从抗生素作用机理探讨其在转基因植物筛选中的应用

王梅霞

摘要：介绍了抗生素的种类及作用机理，探讨了抗生素在植物转基因技术中的应用，从原理上分析了植物转基因技术中抗性标记基因选择的依据。

关键词：抗生素 转基因植物 作用机理 抗性标记

中图分类号：Q-49 文献标志码：E

基因工程是高中生物学选修教材中非常重要的内容，在近几年的高考考题中也占有不小的比重。但教材中对于基因工程的操作及原理介绍得略显单薄。下面就抗生素抗性基因在转基因植物筛选中的作用进行探讨，希望能够对本部分教学提供一些帮助。植物转基因技术是指把从动物、植物或微生物中分离到的目的基因通过各种方法转移到植物的基因组中，使之稳定遗传并赋予植物新的性状，如抗虫、抗病、抗逆、高产、优质。该技术的实施至少需要三种工具：准确切割DNA的“手术刀”——限制性核酸内切酶;将DNA片段再连接起来的“缝合针”——DNA连接酶;将体外重组好的DNA导入受体细胞的“运输工具”——运载体。而运载体上的标记基因如抗生素抗性基因则可以帮助操作者将成功导入目的基因的受体细胞筛选出来。标记基因的选择对于基因工程的成功至关重要，在实际操作中必须依据抗生素的作用机理和受体细胞的生物学特性选择合适的抗生素抗性基因作为标记基因。

1抗生素

抗生素是指由微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物。抗生素既不参与构成细胞结构，也不是细胞的贮存养料;对产生菌本身无害，但能干扰其他活细胞的生长和发育。抗生素在临床医学和农业生产中有广泛的应用。

1.1抗生素的种类

抗生素种类繁多，现己发现的多达数千种。按其化学结构的不同可分为：

①糖的衍生物，又称为氨基糖苷类抗生素，在其分子结构中都有1个氨基环醇环和1个或多个氨基糖分子，如链霉素、卡那霉素。

②多肽类抗生素，主要或全部由氨基酸组成，有多肽或蛋白质的某些特性，如多黏菌素、青霉素。

③多烯类抗生素，分子结构中有多个双键，如制霉菌素、两性霉素。

④大环内酯抗生素，由一个或多个单糖组成并与碳链一起形成一个巨大的芳香内酯类化合物，如红霉素。

⑤四环类抗生素，都具有四个缩合苯环，如四环素。

⑥嘌呤类抗生素，都含有嘌呤环，如嘌呤霉素。

1.2抗生素的抗菌机理

抗生素的作用机制主要有：

①抑制细胞壁的合成，如青霉素。

②与细胞膜相互作用，破坏细胞膜的功能，使细菌破裂，如多黏菌素。

③抑制蛋白质的合成，如四环素。

④干扰核酸代谢，如利福平。

1.2.1抑制细胞壁的合成

细菌的细胞壁主要由多糖、蛋白质和类脂类构成，具有维持形态、抵抗渗透压变化等功能。因此，抑制细胞壁的合成会导致细菌细胞破裂而死亡;动物细胞没有细胞壁，植物和真菌虽然有细胞壁，但其成分和细菌细胞壁有很大不同，所以不受这些药物的影响。细菌细胞壁含有青霉素结合蛋白，β-内酰胺类抗生素能和这种蛋白结合，从而抑制细胞壁的合成。此类抗生素主要包括青霉素类和头孢菌素类。

1.2.2与细胞膜相互作用，破坏细胞膜的功能，使细菌破裂

一些抗生素可以与细菌的细胞膜相互作用而影响膜的渗透性，使菌体内盐类离子、蛋白质、核酸和氨基酸等重要物质外漏，最终严重影响细菌的生命活动，导致细菌死亡。例如，多黏菌素B以细菌外膜上的脂多糖为主要靶标，与其结合从而导致细菌细胞质膜紊乱，细胞破裂。值得注意的是，细菌细胞膜与人体细胞膜基本结构有很多相似之处，因此这类抗生素对人有一定的毒性。此类抗生素主要包括多黏菌素和短杆菌素。

1.2.3干扰蛋白质的合成

有些抗生素可以通过作用于细菌的核糖体，从而干扰菌体蛋白质的合成。蛋白质是生命活动的主要承担者。干扰蛋白质的合成意味着细胞存活所必需的酶不能被合成，细胞的生命活动将受到严重影响，甚至无法进行。细菌的核糖体由50 S和30 S两个亚基组成。其中，氨基糖苷类和四环素类抗生素能够作用于30 S亚基，而氯霉素、大环内酯类、林可霉素类等主要作用于50 S亚基，抑制蛋白质合成的起始反应、肽链延长过程和终止反应。以这种方式作用的抗生素包括福霉素（放线菌素）类、氨基糖苷类（如卡那霉素、潮霉素、新霉素等）、四环素类（金霉素、土霉素、四环素）和氯霉素。

1.2.4抑制核酸复制和转录

抑制核酸的转录和复制，进而阻止细胞分裂和/或所需酶的合成。例如，利福平可以与细菌RNA聚合酶p亚基结合，抑制转录的起始，实现杀菌效果。再如新生霉素可以影响DNA聚合酶的作用，从而影响DNA合成。以这种方式作用的抗生素包括萘啶酸、二氯基吖啶、利福平和灰黄霉素（抑制真菌的核酸代谢）等。

2植物转基因技术中常用的抗生素及作用

抗生素在植物转基因技术中的主要作用有两种：①作为抑菌剂，用于植物受体材料感染农杆菌共培养后的脱菌（去除农杆菌）和防止杂菌污染。②抗生素在植物转基因技术中还可以用于筛选转化体和检测转基因后代，称作筛选剂。

2.1植物转基因技术中的抑菌剂

植物转基因技术中常用的转化方法为农杆菌转化法。该方法经济有效，迄今为止约80%的转基因植物都是通过这种方法获得的。转化结束后，农杆菌的存在将会影响受体细胞的生长和发育，因此常用一定浓度的抗生素去除或抑制农杆菌的生长，同时也可以防止其他杂菌的污染。通常向培养体系中添加青霉素类（羧苄青霉素、氨苄青霉素等）、头孢霉素类（头孢霉唑林钠、头孢霉哌酮钠、头孢拉定、头孢霉西林钠、头孢霉曲松钠等）和大环内脂类（红霉素、白霉素等）达到这一目的。

2.2植物轉基因技术中的筛选剂

基因工程中转化子的筛选通常借助于基因表达载体上的标记基因。植物转基因技术也不例外。抗生素抗性基因是常用的遗传标记基因。但是并不是所有的抗生素抗性基因都可以用于转基因植物中转化子的筛选。如青霉素抗性基因，该基因的导入将赋予受体细胞青霉素抗性，但是植物细胞本来就对青霉素具有抗性。因此在转基因操作中要根据受体细胞的特性来选择合适的抗性标记基因。

转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）、庆大霉素抗性基因（Gm'）（提供庆大霉素抗性）等。氨基葡萄糖苷类抗生素（卡那霉素、新霉素、潮霉素等）是常用的选择剂。此类抗生素主要是通过作用于50 S核糖体亚基或30 S核糖体亚基，从而干扰细胞蛋白质的合成。真核生物细胞质基质和内质网上的核糖体由60 S和40 S两个亚基组成，并不受上述抗生素的影响。但真核细胞的线粒体和叶绿体内的核糖体因组成和细菌核糖体极为相似，会受到氨基葡萄糖苷类抗生素的影响。此类抗生素作用于无相关抗性的植物时，会影响植物叶绿体、线粒体部分蛋白质的合成，从而影响植物的生长，甚至导致其死亡。而转化子细胞因为遗传标记基因所赋予的抗性所以不受影响。例如，Kan^r编码的产物氨基糖苷磷酸转移酶对氨基糖苷类抗生素具有抗性，从而解除抗生素对植物的毒性，抑制卡那霉素等与植物细胞内叶绿体和线粒体核糖体结合，保证叶绿体和线粒体蛋白质的正常。非转基因植株由于缺乏该抗性，表现为植株绿色器官黄化或死亡。

3结语

综上可知，在植物转基因技术中正确选择抗性标记及对应的筛选剂，是建立在对抗生素作用机理及受体细胞生理特性的充分了解上的。否则，就是南辕北辙，永远也不能达到预期目标。