模式生物（Model organism）是可用于研究与揭示生命体某种具有普遍规律的生物现象的一类生物，简单来说，出于伦理和实际操作的限制，生命科学研究通常无法直接在人体或复杂生态系统中进行实验，但为了揭示生命的基本规律或生理现象，就需要一些代表性强且实验操作简便的生物，这就是模式生物。
常见模式生物有大肠杆菌(Escherichia coli)、酵母菌（Yeast）、拟南芥（Arabidopsis thaliana）、线虫（Caenorhabditis elegans）、果蝇（Drosophila melanogaster）、斑马鱼（Danio rerio）、小鼠（Mus musculus）等。从微生物到哺乳动物，不同模式生物在不同研究尺度中发挥着独特而不可替代的作用。
图1. 常见动物和植物模型生物示例图
（Frontiers for Young Minds. 2025;13）
一般来讲，模式生物应满足能够代表生物界的某一大类群、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、子代多，且遗传背景清楚、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等要求。
图2. 模式生物的重要特征
（Frontiers for Young Minds. 2025;13）
一、 大肠杆菌
大肠杆菌是寄生于人或其他哺乳动物肠道内的细菌，属肠细菌科(Enterobacteria-ceas)，格兰氏阴性，为需氧或兼性厌氧菌，不形成芽孢或荚膜，在琼脂培养基上形成圆形、光滑、白色的菌落。大肠杆菌作为外源基因表达的宿主，遗传背景清楚，技术操作与培养条件简单，是应用最广泛、最成功的表达体系。鉴于其取材广泛，分裂增殖能力强、发育周期短以及结构简单等特点，已作为一种重要的模式生物在近现代生命科学研究，尤其在分子遗传学及生物工程领域起着异常重要的作用。
图3. 大肠杆菌
（图片来源于网络侵删）
二、 酵母菌
酿酒酵母作为真核模式微生物，其细胞周期调控机制与高等生物高度保守。通过温度敏感型突变体的筛选，科学家发现了细胞周期关键调控因子CDK和周期蛋白，该研究荣获诺贝尔奖，并为癌症研究提供了重要理论基础。酵母在自噬机制、染色质重塑和蛋白质质量控制研究中持续取得突破，同时成为合成生物学理想底盘细胞，为代谢工程和疾病机制研究提供关键平台。
图4. 酿酒酵母
（图片来源于网络侵删）
三、 线虫
秀丽隐杆线虫是一种非寄生性线虫，身体长度1mm，通身透明，以其完全解析的细胞谱系和完整的神经元连接图谱在模式生物中占据独特地位。利用该模型，科学家首次在多细胞生物中揭示了程序性细胞死亡的遗传调控机制，该研究荣获诺贝尔奖。其身体透明的特性为发育生物学和活体神经成像研究提供了极大便利，目前已成为研究衰老、行为神经遗传学及宿主-微生物互作等前沿领域的核心模型系统。
图5. 秀丽隐杆线虫
（Annu Rev Food Sci Technol. 2018 Mar 25:9:1-22.）
四、 果蝇
果蝇个体小，繁殖快，生命周期短、培养成本低、雌雄易区分，染色体数目少，基因组小，只有4对染色体，且形态、大小等均有明显差异，易于遗传学操作等特点在生物学研究中具有独特的优势。果蝇编码的蛋白质约一半与哺乳动物具有较高的同源性，其中75%左右的已知人类致病基因在果蝇中存在同源基因，因此利用果蝇作为研究人类疾病的动物模型具有重要意义。近年利用果蝇开展的高通量遗传筛选，为神经退行性疾病和免疫机制研究提供了新视角。
图6. 果蝇
（The Berg Lab, washington.edu）
五、 拟南芥
拟南芥作为植物科学研究的模式生物，因其基因组小、生命周期短和遗传转化效率高等突出优势，极大地促进了植物分子生物学研究。目前已利用拟南芥成功解析了植物光形态建成的分子机制，发现了调控开花时间的FLC基因表观遗传调控网络，并揭示了植物激素信号转导途径。诺贝尔奖得主George P. Redei称其为“植物生物学的参考模型”。该模型在植物激素信号转导、表观遗传调控及非生物胁迫响应等领域取得突破性进展，为作物遗传改良和农业可持续发展提供了理论基础。
图7. 拟南芥的生命周期
（Elife 2015 Mar 25:4:e06100）
六、 斑马鱼
斑马鱼凭借其胚胎透明、体外发育和繁殖力强的特性，成为脊椎动物发育生物学和遗传学研究的理想模型。其强大的再生能力为研究心脏和鳍肢的修复机制提供了独特窗口，通过该模型发现的遗传调控机制为再生医学研究提供了新方向。同时，斑马鱼模型在药物高通量筛选、毒理学评估及人类疾病建模方面展现出显著优势，其高度保守的基因和生理结构使其成为转化医学研究的重要桥梁。
图8. 斑马鱼
（图片来源于网络，侵删）
七、 小鼠
小鼠是由小家鼠演变而来，广泛分布于世界各地，经长期人工饲养选择培育，已育成1000多近交系和独立的远交群。小鼠作为哺乳动物模式生物中无可争议的王者，因其与人类在基因组、生理结构和代谢途径上的高度相似性而成为生物医学研究的核心模型。几乎所有生命科学基础研究及新药开发等领域均有小鼠模式生物的参与。近年来，CRISPR-Cas9技术的应用极大加速了疾病模型构建，而人源化小鼠模型更是在药物临床前试验和精准医疗研究中发挥着不可替代的作用，持续推动着转化医学的进步。
图9. 小鼠
（图片来源于网络，侵删）
八、 兔
兔在生物医学研究史上具有奠基性的重要地位，它因其较大的体型、易于操作和与人类生理的相似性而成为不可替代的经典模型。其在免疫学领域的贡献尤为突出，新西兰兔最早用于抗血清生产和抗体生成规律的研究，直接推动了免疫学理论的建立。此外，兔是研究心血管疾病（如动脉粥样硬化）、眼科疾病、生殖生理及过敏反应的理想模型。近年来，其在生物工程和病毒学（如兔瘟病毒模型）研究中的应用，再次证明了其作为中型哺乳动物模型在转化医学中的独特价值。
图10. 新西兰兔
（图片来源于网络，侵删）
模式生物作为生命科学领域的无名英雄，从微观到宏观，从原核到真核，以其独特的生物学特性构建了人类探索生命奥秘的核心研究体系。它们不仅是基因功能研究的可靠模型，更是连接基础发现与临床应用的桥梁。这些非凡的生物体以其可重复的操作性、清晰的遗传背景和高度保守的生命规律，使我们能够解码生命的基本原理，揭示疾病的发病机制，并推动生物技术的创新突破。正是通过这些模式生物的贡献，人类对生命现象的认识得以不断深化，最终为医学进步和人类健康福祉奠定坚实的科学基石。
参考文献
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