模式生物丨拟南芥

 

来源公众号：小茗惠子的笔记　作者：小茗惠子

拟南芥

拟南芥 （拉丁学名：Arabidopsis thaliana（L.）Heynh.），俗名为鼠耳芥，是十字花科拟南芥属双子叶植物。

拟南芥高20-35厘米，不分枝或自中上部分枝，下部有时为淡紫白色，茎上常有纵槽，上部无毛，下部被单毛。其基生叶莲座状，倒卵形或匙形。其茎生叶无柄，披针形，条形、长圆形或椭圆形，花序为疏松的总状花序，萼片长圆卵形，花瓣白色，长圆条形。生于平地、山坡、河边、路边。分布于华东、中南、西北及西部各省区。

拟南芥的特点

1、植株微小：成熟植株高度仅约15-25厘米，非常适合在实验室的培养皿或小花盆中大量种植。

2、生命周期短：从播种、发芽、生长、开花到结出种子，整个生命周期大约只有6-8周。这意味着科学家可以在短时间内研究多代遗传现象。

3、繁殖能力强：每株拟南芥可以产生数千粒种子，这为遗传统计和分析提供了充足的实验材料。

4、自花授粉：拟南芥通常是自花授粉，这意味着它很容易保持纯种（纯合子） 品系，有利于遗传学研究。同时，科学家也可以方便地进行人工杂交。

5、基因组小：拟南芥的基因组是植物中最小的之一。它在2000年就完成了全基因组测序，是人类第一个完成全基因组测序的植物。其基因组结构相对简单，基因数量约2.7万个，为分子水平的研究提供了极大便利。

拟南芥作为模式生物的突出优点

结合其特点，拟南芥的优势非常明显，完美契合了实验室研究的需求：

1、便于培养和保存：体型小，不占空间，一个培养间可以种植成千上万株。所需营养简单，培养成本低。

2、研究效率高：生命周期短，可以“快节奏”地进行遗传杂交实验和观察性状遗传，大大加快了科研进度。

3、遗传背景清晰：由于基因组小且已完成测序，科学家可以像查字典一样，快速定位到某个基因，研究其功能。这是它最核心的优势。

4、易于进行遗传操作：通过现代生物技术（如农杆菌转化法），可以相对容易地将外源基因转入拟南芥，或者使它的某个基因失去功能（即“基因敲除”），从而研究该基因的作用。

5、研究成果具有普遍指导意义：虽然拟南芥形态简单，但它作为一种开花植物，其基本的生命过程，如光合作用、种子萌发、开花调控、激素响应、抗病抗逆等，与其他高等植物（包括农作物）在分子和遗传水平上高度保守。在它身上发现的规律，往往适用于其他植物。

应用案例

拟南芥的研究成果极大地推动了植物科学乃至整个生命科学的进步。以下是几个高中生可以理解的应用案例：

1、“春化作用”的分子机制

问题：为什么有些植物（如冬小麦）需要经过一个寒冷的冬天（低温处理）才能在来年春天开花？

研究：科学家利用拟南芥的突变体进行研究，发现了控制这一过程的关键基因（如FLC基因）。低温能够“关闭”这个基因，从而解除对开花的抑制，促使植物在春天开花。

意义：这一发现不仅解释了经典的春化现象，还对农业生产中控制作物花期具有重要指导意义。

2、植物向光性原理的深化

问题：植物为什么会长向有光的一面？

历史：达尔文等人推测植物尖端有某种“影响物质”。后来证实是生长素（IAA）。

拟南芥的贡献：科学家在拟南芥中发现了负责感受蓝光的向光素受体蛋白，以及负责在细胞间运输生长素的转运蛋白。通过研究这些蛋白的突变体，清晰地揭示了光信号如何调控生长素的不均匀分布，最终导致茎秆弯曲的完整分子路径。

3、植物抗病机制的研究

问题：植物没有动物那样的免疫系统，它们如何抵抗病菌的入侵？

研究：科学家用病原菌感染拟南芥，发现植物体内存在一套精密的“基因对基因”的免疫系统。当植物的抗病蛋白（R蛋白）识别到病原菌的特异性效应蛋白时，会触发强烈的防御反应，甚至让被感染的细胞凋亡（程序性死亡）以阻止病菌扩散，这被称为超敏反应。

意义：这些发现为培育抗病作物品种提供了直接的基因靶点。

4、生物节律（生物钟）的研究

问题：植物如何知道何时该在白天张开叶片进行光合作用，何时该在夜晚闭合叶片休息？

研究：拟南芥是研究植物生物钟的绝佳模型。科学家发现了一系列核心节律基因（如TOC1, CCA1, LHY等），它们构成一个精密的转录-翻译反馈环路，像钟表一样以大约24小时为周期运转，调控着植物体内数以千计基因的周期性表达。

意义：理解生物钟有助于优化作物种植，使其更好地适应环境的光暗和温度周期，提高产量。

　

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