植物的遗传转化筛选标记基因[作者]摘要：近年来随着对分子生物学技术研究的不断深入，人们利用基因工程改造的转基因植物已成为一种新型的生物反
应器，并为植物功能和培育新品种等方面的研究提供便利[1]。然而自十九世纪八十年代转基因植物诞生以来，进行田间试验和已被批准商业化应
用的转基因植物一般都含有标记基因[2]。标记基因(markergene)在植物的遗传转化过程中用以区分转化和非转化细胞，须与目的
基因共同导入转化细胞，转基因植株再生成功后，标记基因便不再起作用[3]。目前，用于转基因植物研究的标记基因大约有55[4]个。关
键词：植物，转化技术，筛选，标记基因植物的遗传转化研究主要是将具有优良性状的外源目的基因导入植物基因组中，通过标记基因筛选出真正含
有目的基因片段的转化体并使其完整再生，从而获得遗传性状改良的转化植株[5]。其中标记基因在遗传转化中的关键作用是区分转化和非转化细
胞，以筛选和鉴定出转化的细胞、组织和转基因植株。目前已报道的标记基因种类很多，划分标准也各有不同。依据筛选方法不同可分为选择基因(
selectivegene)和报告基因(reportergene)。1.传统筛选标记基因传统筛选标记基因的种类主要分为两大类
：抗生素类标记基因和除草剂抗性基因。根据非转化细胞在选择培养基上的生长状况，植物遗传转化的选择体系分为正选择(positives
e1ection)和负选择(negativeselection)[6]。这类筛选标记属于负选择体系，在一定的选择压力下非转化细
胞被杀死，而转化细胞正常生长[2]。目前此类标记基因，因其灵敏度高和筛选效果好等优点被广泛的应用于植物遗传转化（1）抗生素类标记基
因[7]这类标记基因的机理主要是转化细胞通过产生一种能够降解或修饰某种抗生素的酶，从而使该抗生素的毒性失效，因此转化细胞能在含有
此类抗生素的培养基上正常生长，而非转化细胞由于不能产生此类酶从而导致死亡。常用的抗生素抗性酶基因主要有cat基因(产生氯霉素乙酰转
移酶，抗氯霉素)、gent基因(产生庆大霉素乙酰转移酶，抗庆大霉素)、hpt基因(产生潮霉素磷酸转移酶，抗潮霉素)、nptⅡ基因
(产生新霉素磷酸转移酶，抗卡那霉素、G418、巴龙霉素、新霉素)和spt基因(产生链霉素磷酸转移酶，抗链霉素)等。此类标记基因的优
点是：灵敏度高，可广谱筛选。不足的是此类标记基因过多使用可能使植物和害虫产生一定的抗药性，并且由于基因漂移，此类抗生素标记基因会对
生态环境和人类健康构成危害。（2）抗除草剂类基因抗除草剂类基因中应用最广泛最成功的是bar基因，它编码产生的草丁膦乙酰转移酶导致
草丁膦构象的改变，而使草丁膦失活，因此含此类标记基因的转化细胞能用草丁膦进行筛选[8]。另外，常用的抗除草剂类基因还有epsp
s基因和gox基因等，这类基因具有转化效率高，转基因植物可广泛用于大田除草等优点。然而这类基因的安全问题已成为关注焦点，抗除草剂类
标记基因可能会通过花粉和种子等途径在种群之间扩散，产生“超级杂草”，从而对生态环境和生物多样性造成危害。另外，个别抗除草剂基因有潜
在的致癌作用。2.生物安全性标记基因转基因技术是把“双刃剑”，在享受它带来的的科学发展、经济效益和社会效益的同时，社会公众也日益
关注转基因作物及其产品对生态环境和人类健康造成的安全性问题[9]。其中抗生素类和抗除草剂类标记基因的生物安全问题备受关注，目前解决
此问题的方法大致分为三种，一是转化过程仍使用传统标记基因，待转化成功后，转基因植物投放大田前再对标记基因予以剔除；二是开发生物安全
标记基因用于植物遗传转化；另外有少数研究表明在细胞遗传转化中可以利用无选择标记的转化系统。目前已报道有4种从转基因植物中消除标记基
因的方法：共转化、位点特异性重组、转座子介导的再定位和同源重组[10]。发展新型的生物安全标记基因应用于植物遗传转化已成必然趋势。
目前已开发的生物安全标记基因一般为代谢相关酶基因[11]，它们具有筛选试剂毒性小，不存在生物安全问题并且某些基因还可以提高植物的抗
逆性等方面的优点，但目前某些这类基因转化后会干扰植物的正常生长代谢，而且其转化率比传统筛选标记基因的转化率略低，另外一些基因在单/
双子叶植物转化中存在差异。（1）耐胁迫代谢相关酶基因这类标记基因又称化合物解毒酶基因，其编码产物为酶，能催化某类对细胞生长有毒的化
合物转变成无毒化合物，从而使含有此类基因的转化细胞能在含有毒化合物的培养基上正常生长，而非转化细胞则被杀死[12]。已报道的有BA
DH基因[13]，它是来源于藜科植物的甜菜碱醛脱氢酶(Betainealdehydedehydrogenase，BADH)基因
，已经作为目的基因在提高水稻、烟草等作物的抗逆胁迫能力上有重要作用。（2）糖类分解代谢相关酶基因这类标记基因的编码产物为某种糖类的
分解代谢酶，转化细胞能选择性的利用某种糖类作为碳源，而非转化细胞无法分解和利用此种糖类，从而导致非转化细胞生长受到抑制甚至死亡。目
前见报道的糖类分解代谢相关酶基因有木糖异构酶(xyloseisomerase，XYL)基因、阿拉伯糖醇脱氢酶（Arabitol
dehydrogenase）基因、核糖醇操纵子(ribitoloperon)和磷酸甘露糖异构酶(phosphomannose
isomerase，PMI)基因。他们分别能使转化细胞利用木糖、木酮糖、核糖醇和6-磷酸甘露糖为碳源，而非转化细胞由于没有这类基因
而无法产生相关酶，从而不能利用这些碳源而导致不能够正常生长，进而达到我们筛选转化细胞的目的。（3）氨基酸代谢相关酶基因[11]利
用植物体内氨基酸合成代谢中的关键酶活性严格的受其末端产物反馈调节的这种关系，人工对某种氨基酸合成途径中的关键酶的基因进行突变，使其
对这种反馈抑制不敏感，这类突变后的氨基酸代谢相关酶基因即可作为安全筛选标记基因，用于植物遗传转化，其选择剂为相应氨基酸的类似物[1
4]。目前已报道的有乙酰乳酸合酶(acetolactatesynthase,ALS)基因(als)、邻氨基苯甲酸合成酶(ant
hranilatesynthase,AS)基因(as)、天冬氨酸激酶(aspartatekinase,AK)基因(ak)等。（
4）激素代谢过程中的酶基因异戊烯基转移酶(isopentenyltransferase,IPT)基因(ipt)，其编码产物I
PT参与异戊烯腺苷(iPA)的合成，异戊烯腺苷是一种植物细胞分裂素，因此转化ipt基因成功的细胞可以在不含有细胞分裂素的培养基上生
长，而非转化细胞则会因为没有分裂素无法正常分化而死亡[15]。而吲哚-3-乙酰胺水解酶(indole-3-acetamideh
ydrolyse,IAAH)基因(iaaH)则是参与植物生长素IAA的合成，进而调节植物体内激素代谢来区分转化细胞和非转化细胞。
（5）叶绿素生物合成相关酶基因目前人们已研究发现在叶绿素生物合成途径中有两种关键酶基因可作为生物安全筛选标记，谷氨酸-1-半醛转
氨酶(glutamate-1-semialdehydeaminotransferase,GSA-AT)基因(hemL)和原卟啉
原氧化酶（ProtoporphyrinogenIXoxidase，PPOX）基因(PPO)[16]。谷氨酸-1-半醛氨基转移
酶(GSA-AT)是叶绿素生物合成途径中的第一个中间产物δ-氨基-γ-酮戊酸（Aminolaevulinicacid,ALA）
合成过程中的一个关键酶，它的活性可被3-氨基-2,3-二氢苯甲酸（Gabaculine）强烈抑制，从而导致ALA合成受阻，叶绿素
合成中断使得植物出现白化现象。原卟啉原氧化酶(PPOX)是血红素和叶绿素共同合成途径中的最后一个关键酶，已有实验证明，利用联苯醚类
除草剂可以与PPOX竞争性结合，在质体中过表达PPOX可以抵抗联苯醚类除草剂三氟羧草醚对植株的毒性[17]参考文献：[参考文献]D
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