從抗生素作用機理探討其在轉基因植物篩選中的應用

王梅霞

摘要：介紹了抗生素的種類及作用機理，探討了抗生素在植物轉基因技術中的應用，從原理上分析了植物轉基因技術中抗性標記基因選擇的依據。

關鍵詞：抗生素 轉基因植物 作用機理 抗性標記

中圖分類號：Q-49 文獻標志碼：E

基因工程是高中生物學選修教材中非常重要的內容，在近幾年的高考考題中也占有不小的比重。但教材中對于基因工程的操作及原理介紹得略顯單薄。下面就抗生素抗性基因在轉基因植物篩選中的作用進行探討，希望能夠對本部分教學提供一些幫助。植物轉基因技術是指把從動物、植物或微生物中分離到的目的基因通過各種方法轉移到植物的基因組中，使之穩定遺傳并賦予植物新的性狀，如抗蟲、抗病、抗逆、高產、優質。該技術的實施至少需要三種工具：準確切割DNA的“手術刀”——限制性核酸內切酶;將DNA片段再連接起來的“縫合針”——DNA連接酶;將體外重組好的DNA導入受體細胞的“運輸工具”——運載體。而運載體上的標記基因如抗生素抗性基因則可以幫助操作者將成功導入目的基因的受體細胞篩選出來。標記基因的選擇對于基因工程的成功至關重要，在實際操作中必須依據抗生素的作用機理和受體細胞的生物學特性選擇合適的抗生素抗性基因作為標記基因。

1抗生素

抗生素是指由微生物（包括細菌、真菌、放線菌屬）或高等動植物在生活過程中所產生的具有抗病原體或其他活性的一類次級代謝產物。抗生素既不參與構成細胞結構，也不是細胞的貯存養料;對產生菌本身無害，但能干擾其他活細胞的生長和發育。抗生素在臨床醫學和農業生產中有廣泛的應用。

1.1抗生素的種類

抗生素種類繁多，現己發現的多達數千種。按其化學結構的不同可分為：

①糖的衍生物，又稱為氨基糖苷類抗生素，在其分子結構中都有1個氨基環醇環和1個或多個氨基糖分子，如鏈霉素、卡那霉素。

②多肽類抗生素，主要或全部由氨基酸組成，有多肽或蛋白質的某些特性，如多黏菌素、青霉素。

③多烯類抗生素，分子結構中有多個雙鍵，如制霉菌素、兩性霉素。

④大環內酯抗生素，由一個或多個單糖組成并與碳鏈一起形成一個巨大的芳香內酯類化合物，如紅霉素。

⑤四環類抗生素，都具有四個縮合苯環，如四環素。

⑥嘌呤類抗生素，都含有嘌呤環，如嘌呤霉素。

1.2抗生素的抗菌機理

抗生素的作用機制主要有：

①抑制細胞壁的合成，如青霉素。

②與細胞膜相互作用，破壞細胞膜的功能，使細菌破裂，如多黏菌素。

③抑制蛋白質的合成，如四環素。

④干擾核酸代謝，如利福平。

1.2.1抑制細胞壁的合成

細菌的細胞壁主要由多糖、蛋白質和類脂類構成，具有維持形態、抵抗滲透壓變化等功能。因此，抑制細胞壁的合成會導致細菌細胞破裂而死亡;動物細胞沒有細胞壁，植物和真菌雖然有細胞壁，但其成分和細菌細胞壁有很大不同，所以不受這些藥物的影響。細菌細胞壁含有青霉素結合蛋白，β-內酰胺類抗生素能和這種蛋白結合，從而抑制細胞壁的合成。此類抗生素主要包括青霉素類和頭孢菌素類。

1.2.2與細胞膜相互作用，破壞細胞膜的功能，使細菌破裂

一些抗生素可以與細菌的細胞膜相互作用而影響膜的滲透性，使菌體內鹽類離子、蛋白質、核酸和氨基酸等重要物質外漏，最終嚴重影響細菌的生命活動，導致細菌死亡。例如，多黏菌素B以細菌外膜上的脂多糖為主要靶標，與其結合從而導致細菌細胞質膜紊亂，細胞破裂。值得注意的是，細菌細胞膜與人體細胞膜基本結構有很多相似之處，因此這類抗生素對人有一定的毒性。此類抗生素主要包括多黏菌素和短桿菌素。

1.2.3干擾蛋白質的合成

有些抗生素可以通過作用于細菌的核糖體，從而干擾菌體蛋白質的合成。蛋白質是生命活動的主要承擔者。干擾蛋白質的合成意味著細胞存活所必需的酶不能被合成，細胞的生命活動將受到嚴重影響，甚至無法進行。細菌的核糖體由50 S和30 S兩個亞基組成。其中，氨基糖苷類和四環素類抗生素能夠作用于30 S亞基，而氯霉素、大環內酯類、林可霉素類等主要作用于50 S亞基，抑制蛋白質合成的起始反應、肽鏈延長過程和終止反應。以這種方式作用的抗生素包括福霉素（放線菌素）類、氨基糖苷類（如卡那霉素、潮霉素、新霉素等）、四環素類（金霉素、土霉素、四環素）和氯霉素。

1.2.4抑制核酸復制和轉錄

抑制核酸的轉錄和復制，進而阻止細胞分裂和/或所需酶的合成。例如，利福平可以與細菌RNA聚合酶p亞基結合，抑制轉錄的起始，實現殺菌效果。再如新生霉素可以影響DNA聚合酶的作用，從而影響DNA合成。以這種方式作用的抗生素包括萘啶酸、二氯基吖啶、利福平和灰黃霉素（抑制真菌的核酸代謝）等。

2植物轉基因技術中常用的抗生素及作用

抗生素在植物轉基因技術中的主要作用有兩種：①作為抑菌劑，用于植物受體材料感染農桿菌共培養后的脫菌（去除農桿菌）和防止雜菌污染。②抗生素在植物轉基因技術中還可以用于篩選轉化體和檢測轉基因后代，稱作篩選劑。

2.1植物轉基因技術中的抑菌劑

植物轉基因技術中常用的轉化方法為農桿菌轉化法。該方法經濟有效，迄今為止約80%的轉基因植物都是通過這種方法獲得的。轉化結束后，農桿菌的存在將會影響受體細胞的生長和發育，因此常用一定濃度的抗生素去除或抑制農桿菌的生長，同時也可以防止其他雜菌的污染。通常向培養體系中添加青霉素類（羧芐青霉素、氨芐青霉素等）、頭孢霉素類（頭孢霉唑林鈉、頭孢霉哌酮鈉、頭孢拉定、頭孢霉西林鈉、頭孢霉曲松鈉等）和大環內脂類（紅霉素、白霉素等）達到這一目的。

2.2植物轉基因技術中的篩選劑

基因工程中轉化子的篩選通常借助于基因表達載體上的標記基因。植物轉基因技術也不例外。抗生素抗性基因是常用的遺傳標記基因。但是并不是所有的抗生素抗性基因都可以用于轉基因植物中轉化子的篩選。如青霉素抗性基因，該基因的導入將賦予受體細胞青霉素抗性，但是植物細胞本來就對青霉素具有抗性。因此在轉基因操作中要根據受體細胞的特性來選擇合適的抗性標記基因。

轉基因植物中所用的抗生素抗性基因包括卡那霉素抗性基因（Kanr）（提供卡那霉素、新霉素抗性）、慶大霉素抗性基因（Gm'）（提供慶大霉素抗性）等。氨基葡萄糖苷類抗生素（卡那霉素、新霉素、潮霉素等）是常用的選擇劑。此類抗生素主要是通過作用于50 S核糖體亞基或30 S核糖體亞基，從而干擾細胞蛋白質的合成。真核生物細胞質基質和內質網上的核糖體由60 S和40 S兩個亞基組成，并不受上述抗生素的影響。但真核細胞的線粒體和葉綠體內的核糖體因組成和細菌核糖體極為相似，會受到氨基葡萄糖苷類抗生素的影響。此類抗生素作用于無相關抗性的植物時，會影響植物葉綠體、線粒體部分蛋白質的合成，從而影響植物的生長，甚至導致其死亡。而轉化子細胞因為遺傳標記基因所賦予的抗性所以不受影響。例如，Kan^r編碼的產物氨基糖苷磷酸轉移酶對氨基糖苷類抗生素具有抗性，從而解除抗生素對植物的毒性，抑制卡那霉素等與植物細胞內葉綠體和線粒體核糖體結合，保證葉綠體和線粒體蛋白質的正常。非轉基因植株由于缺乏該抗性，表現為植株綠色器官黃化或死亡。

3結語

綜上可知，在植物轉基因技術中正確選擇抗性標記及對應的篩選劑，是建立在對抗生素作用機理及受體細胞生理特性的充分了解上的。否則，就是南轅北轍，永遠也不能達到預期目標。