爱华网模式生物
生命科学学院生物技术0901班
摘要：模式生物在生命科学研究中有重要的作用，不仅能回答最基本的生物学问题，对人类的疾病治疗也有借鉴意义。近年来随着分子生物学的发展及功能基因组计划的开展，模式生物的作用便显得越来越重要。本文主要介绍了模式生物的概念、特点、在某项研究中的提出、种类及在科学研究中的重要作用。
关键词：模式生物科学研究分子生物学 基因组
模式生物（ModelOrganism），作为实验模型以研究特定生物学现象，揭示某种具有普遍规律的生命现象的动物、植物和微生物，从研究模式生物得到的结论，通常可适用于其他生物。
在生物学发展之初，人们发现如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的现象难题可以得到部分解答。因为这些生物的细胞数量更少，分布相对单一，变化也较好观察。并且由于进化的原因，细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用较低等级的物种来研究发育的共通规律是具有一定的可行性。尤其是当我们在有不同发育特点的生物中发现共同的形态形成和变化特征时，就可以以此来建立发育的普遍原理，因此这种生物就显得尤为重要，我们称之为“模式生物”。因为对它们的研究可以帮助我们理解生命世界的一般规律。目前一些物种被大家公认为是优良的模式生物，如线虫、果蝇、非洲爪蟾、蝾螈、小鼠、斑马鱼、噬菌体、大肠杆菌、酿酒酵母、海胆等。它们在人口与健康领域应用范围比较广。而在植物学研究中比较常用的有，拟南芥、水稻、烟草等。
作为模式生物，它们有一些基本的共同点，即有利于回答研究者关注的问题，能够代表生物界的某一大群；对人体和环境无害，容易获得并易于在实验室内饲养和繁殖；世代短、子代少、遗传背景清楚；容易进行实验操作，特别是具有遗传操作的手段和表型分析的方法。而选择什么样的生物作为模式生物主要是依赖于研究者要解决什么科学问题，然后寻找能最有利于解决这个问题的物种。
例如斑马鱼(Danio rerio)，其为一种热带硬骨鱼，是研究脊椎动物器官发育和人类疾病的重要遗传学模型之一，其显著优势在于体积小( 3cm～4 cm)，可在较小的空间大量繁殖；产卵量高(每周200多个)；发育快，许多组织在受精后24 h开始形成；成熟周期短；体外受精且胚胎透明，可在体视解剖镜下观察；单倍体、雌核发育二倍体的制作和突变体的获得均较容易；精子可以冷冻保存。所有这些特点都使斑马鱼非常适合于遗传学的研究。斑马鱼的基因组中大约含有30000个基因，这个数目与人类差不多，而且它的许多基因与人类存在一一对应的关系。它的神经中枢系统、内脏器官、血液以及视觉系统，在分子水平上85%与人相同，尤其是心血管系统，早期发育与人类极为相似，在胚胎发育过程中可以全程观察和研究其心脏发育及血液流动状态。借助显微镜，甚至可看到每个心肌细胞和血液细胞。目前斑马鱼已成为研究人类疾病及动物胚胎发育的最佳模式生物。特别是在母体产生的因子(如蛋白质和mRNA)对启动胚胎发育的影响、体轴的形成机制、胚层的诱导与分化、胚胎中细胞的运动机制、器官的形成、左右不对称发育、原始生殖细胞的起源等方面均做出了巨大贡献。
在植物研究中，拟南芥(Arabidopsis thaliana)是最重要的模式生物之一。它是典型的十字花科植物，因为具有一些独特的生物学特性而成为当今分子生物学家、遗传学家和发育生物学家的宠儿。它的优点是：植株小（1个茶杯可种植好几棵）、每代时间短（从发芽到开花不超过6周）、结子多（每棵植物可产很多粒种子）、生活力强（用普通培养基就可作人工培养）。并且它的基因组是目前已知植物基因组中最小的：每个单倍染色体组（n=5）的总长只有7000万个碱基对，即只有小麦染色体组长的1/80，这就使克隆它的有关基因相对说来比较容易。其整个基因组已于2000年由国际拟南芥菜基因组合作联盟联合完成，也是第一个被顺序分析的植物基因组。除此之外，拟南芥是自花受粉植物，基因高度纯合，用理化因素处理突变率很高，容易获得各种代谢功能的缺陷型。例如用含杀草剂的培养基来筛选，一
般获得抗杀草剂的突变率是1/100000。
目前具有发展前景的新型模式生物有二穗短柄草、小立碗藓等。二穂短柄草（Commonwheat）是短柄草属中唯一的一年生杂草，也是最常见研究最多最深入的一个种，主要分布于欧洲、地中海、我国的西藏米林地区。
它的生物学优势为：（1）株型小，易培植；其成熟的植株高度约为20cm，如此小的株型，可以在较小的空间大量种植，且较易进行高通量的遗传学操作和突变体筛选等工作。另外，作为一种野草，二穗短柄草生命力强，容易培植，可以节约大量试验维护成本。（2）生命周期短，且有较大弹性；二穗短柄草为一年生，整个生命周期不足4个月，通过春化和光照诱导可以调控某些二倍体品系的开花时间。（3）自花授粉；二穗短柄草的花药和柱头被内稃和外稃紧紧包裹，天然状态下为自花授粉，易形成自交和近交系。（4）易遗传转化；可以用基因枪法和根癌农杆菌介导法中的任一种进行转化，而且组织培养后的再生能力较高。（5）丰富的遗传变异材料；二穗短柄草拥有较多不同显型和分子差异的生态型，这对分离群体的建立十分有益，而分离群体是基因图谱绘制和定位克隆的基础。
小立碗藓（Physcomitrella patens）,葫芦藓科，小立碗藓属，分布于欧洲、亚洲、非洲及大洋洲，我国湖南省张家界地区有分布,是一种非常理想的植物分子生物学研究材料。其植物体矮小，黄绿色，有光泽，稀疏丛集。茎细而短，叶片呈卵形或披针形，茎基部的叶较小，中肋单一、细长。蒴柄短粗，孢蒴呈圆球形或梨形，对称、不伸出叶丛，无蒴盖分化，孢蒴成熟后不规则开裂，蒴齿缺如，蒴帽极小，呈钟形。成熟后基部四瓣浅裂。孢子呈球状肾型。
小立碗藓作为模式生物的优势体现在：生长所需营养简单，容易培养；其配子体在生活史中占优势，对其突变体的表型可以进行直接研究；其核基因组易于与有同源片段的外源DNA发生高频率的同源重组，从而使得精确的基因破坏和基因敲除即基因打靶技术成为可能，为基因功能的研究提供了良好的材料。目前小立碗藓在国外已经成为植物分子生物学研究的模式生物。
模式生物在科学研究中具有重要的作用。例如在人类基因组研究中就十分注重模式生物的研究，这是由于要认识人体基因的功能，无法直接用人体作为实验对象。但是，由于生物是从共同祖先演化而来的，所以对生命活动有重要功能的基因在进化上是保守的，也就是说，这些基因的结构和功能，在低等生物和高等生物中是相似的。因此，可以通过对模式生物基因结构和功能的研究推测人类相应基因的功能。
此外，模式生物基因组研究最直接的应用体现在生物信息学领域。早在19世纪后期，一批欧洲胚胎学家就用海胆（Seaurchin）进行观察，诠释了精子、卵子的发现及受精卵受精的重大生物学问题；1995年诺贝尔奖获得者EdwardB.Lews、ChristianeNusslein-Volhord等正是由于选用了果蝇这一绝好的模式生物，才有了早期关于胚胎发育基因调控的重大发现；20世纪六七十年代英国发育生物学家JohnGurdon用非洲爪蟾这一模式脊椎动物进行了有关细胞核移植的开创性研究。现在，当人们发现了一个功能未知的人类新基因时，则可以迅速地在模式生物基因组数据库中，检索得到与之同源且功能已知的模式生物基因，并获得其功能方面的相关信息，从而加快对该人类基因的功能研究。
在短短的几十年期间，以模式生物为研究对象的重大科学发现层出不穷，模式生物已经在现代生命科学基础研究中具有不可替代的重要地位。而且随着越来越多的研究者的加入，也随着分子生物学的飞速发展，以及越来越多物种的基因组被测序，许多生物都有可能成为很好的模式生物。同时随着经典模式生物数据库的不断完善分子生物学的研究进展也必将加快。总之，有关模式生物的研究必将继续为人类探索生命规律的调控机制做出更大贡献，最终使我们真正了解我们最关心的模式生物——人类。
参考文献
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