同属于聚酯类物质,是自然界中多种细菌的碳源及能源储备物。具有生物可降解性,如取代化学合成塑料将能从源头解决塑料废弃物引起的“白色污染”。其通过构建了含phbb、phm、phbc和aada基因表达盒的叶绿体整合及表达载体,通过基因枪轰击法转化烟草。northem点杂交、rt-pcr分析结果表明,叶绿体型转基因植株中目的基因在转录水平的表达明显高于核转化植株中相应基因。
2.3生产疫苗
人类治疗用蛋白质可以在叶绿体中实现表达,表达效率取决于外源基因的整合位点,增强转录和翻译的调控元件以及外
源蛋白的稳定性等。人类已经在用叶绿体基因生产疫苗方面开展了卓有成效的工作。例如,范国昌等将甲型肝炎病毒vp3p1区和丙型肝炎病毒c区融合,并导入到衣藻叶绿体基因组中,融合蛋白得到高效表达,且具有双抗原活性。而霍乱病毒蛋白b(ctb)抗原ctb已经在叶绿体中转化成功,预示着转基因植物疫苗的可商业化前景。tregoning等将tetc基因在烟草叶绿体基因组进行表达,为了增加mrna的稳定性及在烟草叶片内表达的可行性,他们将基因进行了密码子优化,分别表达了未经改造的富含at(72.3%at)和人工合成的富含gc(52.5%at)的基因,tetc-at和tetc-gc的表达量分别为总可溶蛋白的25%和10%。
2.4在植物抗性方面的研究
在抗虫性方面,kota和cosa分别于1999年、2001年将btcryzaaz基因转入烟草叶绿体,前者可100%杀死4 000多倍抗性的抗性虫,后者报道bt表达量达46.1%。在抗逆性方面,人们通过编码sod、apx等酶的基因已经转入到烟草、苜蓿、马铃薯、棉花的叶绿体中,提高了植物的耐氧化能力,从而提高了植物对环境胁迫的耐受能力。
2.5叶绿体基因组在系统发育学上的应用
叶绿体在系统发育学上的优点:一是叶绿体基因组是仅次于核基因组的第二大基因组,为比较研究提供了一个较大的数据基础;二是叶绿体dna的核酸置换率适中,在应用上很有价值。然而,用叶绿体dna研究系统发育也存在着明显的不足:一是叶绿体基因组是母性遗传的,因此并不能单靠叶绿体基因组来解释居群间的杂交现象;二是虽然有越来越多的叶绿体dna被用作分子标记来研究类群间的系统发育关系,但只有将这些分子片段提供的信息与其他的分子片段信息、传统的形态及生理特征结合起来获得更多的信息,才能更接近系统发育的本来面目。
2.6叶绿体基因在消除环境忧虑问题上的前景
当今最为普遍的问题就是外源基因从转基因作物到杂草的逃逸,这一逃逸主要是通过花粉的扩散,产生超级杂草或产生和其他作物之间的基因污染,对环境极为不利。叶绿体基因工程产生的基因逃逸现象的风险远远低于核转化作物,因为大多数作物中的质体dna都是母系遗传,这样就可以避免作物和作物、作物和杂草之间的杂交,消除人们对基因污染的忧虑。 3叶绿体基因工程存在的问题
3.1叶绿体基因转化在杂合体上的稳定性问题
由于高等植物的每个细胞中有10~100个叶绿体,每个叶绿体内有10~100个叶绿体基因组拷贝,因此转化的叶绿体和未转化的野生型叶绿体同时存在于转基因植株中,造成这种杂合体在遗传上是不稳定的。在转化外源基因之前,目前可采用降低叶绿体拷贝数、高压筛选和选用致死突变体作为外源基因的受体等方法使转基因植株易于同质化。
3.2植物的种类有待扩展
可能是由于大多数植物的叶绿体基因组序列不清楚,因此无法确定用于载体构建的同源重组片段和外源基因的插入位点。目前,已成功转化的植物种类很少,只有番茄和烟草通过有性生殖使外源基因获得稳定遗传,而番茄却是唯一能有高的外源蛋白积累的可食用果实的植物。
4展望
虽然在叶绿体基因工程领域人们已经取得了一定的进展,但对于改变叶绿体基因工程中所存在的缺点,科学界仍然要有大量的工作需要进行。为此,寻找更多更加合适的方法来改进叶绿体基因工程,使其优点更加明显,必将在未来生物技术领域带来又一场革命,为人类造福。
5参考文献
[1] 刘良式.植物分子遗传学[m].北京:科学出版社,1997.
[2] boynton j e,gillham n w,harris e h,et al.chloroplast transfo-rmation in chlamydo monas with high veloeity mieroprojeetiles[j].science,1988,240(4858):1534-1538.
[3] 李宏韬,赵淑青,赵彦修,等.叶绿体基因工程简介[j].遗传,2003,25(4):495-498.
[4] svab z,hajdukiewicz p,maliga p.stable transformation of plastids in higher plants[j].proc natlacad sci usa,1990(87):8526-8530.
[5] 沈桂芳,倪丕冲.植物叶绿体基因工程[j].高科技与产业化,1999(1):26-28.
关键词植物叶绿体;基因工程;发展;应用;存在问题;展望
叶绿体作为植物中与光合作用直接相连的重要细胞器,其基因组的功能也因此扮演着十分重要的角色。1882年straburger观察到藻类叶绿体能分裂并进入子代细胞;1909年baur和correns通过在3种枝条颜色不同的紫茉莉间杂交得出,质体是母本遗传的。人们便开始对叶绿体遗传方面产生了浓厚的兴趣[1]。1988年boynton等首次用野生型叶绿体dna转化了单细胞生物衣藻突变体(atpb基因突变体),使其完全恢复光合作用能力,标志着叶绿体基因工程的诞生[2]。叶绿体基因工程作为一种很具有发展前景的植物转基因技术,在植物新陈代谢、抗虫性、抗病性、抗旱性、遗传育种等方面都将有着越来越重要的意义。
1叶绿体基因工程概述
1.1叶绿体简介
叶绿体是植物进行光合作用的重要器官,是一种半自主型的细胞器,能够进行自我复制,含有双链环状dna。叶绿体dna分子一般长120~160kb。叶绿体dna有ira和irb 2个反向重复序列(分别位于a链和b链),两者基因大小完全相同,只是方向相反,它们之间有1个大的单拷贝区(大小约80kb)和1个小的单拷贝区(大小约20kb)。
1.2叶绿体基因组转化优点
叶绿体基因具有分子量小、结构简单、便于遗传的特点,故相对于传统的细胞核遗传更能高效表达目的基因,这是因为叶绿体基因本身拥有巨大的拷贝数[3]。叶绿体基因可实现外源基因的定点整合,避免位置效应和基因沉默;遗传表达具有原核性;安全性好,叶绿体属于母系遗传,后代材料稳定;目的基因产物对植物的影响小。利用叶绿体基因转化的这些优点,可以加快育种速度和效率,节约育种时间。
1.3叶绿体转化的主要过程
叶绿体转化过程通常分4步:一是转化载体携带外源目的基因通过基因枪法或其他转化体系导入叶绿体;二是将外源表达框架整合到叶绿体的基因组里;三是筛选具有转化的叶绿体细胞;四是继代繁殖得到稳定的叶绿体转化植物[4]。
1.4叶绿体转化的主要方法
依据叶绿体转化的主要过程,生物学家相应地研究若干种叶绿体基因转化的方法,其中常用的叶绿体转化方法:一是微弹轰击法。将钨粉包裹构建完整的质粒载体,用基因枪轰击植物的各种组织、器官,然后对重组叶绿体进行连续筛选,不断提高同质化水平,最后获得所需的转基因植株[5]。二是农杆菌t-dna介导的遗传转化法。将外源目的基因、选择标记基因等构建到农杆菌的ti质粒上,然后通过与植物组织或器官共培养,最后把所需外源基因转化到叶绿体并获得表达。三是peg处理法。只需将构建好的质粒(含外源基因、标记基因、同源片断、启动子、终止子等)在一定的peg浓度下与植物原生质体共培养。
2叶绿体基因工程的应用
2.1提高植物光合效率
植物的光合效率非常有限,太阳能的很小一部分可以转化为植物所需要的能量,从而转变为人类需要的产品。植物光合效率取决于rubisco酶的丰富度。rubisco酶一方面可以制造可溶性蛋白,另一方面也可以限制co2合成。人们可以通过2种直接的方法提高光合速率:一是加速酶催化的循环过程;二是提高酶的特性,减少光呼吸浪费的能量[6]。很多科学家正试图通过提高rubisco酶来提高植物的光合效率,而其中拟南芥和水稻的定点整合试验取得了重大突破,证明叶绿体基因工程是生产高光合效率作物植物的最有价值的方法。
2.2合成有机物质
由于叶绿体型转基因植物具有环境安全性好、底物丰富、产物区域化等优点,已被越来越多的人关注,并成为工业化生产特定有机物质的可靠场所。例如,有科学家已发明了用叶绿体基因工程表达聚3-羟基丁酸酯合成相关基因的方法。聚3-羟基丁酸酯及其他类型的聚3-羟基链烷酸酯同属于聚酯类物质,是自然界中多种细菌的碳源及能源储备物。具有生物可降解性,如取代化学合成塑料将能从源头解决塑料废弃物引起的“白色污染”。其通过构建了含phbb、phm、phbc和aada基因表达盒的叶绿体整合及表达载体,通过基因枪轰击法转化烟草。northem点杂交、rt-pcr分析结果表明,叶绿体型转基因植株中目的基因在转录水平的表达明显高于核转化植株中相应基因。
2.3生产疫苗
人类治疗用蛋白质可以在叶绿体中实现表达,表达效率取决于外源基因的整合位点,增强转录和翻译的调控元件以及外源蛋白的稳定性等。人类已经在用叶绿体基因生产疫苗方面开展了卓有成效的工作。例如,范国昌等将甲型肝炎病毒vp3p1区和丙型肝炎病毒c区融合,并导入到衣藻叶绿体基因组中,融合蛋白得到高效表达,且具有双抗原活性。而霍乱病毒蛋白b(ctb)抗原ctb已经在叶绿体中转化成功,预示着转基因植物疫苗的可商业化前景。tregoning等将tetc基因在烟草叶绿体基因组进行表达,为了增加mrna的稳定性及在烟草叶片内表达的可行性,他们将基因进行了密码子优化,分别表达了未经改造的富含at(72.3%at)和人工合成的富含gc(52.5%at)的基因,tetc-at和tetc-gc的表达量分别为总可溶蛋白的25%和10%。
2.4在植物抗性方面的研究
在抗虫性方面,kota和cosa分别于1999年、2001年将btcryzaaz基因转入烟草叶绿体,前者可100%杀死4 000多倍抗性的抗性虫,后者报道bt表达量达46.1%。在抗逆性方面,人们通过编码sod、apx等酶的基因已经转入到烟草、苜蓿、马铃薯、棉花的叶绿体中,提高了植物的耐氧化能力,从而提高了植物对环境胁迫的耐受能力。
2.5叶绿体基因组在系统发育学上的应用
叶绿体在系统发育学上的优点:一是叶绿体基因组是仅次于核基因组的第二大基因组,为比较研究提供了一个较大的数据基础;二是叶绿体dna的核酸置换率适中,在应用上很有价值。然而,用叶绿体dna研究系统发育也存在着明显的不足:一是叶绿体基因组是母性遗传的,因此并不能单靠叶绿体基因组来解释居群间的杂交现象;二是虽然有越来越多的叶绿体dna被用作分子标记来研究类群间的系统发育关系,但只有将这些分子片段提供的信息与其他的分子片段信息、传统的形态及生理特征结合起来获得更多的信息,才能更接近系统发育的本来面目。
2.6叶绿体基因在消除环境忧虑问题上的前景
当今最为普遍的问题就是外源基因从转基因作物到杂草的逃逸,这一逃逸主要是通过花粉的扩散,产生超级杂草或产生和其他作物之间的基因污染,对环境极为不利。叶绿体基因工程产生的基因逃逸现象的风险远远低于核转化作物,因为大多数作物中的质体dna都是母系遗传,这样就可以避免作物和作物、作物和杂草之间的杂交,消除人们对基因污染的忧虑。
3叶绿体基因工程存在的问题
3.1叶绿体基因转化在杂合体上的稳定性问题
由于高等植物的每个细胞中有10~100个叶绿体,每个叶绿体内有10~100个叶绿体基因组拷贝,因此转化的叶绿体和未转化的野生型叶绿体同时存在于转基因植株中,造成这种杂合体在遗传上是不稳定的。在转化外源基因之前,目前可采用降低叶绿体拷贝数、高压筛选和选用致死突变体作为外源基因的受体等方法使转基因植株易于同质化。
3.2植物的种类有待扩展
可能是由于大多数植物的叶绿体基因组序列不清楚,因此无法确定用于载体构建的同源重组片段和外源基因的插入位点。目前,已成功转化的植物种类很少,只有番茄和烟草通过有性生殖使外源基因获得稳定遗传,而番茄却是唯一能有高的外源蛋白积累的可食用果实的植物。
4展望
虽然在叶绿体基因工程领域人们已经取得了一定的进展,但对于改变叶绿体基因工程中所存在的缺点,科学界仍然要有大量的工作需要进行。为此,寻找更多更加合适的方法来改进叶绿体基因工程,使其优点更加明显,必将在未来生物技术领域带来又一场革命,为人类造福。
5参考文献
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[3] 李宏韬,赵淑青,赵彦修,等.叶绿体基因工程简介[j].遗传,2003,25(4):495-498.
[4] svab z,hajdukiewicz p,maliga p.stable transformation of plastids in higher plants[j].proc natlacad sci usa,1990(87):8526-8530.
【关键词】质粒载体；标记基因；插入失活
质粒是基因工程的常用载体，质粒结构和功能也是高考热点问题之一，2016年全国卷理综第40题再一次以质粒图谱为基础，考查了质粒作为载体应具备的条件，重组质粒导入受体细胞的筛选与鉴定问题，而这一方面的知识在教材中讲解较少，理解起来较抽象，难以透彻的掌握这个知识点，给解题带来困难。本文特针对质粒结构及重组质粒筛选与鉴定问题进行补充，以期能对老师教学和学生解题带来帮助。
载体是一种可将外源DN段送入宿主细胞进行扩增和表达的运载工具。目前已构建成的载体主要有质粒载体、噬菌体载体、病毒载体和人工染色体等多种类型。其中最常使用的是质粒载体。
一、质粒载体
质粒是一种独立于细菌拟核DNA之外，具有自我复制能力的小型环状DNA分子。由于天然质粒作为载体存在着不同的局限性，科研人员对其进行了修饰改造。作为高质量的克隆载体的质粒必须具有如下特征：1.有复制原点，这是质粒在宿主细胞内能自主复制的基本条件。2.有多种限制酶的单一识别位点，以供外源基因的插入。3.有标记基因，理想的质粒载体应具有两种抗菌素抗性基因，以便从平板中直接筛选阳性重组子。4.相对分子质量较小。5.有安全性，作为克隆载体应当只存在有限范围内的宿主；在体内不进行重组；不会发生转移；不产生有害性状；不会离开宿主而自由扩散，因而是相对安全的。
二、插入失活
将外源DN段插入到载体的标记基因中使此基因失活，丧失其原有的表性特征，称为插入失活。pBR332是研究最多，应用最广泛的质粒载体之一，该质粒有两个标记基因， 四环素抗性基因（Tetr）和氨苄青霉素抗性基因（Ampr），有8种限制酶识别位点位于Tetr内部，另外有2种限制酶的识别位点是存在于该基因的启动区内，在这10个限制位点上插入外源DNA都会导致Tetr的失活，这时含有DNA插入片段的pBR322将使宿主菌抗氨苄青霉素，但对四环素敏感。3种限制酶的识别位点位于Ampr内，在这些位点插入外源DNA则会导致Ampr的失活，这时含有DNA插入片段的pBR322将使宿主菌抗四环素，但对氨苄青霉素敏感。插入失活是检测重组质粒的一种十分有效的方法。
三、实例应用
2016年全国卷理综第40题是一道很好的考查质粒结构和插入失活效应的题目：
某一质粒载体如图所示，外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活（Ampr表示氨苄青霉素抗性基因，Tetr表示四环素抗性基因）。有人将此质粒载体用BamHI酶切后，与用BamHI酶切获得的目的基因混合，加入DNA连接酶进行连接反应，用得到的混合物直接转化大肠杆菌，结果大肠杆菌有的未被转化，有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种，分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题：
（1）质粒载体作为基因工程的工具，应具备的基本条件有______（答出两点即可），而作为基因表达载体，除满足上述基本条件外，还需具有启动子和终止子。
（2）如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选，在上述四种大肠杆菌细胞中，未被转化的和仅含有环状目的基因的细胞是不能区分的，其原因是______；并且______和_____的细胞也是不能区分的，其原因是______。在上述筛选的基础上，若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌的单菌落，还需使用含有______的固体培养基。
（3）基因工程中，某些噬菌体经改造后可以作为载体，其DNA复制所需的原料来自______。
分析题目可知，本题考查了基因工程质粒载体特点、插入失活效应在重组质粒筛选中的应用及噬菌体侵染细菌后，合成子代噬菌体一切的原料来源于宿主细胞。分别解析如下：
（1）小题考查了质粒作为基因工程的载体应具备的基本条件，参考答案：具有复制原点；具有标记基因；具有限制酶的单一识别位点。
（2）小题考查插入失活及重组质粒的筛选问题，将此质粒载体用BamHI酶切后，与用BamHI酶切获得的目的基因混合，加入DNA连接酶进行连接反应，用得到的混合物直接转化大肠杆菌，得到的大肠杆菌表型有四种：未被转化大肠杆菌，对四环素和氨苄青霉素都敏感，即AmpsTets表型；含有环装的目的基因的大肠杆菌，即AmpsTets表型，含有质粒载体的大肠杆菌，即AmprTetr表型；含有插入了目的基因重组质粒的大肠杆菌，即AmprTets。若用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选，在上述四种大肠杆菌细胞中，未被转化的大肠杆菌和仅含有环状目的基因的细胞是不能区分的，其原因是都对氨苄青霉素敏感，都不能存活，都无菌落产生。含有质粒载体的大肠杆菌（AmprTetr）和含有插入了目的基因重组质粒的大肠杆菌（AmprTets）因都能抗氨苄青霉素，都能存活，产生菌落；但因为目的基因重组质粒因插入失活破坏了四环素抗性基因导致四环素抗性基因失活，因此可用含有四环素的固体培养基加以筛选。若是在含有氨苄青霉素的培养基上能形成菌落而在含四环素的固体培养基上不能形成菌落，就是我们所要的含有插入了目的基因重组质粒的大肠杆菌。
【参考文献】
[1]陈阅增普通生物学/吴相钰主编.―2版.―北京：高等教育出版社，2005.1
关键词：植物疫苗；基因工程；表达系统；安全性
1 植物疫苗的免疫原理
植物疫苗可诱导粘膜免疫反应，小肠淋巴组织的粘膜上有一种特殊的细胞叫做膜细胞（M 细胞）。粘膜免疫应答就是由M 细胞识别抗原开始的。M细胞识别抗原并将其传递给巨噬细胞，巨噬细胞和其它抗原呈递细胞，再将抗原展示给辅T细胞，辅T细胞识别外源蛋白质片段后就会刺激B细胞制造和释放能中和抗原的抗体，当疾病因子出现时，记忆辅T细胞刺激胞毒T 细胞攻击受感染的细胞，同时它迅速刺激记忆B 细胞分泌中和抗体消灭入侵的病原体。总的来说，转基因植物疫苗可以诱导相应的血清型的IgA 和IgG 反应。
2 植物疫苗的特点
2.1 安全性高
植物是人类食物来源之一，除个别人群对某些特定的植物过敏外，其安全性高。用动物细胞生产疫苗，可能有动物病毒的污染，对人类存在潜在危害。而植物病毒不会感染人类，比较安全，同时也可避免微生物生产疫苗带来的有害产物。
2.2 成本低
植物种植系统简单易行，植物细胞培养条件简单，便于进行遗传操作，可通过大面积栽培获得廉价的疫苗，且不需要技术、设备和种植条件等巨大投资。农作物可以当地生产，还易于储藏和运输，而且经过长期种植，植物栽培、收获、贮藏、加工程序已经形成工业化。与植物生物反应器相比，原核生物反应器与动物生物反应器生产时需要昂贵的技术设备、大量的人力物力。
2.3 植物具有完整的真核表达系统
具有与动物相同的真核加工修饰系统。可以对重组蛋白进行糖基化、磷酸化、酰胺化、亚基正确装配等。微生物系统不能对真核生物蛋白进行正确的翻译后加工。
2.4 转基因植物中的外源基因可重组
通过植物杂交的方法进行基因重组，进而在植物体内积累多种病原体的抗原基因，生产出方便高效的多联疫苗。
3 植物基因工程疫苗外源基因的表达系统
3.1 瞬时表达系统
主要采用植物病毒作为载体，而外源基因插入到病毒基因组中，通过病毒感染植株，从而将外源基因导入植物细胞内，采用这种转化方式，外源基因并不整合至植物基因组中，只是利用寄主细胞在细胞质中进行复制，以高拷贝的形式游离于植物中，并进行高效的表达，因此可在短时间内在植物细胞内积累大量的外源蛋白。采用农杆菌介导的转化，外源基因蛋白的产量一般要低于细胞内可溶性蛋白总量的1%；而采用这种瞬时表达系统,外源基因蛋白总量会远大于1%。
3.2 稳定整合系统
3.2.1 土壤农杆菌介导的遗传转化。目前根癌农杆菌主要用于双子叶植物的遗传转化，其转化植物的机制已从分子水平上基本得到解释。而发根农杆菌，由于对Ri 质粒了解得还不充分，所以对这种转化系统的研究主要集中在以生产次生代谢产物为目的的根组织培养和根的发育。采用农杆菌介导的植物转化最常采用共培养法，即使用农杆菌菌液与叶盘、愈伤组织、悬浮培养细胞、茎段、下胚轴段、子叶切片等部分进行共培养，从而达到转化的目的。
3.2.2 外源DNA 直接导入法。主要包括基因枪法、电激发、PEG诱导法、激光穿孔法、脂质体法、超声波法，其中最常用的是基因枪法。它是将带有外源基因的质粒用亚精胺包裹为直径1μm 左右的金弹或钨弹，再用高压氦气、火药爆炸力、高压放电气体作为动力加速子弹，使它们穿过植物细胞壁和细胞膜，将外源基因带入具有再生能力的植物组织，这样可以在很大程度上缩短再生的时间，从而避免体细胞变异的发生。
4 以植物为载体的免疫技术
4.1 植物疫苗免疫原性和免疫保护作用
由于植物疫苗一般是通过食用来被人体利用。所以如何避免消化酶的影响来保护抗原就是一个重要的研究课题。目前，避免消化酶的影响来保护抗原可分为2类方法：①用沙门氏菌和弧状霍乱杆菌作为载体；②用保护性的包被对抗原进行包装。
用减毒的菌株可以把抗原引向粘膜的表面，有利于粘膜免疫系统摄取所表达的抗原。但是基于减毒菌株的方法具有潜在安全缺陷，而后者可通过生物降解的多聚物、脂质体、蛋白质体或者表达抗原的转基因植物来实现。许多研究表明，植物材料可潜在地保护所选定的抗原。特别在种子中，植物可为亚单位疫苗提供一个富含蛋白酶抑制物的糖类聚合物基质环境。其它的抗原包装方法需要烦琐的处理步骤；而通过植物种子来进行生物包装不需要任何额外的代价，就可以为这些抗原提供保护。在有关转基因马铃薯的研究中，从轮状病毒和产肠毒素大肠杆菌中所选的抗原分别与霍乱毒素的B和A2亚单位融合，抗原的免疫反应显示出对Th1的偏爱性，并可诱导白细胞介素2和干扰素γ，CD4 + 水平也相应增加。Th1的偏爱性很可能是抗原或者载体的选择结果。在佐剂的帮助下，亚单位疫苗的释放能增加免疫反应量。霍乱毒素和大肠杆菌的热不稳定毒素，它们与抗原共表达，有利于诱导保护性的免疫产生，改变口服免疫低效率递呈。另外，有人证实了转基因植物疫苗的粘膜传输中所诱发的免疫应答所具有的黏膜佐剂的特征，这给口服免疫可不需佐剂提供了依据，同时也提高了其安全性。
在以植物疫苗的口服免疫研究中，所候选的亚单位疫苗也具有较好的保护作用。马铃薯块茎或谷物种子中表达的热不稳定毒素的B 亚基和马铃薯中表达的霍乱毒素B 亚基用于小鼠口服免疫，可以保护老鼠免受痢疾的感染。另外，口服免疫由谷物种子表达的传播性肠炎病毒的S2糖蛋白，对乳猪能够起到很好的保护作用。目前，通过植物递送系统来生产B 型肝炎的疫苗也逐渐成熟。
4.2 提高抗原在植物中的表达水平
利用植物进行疫苗开发，首要的问题是，植物能否表达相关的蛋白？目前为止，许多亚单位候选抗原在转基因植物中成功表达，这些抗原主要包括感染人类、家畜、野生动物的细菌和病毒抗原。表达水平很大程度上取决于表达的蛋白和用于表达的植物种类，同时，构建的表达系统也影响抗原的表达水平，比如用于表达的细胞器基因组(核和质粒)、启动子的强度和组织专一性、非翻译前导序列和信号序列的选择和表达蛋白的靶细胞器的定位等均对表达产生影响。一般而言，利用上述策略可以实现抗原高水平表达。然而，很难对表达系统进行比较，因为特定抗原对植物表达系统的选择很重要，在不同的系统中其表达效果是不一样的。近来，研究人员利用内质网滞留信号可提高外源基因的表达量，Mason等利用一个核表达系统，把蛋白定位于内质网滞留信号之后，热不稳定毒素B亚单位在马玲薯块茎中表达量可达总可溶性蛋白质的0.2% ；在谷物种子中的表达量约占总可溶蛋白的4%或12% ，这些都依赖于所用的调节序列。另外，霍乱毒素（B）亚单位在利用内质网滞留信号时在烟草叶片中的表达量约占总可溶蛋白的4%。膜蛋白比可溶性蛋白更难于在转基因植物中表达，大量研究表明，膜蛋白在植物中的表达量远不及可溶性蛋白，这就需要优化表达系统以提高表达水平。
目前，转基因马玲薯表达B型肝炎的表面抗原水平已由马玲薯大约1mg/g增加到马玲薯大约16mg/g抗原，这样可以大大减少口服剂量。目前许多研究表明，所欲表达的抗原在植物中能够表达并装配成四级结构。糖基化修饰的蛋白也可在植物中进行糖基化，尽管糖基化模式很可能存在着差别。在植物系统中表达的热不稳定蛋白毒素的B亚单位和霍乱毒素的B亚单位，均有GM1受体结合活性，B型肝炎表面抗原和诺沃克病毒衣壳蛋白可形成类病毒颗粒，类病毒颗粒的形成，可认为有利于诱导免疫反应。
5 植物基因工程疫苗研究进展
5.1 反转录病毒载体
反转录病毒作为载体是在进行动物基因工程中发现的，许多研究人员认为它同样适于植物基因工程，但目前研究的不多。
5.2 单链RNA植物病毒
单链RNA 植物病毒，即病毒RNA可直接作为mRNA的植物病毒，主要包括苜蓿花叶病毒(ALMV)、豇豆花叶病毒(CPMV)、雀麦花叶病毒(BMV)、烟草花叶病毒(TMV)等。它们作为外源基因载体主要通过以下步骤感染植物：病毒RNA 首先反转录为一条单链cDNA，在DNA聚合酶作用下形成双链DNA，将其克隆入细菌质粒中，将外源基因插入质粒的cDNA中，最后通过体外转录，用带有外源基因的RNA病毒感染植物，将其转入植物细胞。
5.3单链DNA植物病毒载体
在单链DNA 植物病毒载体中，研究最多的是Geminiviruses(简称GeNV) ，又叫做双粒病毒或双联体病毒。它一般含有2个成对并存的病毒颗粒，大小约为18～20nm，遗传物质是单链DNA ,每2个颗粒中包含1～2个、2. 5～3.0 kb的环状DNA分子。该病毒寄主广泛，单子叶植物和双子叶植物均可被感染，但感染部位仅限于植物的维管组织，且其传播媒介主要是昆虫，不能通过机械接种。
5.4 双链DNA植物病毒载体
双链DNA植物病毒载体中最典型的是花椰菜花叶病毒，它的基因组长约8kb，主要感染花椰菜、油菜、拟南芥等，主要寄主是芸苔属植物，目前尚未发现可感染豆科和单子叶植物。
6 植物疫苗的安全性
6.1 对环境的影响
由于在植物疫苗中包含了病原体的DN段，因而花粉和种子的散播造成的基因逃逸可能给人类带来新的病原、毒素、过敏原等，因此对可能引起的基因渐渗现象必须做出充分的安全性评价,并规范植物疫苗的利用和管理，同时寻求技术方法。如可恢复阻塞(RBF)技术，它能使自然界中因渐渗而携带RBF 的杂种或近缘系植物死亡或不育或利用叶绿体转化植物疫苗或培育植物疫苗的雄性不育系，这样就可避免花粉传播而带来的潜在威胁，转基因植物疫苗有着传统疫苗无法比拟的优越性，已经成为一个研究热点了。未来的研究应着眼于生产出作为医药商品的安全、可靠、有效的植物疫苗。转基因植物疫苗应用最大的限制就是表达量低。现在的研究表明：可以通过叶绿体转化、植物育种和利用食品加工技术来提高表达水平，而且研究还指出，运用携带蛋白和辅助蛋白可以增加抗原被免疫系统识别的能力。这些研究都使我们越来越接近生产出廉价“安全口服的商品植物疫苗”，这样的疫苗将可以帮助人们预防疾病的传播。
6.2对人类和动物的影响
抗生素抗性基因是筛选转基因植物常用的标记基因。长期食用这类转基因疫苗是否会对人体或动物造成抗生素医疗无效。转基因植物中的新基因会不会传递给人畜肠道的正常微生物，引起菌群和数量的变化或插入并表达，从而危害人畜健康？这些问题目前都无法解答，仍需大量学者继续研究论证。
7 展望
利用植物来表达和递送疫苗技术的发展给免疫研究注入了新的内容。以往的研究中,在植物中表达了包括过滤性病毒、细菌、肠道和非肠道的病原体等各种不同的抗原，并做了相应免疫学研究。但植物疫苗面临的最大问题是抗原蛋白在植物细胞表达量不高，低剂量抗原蛋白往往不能激发足够的免疫反应，这不能仅靠增加植物组织摄取量得以解决，因为低剂量的重复免疫可能会导致机体的免疫耐受，导致机体对此抗原免疫反应保持“低调”，即使以后增加抗原蛋白的剂量也不能改变。另外，机体每天对植物组织的摄取量是一定的，不可能无限增加。因此，未来研究的重点之一是提高植物疫苗中抗原蛋白的表达量。随着生物技术的发展和植物基因工程研究的深入，基于植物的疫苗递送系统将更具吸引力，并呈现出广阔的应用前景。
参考文献
1 余祖华，王红宁.用植物生物反应器研制基因工程疫苗的进展[J].生
物技术，2004（8）
一、种类
根据抗原性质可分为灭活疫苗、弱毒活疫苗、亚单位疫苗、工程疫苗、核酸疫苗和转基因植物可饲疫苗；根据疫苗功效则可分为预防性疫苗和治疗性疫苗。
1. 灭活疫苗。将分类离培养的病原微生物（多数为强毒株）用适当的化学试剂将其灭活但保留其免疫原性，与不同的佐剂混合后乳化制成灭活疫苗。目前，用于制备灭活疫苗的佐剂有矿物油佐剂和氢氧化铝佐剂。前者多用于病毒性疫苗，如当前使用的猪圆环病毒灭活疫苗、伪狂犬病毒灭活疫苗；用氢氧化铝作为佐剂制备疫苗静置后，会出现分层，疫苗在使用前摇匀即可，该佐剂多用于细菌疫苗。蜂胶佐剂多用于细菌苗和亚单位疫苗。
灭活疫苗的用途：①新分离的病原，短期内难以致弱。如高致病性猪蓝耳病灭活疫苗、猪圆环病毒灭活疫苗和兔瘟灭活疫苗。②血清型较多的病原，疫苗的保护力呈现血清型特异性，如猪胸膜肺炎放线杆菌（15 个血清型）、副猪嗜血杆菌（15 个血清型）、猪链球菌（35 个血清型）等。③变异频率高的病原，如新分离的口蹄疫Mya-98 株。
猪用灭活疫苗中，有猪伪狂犬病灭活疫苗、猪口蹄疫0 型（单价/ 二价/ 三价）灭活疫苗、猪繁殖与呼吸综合征灭活疫苗、猪圆环病毒灭活疫苗、猪细小病毒灭活疫苗、猪乙脑灭活疫苗、猪链球菌病单价( 二价/ 三价) 灭活疫苗、副猪嗜血杆菌三价灭活疫苗和猪传染性胸膜肺炎三价灭活疫苗等。
灭活疫苗的优点是安全性强，疫苗毒株无毒力返强的危险；多数疫苗的免疫接种效果不受仔猪母源抗体水平高低的干扰；贮存条件方面，一般需冷藏保存，不能冷冻。其缺点是需要免疫次数多，接种后局部反应略大，甚至出现接种部位污染，可引起局部炎症脓肿，影响接种效果，也降低局部的肉品质量。
2．弱毒活疫苗。
疫苗种类指将毒力下降或毒力完全丧失的病原微生物，与牛奶、明胶等佐剂混合后经过低温冻干后形成的疏松状制剂。严格意义上，此类疫苗不包含采用基因工程方法对基因组改变后引起致病性改变的微生物制备的弱毒疫苗。根据所含的疫苗毒株分类不同，可以分为以下几种：（1）细菌活疫苗：如仔猪副伤寒疫苗，猪丹毒- 肺疫活疫苗。（2）病毒活疫苗：猪瘟活疫苗、伪狂犬病活疫苗和猪繁殖与呼吸综合征活疫苗。（3）猪支原体肺炎活疫苗。预防猪寄生虫的活疫苗尚未问世。
我国常用的弱毒活疫苗较多，如猪瘟活疫苗、猪伪狂犬病活疫苗、猪繁殖与呼吸综合征活疫苗、猪乙肝疫苗、猪丹毒活疫苗、猪肺疫活疫苗、仔猪副伤寒疫苗、猪马腺疫链球菌活疫苗等。
活疫苗的优点与缺点：优点是：（1）免疫途径多样：可通过肌肉注射、滴鼻、口服等途径免疫。（2）刺激产生黏膜免疫：除肌肉注射外，滴鼻和口服途径免疫后可刺激机体产生局部分泌型IgA, 形成黏膜免疫，在预防呼吸道感染和消化道感染中具有独特的作用，这是灭活疫苗无法比拟的，如沙门氏菌口服可以刺激机体肠道局部黏膜免疫。（3）免疫后可剌激产生体液免疫和细胞免疫，免疫效果较为确实。（4）免疫次数少于灭活疫苗。（5）接种后局部反应低。缺点：受母源抗体的影响如猪瘟活疫苗、伪狂犬病活疫苗等；受抗菌药物的影响如仔猪副伤寒弱毒疫苗、猪丹毒- 肺疫二联弱毒疫苗和猪支原体弱毒疫苗等；活疫苗运输保存条件严格，需冷冻条件。
3. 基因工程疫苗。
利用分子生物学手段改造病原微生物的基因，获得毒力下降、丧失的突变株或构建以弱毒株为载体、表达外源基因的重组毒（菌）株，并利用它们作为疫苗毒株制备疫苗，包括基因缺失活疫苗和基因工程活载体疫苗。该疫苗与常规弱毒疫苗相比，主要区别在于后者采用常规技术，而非分子生物学技术，来致弱病原微生物，不确定其毒力致弱的分子机制。
作为基因工程疫苗载体的病毒或细菌，其主要特性是：致病力下降或缺失、对靶动物和非靶动物是安全的，基因组庞大、可容纳外源基因，并高效表达。常用的活载体有：伪狂犬病毒弱毒株、腺病毒、沙门氏菌弱毒菌株、乳酸杆菌、胸膜肺炎放线杆菌弱毒株。我国在“十一五”期间，在“863”课题资助下，开展了以伪狂犬病毒为载体，表达猪细小病毒、乙脑病毒、口蹄疫病毒和猪繁殖与呼吸综合征病毒主要免疫原性基因的研究。鉴于对其安全性的忧虑，我国规定转基因生物（包含基因工程 疫苗）必须经历实验室和野外安全性观察测试，获得安全证书后，方能进行疫苗学研宄，以申报兽用生物制品新兽药证书。目前，我国己经批准上市的基因工程疫苗有：猪伪狂犬病基因缺失疫苗、口蹄疫基因工程疫苗、猪大肠杆菌K88-K99 基因工程疫苗。重组载体疫苗尚未正式上市。
4．核酸疫苗。
核酸疫苗产生于20 世纪80 年代。将病原微生物或寄生虫基因组中编码免疫原性蛋白的基因克隆到真核表达载体中制备重组质粒，这种质粒直接导入动物体内，利用宿主体内的转录翻译系统，合成该蛋白，剌激机体产生针对相应的细胞免疫和体液抗体，因而称之为DNA 疫苗。DNA 疫苗可以用大肠杆菌大量制备，成本较低。针对细菌病、病毒病和寄生虫病的DNA 疫苗报道较多。但基于是否整合到宿主染色体等安全性考虑，核酸疫苗多处于实验研宄阶段，尚未大量应用。RNA 疫苗是近几年才出现的一种核酸疫苗，主要在人类医学中，作为RNA 类药物，用于抗肿瘤研宄。在动物疫苗领域尚未见RNA 疫苗的应用报道。
5. 亚单位疫苗与合成肽疫苗。
利用物理化学方法提纯病原微生物中具免疫原性的组份，或者利用基因工程表达该组分，纯化后加入佐剂而制成。猪传染性胸膜肺炎的亚单位疫苗中含有毒素I, 毒素II,毒素III 和外膜蛋白等， 能提供对所有15 个血清型的交叉保护力。我国使用的口蹄疫合成肽疫苗，是利用人工方法合成口蹄疫病毒VP1 蛋白中具有较强免疫原性的抗原片段，加入佐剂制成。该疫苗的优点是抗原组分单一，纯度高，免疫反应强，副作用低；能迅速针对新出现变异毒株研制其合成肽疫苗。但是，其成本较高。
6．转基因植物可饲疫苗。
将病原微生物中编码免疫蛋白的基因插入植物基因组中，获得表达病原微生物免疫原性的植物，再从植物中提纯蛋白用于注射动物或将植物直接饲喂动物，产生免疫力。用于表达免疫原性基因的植物主要是马铃薯、玉米、蔬菜、番茄、烟草和香蕉等，称为转基因可饲疫苗（ediable vaccine)。此类疫苗在口蹄疫（拟南芥、苜蓿和马铃薯为受体)、猪传染性胃肠炎（马铃薯、花椰菜和土豆为受体)、腹泻（烟草为受体）和轮状病毒感染（番茄和马铃薯为受体）等疾病防控中有研究的报道,但未见临床应用。目前的技术难题是：选择直接生食和贮藏方便的植物作为表达植株（烟草不适用于动物基因的筛选和优化其密码子和使用合适启动子，使其表达量满足疫苗免疫剂量的要求；免疫剂量免疫程序的确定；并设法提高口服后黏膜免疫效果。转基因植物可饲疫苗主要应用在胃肠道疾病中。
二、疫苗使用的注意事项
1． 建立在正确的流行病学调查基础上，有针对性选择所需疫苗，不可盲从。对于多血清型菌株感染，应选择与当地流行菌株血清型一致的疫苗，免疫效果要确实。
2．确保疫苗运输和使用过程中的冷链保障。如疫苗的物理性状己经改变，如分层现象，不可用手工混匀后再使用，应丢弃。
3．细菌活疫苗使用前后不可同时使用抗生素或有抗菌活性的中草药。
4．建议使用于健康猪群；正在发病猪群使用紧急接种，可能会加快处于疾病晚期猪只死亡，但是会缩短猪群的病程，因此要有心理准备。
5．制定合理的免疫程序，避免母源抗体干扰。不同疫苗接种之间至少间隔1 周。不同疫苗的同时混合使用，要先做小范围的观察，如无副反应，再大群使用。
Bt毒蛋白基因是目前应用得最为广泛的抗虫基因，主要特点是特异性强、杀虫谱窄。Bt毒蛋白基因种类很多，其中CryI抗鳞翅目害虫、CryII抗鳞翅目和双翅目害虫、CryIII抗鞘翅目害虫、CryIV抗双翅目害虫。
外源凝集素可与昆虫肠道上皮细胞的糖蛋白相结合，影响营养物质的正常吸收，同时，还可促进昆虫消化道内细菌的繁殖，对消化道造成损伤，从而达到杀虫的目的。研究表明，转外源凝集素基因水稻对稻飞虱有抗杀作用。
白叶枯病是水稻三大病害之一。迄今，国际上已鉴定出25个抗白叶枯病基因，其中由国际水稻研究所Khush从印度长雄蕊野生稻中发现的抗白叶枯病基因—Xa-21，对印度、菲律宾和中国的所有白叶枯病小种均表现高抗。国内中国农业科学院章琦等也发现并定位了广谱高抗白叶枯病基因Xa-23。1995年Song等克隆了Xa-21基因，研究表明，转Xa-21基因水稻表现对白叶枯病的高度抗性和广谱抗性。目前，我国杂交水稻大多数组合不抗白叶枯病，大力开展Xa-21抗白叶枯病基因工程育种具有重要意义。
稻瘟病是水稻三大病害之首。国内外已发现30多个抗稻瘟病基因，其中Pi-b和Pi-ta已被克隆。国内已有多个实验室在进行抗稻瘟病基因的分离克隆，预计不久将会有克隆的基因用于我国水稻抗稻瘟病基因工程育种。
除此之外，抗病基因的转化研究已经逐步向综合性、多元性、广谱性和间抗性的方向扩展，即同时转化多个抗性基因以获得对多种病原菌的抗性，如将Bt、Cptl、Chi 基因相连接一起转化受体作物品种，或者转化具有水平抗性的基因以获得对多种病源菌的广谱抗性，例如，转化RIPs 基因可以同时获得抗病毒、抗真菌、抗虫的转化体材料。
水稻分子育种研究主要包括基因工程育种和分子标记辅助选择，利用这一技术在超高产育种中主要进行以下研究：
株型改良：利用这一技术，进行株型改良育种，如利用水稻分蘖控制基因MOCl，通过构建载体将正义、反义MOCl基因转入到一些当家品种中，改良水稻株型，增加有效分蘖，形成理想株型的“分蘖梯度”。
提高水稻光合效率：为进一步提高水稻产量潜力，科学家们正在试图用现代植物基因工程技术，提高光合效率。其途径主要包括调节气孔关闭、提高Rubisco的效率和引入C4基因等。
调控延缓叶片衰老系统：细胞激动素是一种重要的延缓叶片衰老的生长调节因子，其生物合成的第一步是异戊烯基侧链转移至5ˊ-AMP上。在农杆菌中，这一反应由tmr基因编码的异戊烯基转移酶所催化，并且这一反应是细胞激动素生物合成的限速步骤。Cao等通过农杆菌介导的遗传转化方法获得了 PSAG12-IPT转基因水稻植株，考察了自我调控延缓叶片衰老系统在水稻中的表现，结果表明具有早衰现象的水稻品种延缓叶片衰老后，能促进灌浆，增加籽粒的充实度，从而提高结实率和千粒重，并最终增加单株产量。
