生物學家通過對選定的生物物種進行科學研究，用於揭示某種具有普遍規律的生命現象，這種被選定的生物物種就是模式生物。如：線蟲、果蠅、斑馬魚、小鼠等。
基本介紹
- 中文名：模式生物
- 外文名：Model organism
- 模式微生物：大腸桿菌、酵母
- 模式植物：擬南芥
- 模式動物：線蟲、果蠅、斑馬魚、小鼠
簡介,背景,定義,套用,基因研究,影響,舉例,果蠅,大腸桿菌,斑馬魚,小鼠,酵母,擬南芥,
簡介
生物學家通過對選定的生物物種進行科學研究，用於揭示某種具有普遍規律的生命現象。此時，這種被選定的生物物種就是模式生物。比如：孟德爾在揭示生物界遺傳規律時選用豌豆作為實驗材料，而摩爾根選用果蠅作為實驗材料，在他們的研究中，豌豆和果蠅就是研究生物體遺傳規律的模式生物。由於進化的原因，許多生命活動的基本方式在地球上的各種生物物種中是保守的，這是模式生物研究策略能夠成功的基本基礎。選擇什麼樣的生物作為模式生物首先依賴於研究者要解決什麼科學問題，然後尋找能最有利於解決這個問題的物種。19世紀末20世紀初，人們就發現，如果把關注的焦點集中在相對簡單的生物上則發育現象的難題可以得到部分解答。因為這些生物更容易被觀察和實驗操作，因此，除了在遺傳學研究外，模式生物研究策略在發育生物學中獲得了非常廣泛的套用，一些物種被大家公認為優良的模式生物，如線蟲、果蠅、非洲爪蟾、蠑螈、小鼠等。
隨著人類基因組計畫的完成和後基因組研究時代的到來，模式生物研究策略得到了更加的重視；基因的結構和功能可以在其它合適的生物中去研究，同樣人類的生理和病理過程也可以選擇合適的生物來模擬。
隨著生命科學研究的發展，還會有新的物種被人們用來作為模式生物。
但它們會有一些基本共同點：
1）有利於回答研究者關注的問題，能夠代表生物界的某一大類群；
2）對人體和環境無害，容易獲得並易於在實驗室內飼養和繁殖；
4）容易進行實驗操作，特別是具有遺傳操作的手段和表型分析的方法。
背景
早在20世紀最初的20年中，甚至更早到19世紀，人們就發現，如果把關注的焦點集中在相對簡單的生物上則發育的現象難題可以得到部分解答。因為這些生物的細胞數量更少，分布相對單一，變化也較好觀察。由於進化的原因，細胞生命在發育的基本模式方面具有相當大的同一性，所以利用位於生物複雜性階梯較低級位置上的物種來研究發育共通規律是可能的。尤其是當在有不同發育特點的生物中發現共同形態形成和變化特徵時，發育的普遍原理也就得以建立。因為對這些生物的研究具有幫助我們理解生命世界一般規律的意義，所以它們被稱為“模式生物”。
定義
此外模式植物包括：
擬南芥（Arabidopsis），水稻（Rice(OryzasativaL.)）等
套用
基因研究
在人類基因組研究中十分注重模式生物的研究，這是由於要認識人體基因的功能，無法直接用人體作為實驗對象。但是，生物是從共同祖先演化而來的，所以對生命活動有重要功能的基因在進化上是保守的，也就是說，這些基因的結構和功能，在低等生物和高等生物中是相似的。因此，可以用比較容易研究的生物作為模型來研究其基因的結構和生物學功能，由此獲得的信息可以使用於其他比較難以研究的生物，特別是推測相似的人體基因的功能。
影響
1. 生物的多樣形式在進化過程中形成的，不同的生物有不同的形態結構和生理特徵，但對生命活動有重要功能的基因卻是高度保守的。因此，可從模式生物著手，先弄清楚低等生物的相對比較簡單的基因組和生理功能，再以此為基礎進一步研究人體這一複雜系統。比如，克隆低等生物的基因和闡明其功能後，將有助於克隆與該基因有同源序列的人體基因，並推測其可能的生理功能。
2. 在很多情況下不可能用人直接進行試驗。比如設法破壞某一個基因或轉入某一個基因，觀察這樣做對生物體的發育、生長、壽命和健康會產生什麼樣的後果，這只能在實驗動物身上進行。因此也就的研究這些實驗動物的基因組。
舉例
果蠅
有誰會想到，一種紅眼、雙翅、羽狀觸角芒、身體分節、黃褐色的小昆蟲，在近百年間竟然能夠“培養”出好幾位獲得諾貝爾獎的大科學家。它就是果蠅。果蠅英文俗名fruitfly或vinegarfly，果蠅廣泛地存在於全球溫帶及熱帶氣候區，而且由於其主食為腐爛的水果，因此在人類的棲息地內如果園，菜市場等地區內皆可見其蹤跡。除了南北極外，至少有1000個以上的果蠅物種被發現，大部分的物種以腐爛的水果或植物體為食，少部分則只取用真菌，樹液或花粉為其食物。
模式生物——果蠅
模式生物——果蠅在不供給食物的情況下，果蠅可存活50小時左右，在不供給水的情況下，果蠅無法活過一天。蛹期果蠅在其正常5天生活周期下可取食其體重3~5倍之食物，雌果蠅在產卵期每日可取用與其體重等重之食物。果蠅成蟲的食物內需有醣類，而蛹期果蠅則可只依賴酵母即可生育。
以果蠅作為遺傳學研究的材料，利用突變株研究基因和性狀之間的關係已近一百年，至今，各種研究遺傳學的工具已達完善的地步，果蠅提供我們對今日的遺傳學的知識有其不可磨滅的貢獻；從1980年初，Drs.C.Nesslein-Volhard和E.Weichaus以果蠅作為發育生物學的模式動物，利用其完備的遺傳研究工具來探討基因是如何調控動物體胚胎的發育，也帶動了其它模式生物（線蟲、斑馬魚、小鼠和擬南芥等）的研究，且成果非常多。
黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)是雙翅目昆蟲，生活史短，易飼養，繁殖快，染色體少，突變型多，個體小，是一種很好的遺傳學實驗材料，是一種模式生物。基因組全長
kb，大約編碼13600個基因。
黑腹果蠅是一種原產於熱帶或亞熱帶的蠅種。它和人類一樣分布於全世界，並且在人類的居室內過冬。雌性體長2.5毫米,雄性較之還要小。雄性有深色後肢，可以此來與雌性作區別。
雌蠅可以一次產下400個0.5毫米大小的卵，它們有絨毛膜和一層卵黃膜包被。其發育速度受環境溫度影響。在25℃環境下，22小時後幼蟲就會破殼而出,並且立刻覓食。因為母體會將它們放在腐爛的水果上或其他發酵的有機物上，所以它們的首要食物來源是使水果腐爛的微生物，如酵母和細菌，其次是含糖的水果。幼蟲24小時後就會第一次蛻皮，並且不斷生長，以到達第二幼體發育期。經過三個幼蟲發育階段和四天的蛹期，在25℃下過一天，就會發育為成蟲。
在20世紀生命科學發展的歷史長河中，果蠅扮演了十分重要的角色，是十分活躍的模型生物。遺傳學的研究、發育的基因調控的研究、各類神經疾病的研究、帕金森氏病、老年痴呆症、藥物成癮和酒精中毒、衰老與長壽、學習記憶與某些認知行為的研究等都有果蠅的“身影”。
果蠅以發酵爛水果上的酵母為食，廣泛分布於世界各溫帶地區。果蠅具有生活周期短、容易飼養、繁殖力強、染色體數目少而易於觀察等特點，因而是遺傳學研究的最佳材料。早在1908年由天才的遺傳學家摩爾根把它帶上了遺傳學研究的歷史舞台，約在此後30年的時間中，果蠅成為經典遺傳學的“主角”。
科學家不僅用果蠅證實了孟德爾定律，而且發現了果蠅白眼突變的性連鎖遺傳，提出了基因在染色體上直線排列以及連鎖交換定律。摩爾根1933年因此被授予諾貝爾獎。1946年，摩爾根的學生，被譽為“果蠅的突變大師”的米勒，證明X射線能使果蠅的突變率提高150倍，因而成為諾貝爾獎獲得者。
在近代發育生物學研究領域中，果蠅的發生遺傳學獨領風騷。1995年，諾貝爾獎再次授予三位在果蠅研究中辛勤耕耘的科學家。果蠅為進一步闡明基因－神經（腦）－行為之間關係的研究提供了理想的動物模型。
專家認為，近一個世紀以來，果蠅遺傳學在各個層次的研究中積累了十分豐富的資料。人們對它的遺傳背景有著比其他生物更全面更深入的了解。作為經典的模式生物，果蠅在21世紀的遺傳學研究中將發揮更加巨大而不可替代的作用。
大腸桿菌
大腸埃希氏菌(E.coli)通常稱為大腸桿菌，是人類和大多數溫血動物腸道中的正常茵群。但也有某些血清型的大腸桿菌可引起不同症狀的腹瀉，根據不同的生物學特性將致病性大腸桿菌分為5類：致病性大腸桿菌(EPEC)、腸產毒性大腸桿菌(ETEC)、腸侵襲性大腸桿菌(EIEC)、腸出血性大腸桿菌(E．I"IEC)、腸黏附性大腸桿菌(EAEC)。
模式生物——大腸桿菌
模式生物——大腸桿菌大腸桿菌電子顯微鏡下圖像
大腸桿菌0157：H7血清型屬腸出血性大腸桿菌，自1982年在美國首先發現以來，包括我國等許多國家都有報導，且日見增加。日本自80年代以來因食物污染該菌導致的數起大暴發，格外引人注目。在美國和加拿大通常分離的腸道致病菌中，截止2013年它已排在第二和第三位。大腸桿菌0157：H7引起腸出血性腹瀉，約2%～7%的病人會發展成溶血性尿毒綜合症，兒童與老人最容易出現後一種情況。致病性大腸桿菌通過污染飲水、食品、娛樂水體引起疾病暴發流行，病情嚴重者，可危急生命。
大腸桿菌（Escherichiacoli，E.coli）革蘭氏陰性短桿菌，大小0.5×1～3微米。周身鞭毛，能運動，無芽孢。能發酵多種糖類產酸、產氣，是人和動物腸道中的正常棲居菌，嬰兒出生後即隨哺乳進入腸道，與人終身相伴，其代謝活動能抑制腸道內分解蛋白質的微生物生長，減少蛋白質分解產物對人體的危害，還能合成維生素B和K，以及有殺菌作用的大腸桿菌素。正常棲居條件下不致病。但若進入膽囊、膀胱等處可引起炎症。在腸道中大量繁殖，幾占糞便乾重的1/3。兼性厭氧菌。在環境衛生不良的情況下，常隨糞便散布在周圍環境中。若在水和食品中檢出此菌，可認為是被糞便污染的指標，從而可能有腸道病原菌的存在。因此，大腸菌群數（或大腸菌值）常作為飲水和食物（或藥物）的衛生學標準。大腸桿菌的抗原成分複雜，可分為菌體抗原（O）、鞭毛抗原（H）和表面抗原（K），後者有抗機體吞噬和抗補體的能力。根據菌體抗原的不同，可將大腸桿菌分為150多型，其中有16個血清型為致病性大腸桿菌，常引起流行性嬰兒腹泄和成人肋膜炎。大腸桿菌是研究微生物遺傳的重要材料，如局限性轉導就是1954年在大腸桿菌K12菌株中發現的。萊德伯格（Lederberg）採用兩株大腸桿菌的營養缺陷型進行實驗，奠定了研究細菌接合方法學上的基礎，以及基因工程的研究。
大腸桿菌是人和許多動物腸道中最主要且數量最多的一種細菌，主要寄生在大腸內。它侵入人體一些部位時，可引起感染，如腹膜炎、膽囊炎、膀胱炎及腹瀉等。人在感染大腸桿菌後的症狀為胃痛、嘔吐、腹瀉和發熱。感染可能是致命性的，尤其是對孩子及老人。
該菌對熱的抵抗力較其他腸道桿菌強，55℃經60分鐘或60℃加熱15分鐘仍有部分細菌存活。在自然界的水中可存活數周至數月，在溫度較低的糞便中存活更久。膽鹽、煌綠等對大腸桿菌有抑制作用。對磺胺類、鏈黴素、氯黴素等敏感，但易耐藥，是由帶有R因子的質粒轉移而獲得的。
斑馬魚
模式生物——斑馬魚斑馬魚屬鯉科短擔尼魚屬，原產於南亞，是一種常見的熱帶魚。斑馬魚體型纖細，成體長3-4cm，對水質要求不高。孵出後約3個月達到性成熟，成熟魚每隔幾天可產卵一次。卵子體外受精，體外發育，胚胎髮育同步且速度快，胚體透明。發育溫度要求在25-31℃之間。斑馬魚由於個體小，養殖花費少，能大規模繁育，且具許多優點，吸引了眾多研究者的注意。經過30多年的研究套用和系統發展，已有約20個斑馬魚品系，斑馬魚基因資料庫里有相關的資料可供查詢和下載，方便了研究。斑馬魚的細胞標記技術、組織移植技術、突變技術、單倍體育種技術、轉基因技術、基因活性抑制技術等已經成熟，且有數以千計的斑馬魚胚胎突變體，是研究胚胎髮育分子機制的優良資源，有的還可做為人類疾病模型。斑馬魚已經成為最受重視的脊椎動物發育生物學模式之一，在其它學科上的利用也顯示很大的潛力. 斑馬魚（Daniorerio,俗稱zebrafish）具有繁殖能力強、體外受精和發育、胚胎透明、性成熟周期短、個體小易養殖等諸多特點，特別是可以進行大規模的正向基因飽和突變與篩選。這些特點使其成為功能基因組時代生命科學研究中重要的模式脊椎動物之一。在國際上，斑馬魚模式生物的使用正逐漸拓展和深入到生命體的多種系統（例如，神經系統、免疫系統、心血管系統、生殖系統等）的發育、功能和疾病（例如，神經退行性疾病、遺傳性心血管疾病、糖尿病等）的研究中，並已套用於小分子化合物的大規模新藥篩選。我國開展斑馬魚相關的研究無論在規模還是在重視程度上都遠遠落後於國際形勢發展的需要。推動和發展斑馬魚模式生物在我國生命科學研究中的廣泛使用是本中心的宗旨。在國家科技部重大科學研究計畫的支持下，我們匯集優勢，整合我國現有的斑馬魚主要研究力量，在未來幾年內逐步建立全國共享的斑馬魚模式動物研究技術和資源庫，向國內同行提供斑馬魚資源、信息和技術支撐。本著提高服務效率和質量為原則，我們在上海和北京分別建立國家斑馬魚模式動物南方中心和北方中心。南方中心依託於中國科學院上海生命科學研究院，北方中心依託於北京大學和清華大學。兩個中心本著優勢互補的原則，共同開發研究技術和資源，以輻射狀向國內研究人員提供服務，積極推進我國斑馬魚相關科學研究。
斑馬魚的發育譜系
主要技術和資源服務內容：
模式生物4)動物行為範式分析服務：包括感覺相關的應激行為、視覺運動行為、學習記憶行為和藥物成癮行為等；
5)斑馬魚基因突變技術服務：包括插入誘變和ENU化學誘變技術；
6)斑馬魚轉基因資源庫和突變體資源庫服務：包括研製、收集和分發各種斑馬魚轉基因品系和突變體；
7)信息服務：包括建立斑馬魚資源信息網路資料庫和提供斑馬魚基因組生物信息學分析服務。
首先構建以Tol2轉座子為基礎的enhancertrap載體，報告基因選用GFP或RFP，最小啟動子來自斑馬魚gata2基因；將上述載體與體外轉錄得到的Tol2轉座酶的mRNA共同注射到斑馬魚的單細胞受精卵中，受精卵長大後成為founder；Founder外交（out-cross）得到F1代胚胎，從中挑選出對於報告基因具有組織特異性表達模式的胚胎，拍照記錄後分類培養；F1長大後通過linker-mediatedPCR的方法鑑定對應於GFP（或RFP）表達圖式的Tol2插入位點，並通過與已知基因組數據比較,對插入位點進行定位與分析；通過外交純化得到轉基因魚，直至得到只含有單個插入品系的轉基因魚。通過克隆特定基因的啟動子/增強子或BAC修飾法構建在特定組織器官或特定胚胎髮育階段表達報告基因的轉基因品系。BAC方法如下：在斑馬魚基因組計畫網站上通過BLAST將感興趣的基因定位到已知的contig上，並通過contig信息尋找包含所選基因的BACID號；通過同源重組的方法對上述BAC克隆進行修飾，將報告基因引入原有的BAC克隆；將修飾過的BAC克隆通過顯微注射的方法引入斑馬魚受精卵，連續觀察並挑選具有特異表達模式的轉基因魚；將上述成魚外交得到F1代，在F1代中篩選具有特異表達模式的成魚，即得到所需的轉基因品系。
小鼠
在分類學上，小鼠屬於哺乳綱（Mammalia）、齧齒目（Rodentia）、鼠科（Muridae）、小鼠屬（Mus）動物。小鼠是由小家鼠演變而來。它廣泛分布於世界各地，經長期人工飼養選擇培育，已育成1000多近交系和獨立的遠交群。早在17世紀就有人用小鼠做實驗，現已成為使用量最大、研究最詳盡的哺乳類實驗動物。
模式生物——小鼠
模式生物——小鼠1．小鼠屬於脊椎動物門，哺乳綱小鼠齧齒目，鼠科，小鼠屬動物。
小鼠（清潔級）
2．成熟早，繁殖力強。小鼠6～7周齡時性成熟，雌性35～50日齡，雄性45～60日齡；體成熟雌性為65～75日齡，雄性為70～80日齡；性周期為4～5天，妊娠期為19～21天；哺乳期為20～22天；特別有產後發情（PostPartumOestrus）便於繁殖的特點，一次排卵10～23個（視品種而定），每胎產仔數為8～15頭，一年產仔胎數6～10胎，屬全年、多發情性動物，繁殖率很高，生育期為一年。
3．體形小，易於飼養管理。小鼠是齧齒目實驗動物中較小型的動物，一隻小鼠出生時1.5克左右，哺乳一月後可達12～15克，哺乳、飼養1.5～2月即可達20克以上，可供實驗需要，在短時間內可提供大量的實驗動物。飼料消耗量少，一隻成年小鼠的食料量為4～8克/天，飲水量4～7毫升/天，排糞量1.4～2.8克/天，排尿量1～3毫升/天，需要的飼養條件也較簡單，因個體小，可節省飼養場地。
4．性情溫順，膽小怕驚。小鼠經長期的培育，在用於實驗研究時，性情溫順，易於抓捕，不會主動咬人，但在雌鼠哺乳期間或雄鼠打架時“捉弄”則會咬人，一般很少相互斗架，操作起來很方便，是理想的實驗動物。小鼠在罐、盒內飼養時，是很溫順的，但讓其到罐外，很快就恢復到處亂竄的野性。雌鼠吃食仔鼠與其膽小怕驚有關。
6．便於提供同胎和不同品系動物。可根據實驗要求選擇不同品系或同胎小鼠做實驗，也可選擇同一品種（或品系）、同年齡、同體重、同性別的小鼠做實驗，由於動物遺傳均一，個體差異小，實驗結果精確可靠。
7．喜居於光線暗的安靜環境，習於晝狀夜動，喜歡啃咬。小鼠白天活動較少，夜間卻十分活躍，互相追逐配種，忙於覓食飲水，為此夜間應備有飼料和飲水。
8．體小嬌嫩，不耐飢餓，不耐冷熱，對環境的適應性差。對疾病的抵抗力也差，因而遇到傳染病時往往會發生成群死亡。如果飼料中斷和飲水中斷會發生休克，恢復後對體質會帶來嚴重損害。特別怕熱，一出汗就易得病死亡，如果飼料溫度32℃時，常會造成小鼠死亡。
9．成雌鼠在動情周期不同級段，陰道黏膜可發生典型變化，根據陰道塗片的細胞學改變，可以推斷卵巢功能的周期性變化。成年雌鼠交配後10～12小時陰道口有白色的陰道栓，這是受孕的標誌，小鼠較為明顯、大鼠和豚鼠不明顯。小鼠的動情期往往開始於晚間，最普遍的是在晚10點到晨1點，偶爾在早晨1～7點，很少在白天，大鼠也類似，但較小鼠稍早，一般在下午4～10點。
10．小鼠面部尖突，嘴臉前部有長長的觸鬚，耳聳立呈半圓形，眼大鮮紅，生有較長的尾，尾部有模列並覆有環狀角質的小表皮鱗，其數量小於200片。
11．小鼠發育成熟時體長小於15.5cm，體重雌性為18～40克，雄性為20～49克，雙子宮型，胸部有3對乳頭，鼠蹊部有2對乳頭，有膽囊，胃容量小，腸內能合成維生素C，小鼠的染色體為20對，壽命2～3年。
12．小鼠的體溫38（37～39）℃，呼吸頻率163（84～230）次/分，心跳頻率625（470～780）次/分，耗氧量1530mm2/g活體重，通氣量24（11～36）ml/分，潮氣量0.15(0.09～0.23)ml，收縮壓113（95～125）mmHg、舒張壓81（67～90）mmHg，紅細胞總數9.3（7.7～12.5）百萬/mm3，血紅蛋白14.8(10～19)g/100ml，白細胞總數8.0(6～12)千/mm3，總蛋白4.8(4.2～5.5)g%。
13．小鼠有多種手色，不能都叫小白鼠，一般通稱為小鼠。小鼠手色有白色（albino），鼠灰色（ayouti）、黑色（black）、棕色（brown）、黃色（yellow）、朱古力色（chocolate）、肉桂色（cinnamon）、淡色（dilution）、白斑（piebeld）等。
酵母
英語名稱：yeast
酵母菌是一些單細胞真菌，並非系統演化分類的單元。截止2012年為止已知有1000多種酵母，根據酵母菌產生孢子(子囊孢子和擔孢子)的能力，可將酵母分成三類：形成孢子的株系屬於子囊菌和擔子菌。不形成孢子但主要通過芽殖來繁殖的稱為不完全真菌，或者叫“假酵母”。截止2012年為止已知大部分酵母被分類到子囊菌門。酵母菌主要的生長環境是潮濕或液態環境，有些酵母菌也會生存在生物體內。
模式生物——酵母
模式生物——酵母釀酒酵母的掃描電鏡照片
酵母營專性或兼性好氧生活，如今未知專性厭氧的酵母。在缺乏氧氣時，發酵型的酵母通過將糖類轉化成為二氧化碳和乙醇來獲取能量。
C6H12O6(葡萄糖)→2C2H5OH(酒精)+2CO2↑
在釀酒過程中，乙醇被保留下來；在烤麵包或蒸饅頭的過程中，二氧化碳將麵團發起，而酒精則揮發。
多數酵母可以分離於富含糖類的環境中，比如一些水果（葡萄、蘋果、桃等）或者植物分泌物（如仙人掌的汁）。一些酵母在昆蟲體內生活。酵母菌是單細胞真核微生物。酵母菌細胞的形態通常有球形、卵圓形、臘腸形、橢圓形、檸檬形或藕節形等。比細菌的單細胞個體要大得多，一般為1~5微米′5~30微米。酵母菌無鞭毛，不能遊動。 酵母菌具有典型的真核細胞結構,有細胞壁、細胞膜、細胞核、細胞質、液泡、線粒體等，有的還具有微體。酵母菌的細胞形態酵母菌的細胞形態酵母菌細胞結構的顯微照片酵母菌的菌落。
大多數酵母菌的菌落特徵與細菌相似，但比細菌菌落大而厚，菌落表面光滑、濕潤、粘稠，容易挑起，菌落質地均勻，正反面和邊緣、中央部位的顏色都很均一，菌落多為乳白色，少數為紅色，個別為黑色。 啤酒酵母的菌落紅酵母的菌落各種酵母菌的菌落。
擬南芥
拉丁名（Arabidopsisthaliana）十字花科。二年生草本，高7～40厘米。基生葉有柄呈蓮座狀，葉片倒卵形或匙形；莖生葉無柄，披針形或線形。總狀花序頂生，花瓣4片，白色，匙形。長角果線形，長1～1.5厘米。花期3～5月。我國內蒙、新疆、陝西、甘肅、西藏、山東、江蘇、安徽、湖北、四川、雲南等省區均有發現。擬南芥的優點是植株小（1個茶杯可種植好幾棵）、每代時間短（從發芽到開花不超過6周）、結子多（每棵植物可產很多粒種子）、生活力強（用普通培養基就可作人工培養）。
模式生物——擬南芥
模式生物——擬南芥擬南芥反向演化
