叶绿体基因组及其应用.docx

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1、叶绿体基因组及其应用摘要作为植物细胞器的重要组成部分和光合作用的器官，叶绿体在生物进化的漫长历史 中发挥了重要作用.伴随着生物技术的深化进展，人们发觉叶绿体基因组结构和序列的信息 在揭示物种起源、进化演化及其不同物种之间的亲缘关系等方面具有重要价值.与此同时, 比核转化具有明显优势的叶绿体转化技术在遗传改良、生物制剂的生产等方面显示出巨大潜 力，而叶绿体基因组结构和序列分析则是叶绿体转化的基石.基于叶绿体的这些重要作用， 收集整理了有关的资料，从几个方面归纳了本事域最近的争论进展，盼望能使读者对迅速进 展的叶绿体基因组争论有更全面的了解，以及对叶绿体基因组在物种的进化、遗传、系统发 育关系等方

2、面的作用有更深刻的熟悉，同时也盼望对叶绿体转化技术的争论和广泛应用产生 乐观作用.L叶绿体是质体的一种，由于绿色而得名，普遍存在于陆地植物、藻类和部分原生生物当中，是细胞内具有自主遗传信息的重要细胞器.由于光合作用发生在叶绿体内，因而成为推动早期生命进化的能量源头,全面了解叶绿体基因组及其在生物进化中的作用，对今后深化争论和 充分发挥叶绿体功能具有重要意义.叶绿体基因组的结构特征叶绿体基因组DNA(chloroplastDNA, cpDNA) 一般为双链环状分子，极少数为 线状，如伞藻cetabularia),叶绿体基因组的大小差别也比较大，如微管植物叶绿 体DNA一般为120160kb,其中

3、被子植物120kb,裸子植物如银杏(Jinkgobilob)为 158kb，石松(Huperzialucidula)为154kb，蕨类植物为140150kb,苔解类如地钱 为120kb.藻类尤其是绿藻的叶绿体基因组DNA的变化很大，小的只有37kb,如一 种寄生性的绿藻(Helicosporidiumsp. exSimuliumjonesii),而伞藻的叶绿体基因 组则高达2000kb.目前的争论结果表明，叶绿体基因组的结构特别保守,图1所示为烟草叶绿体 基因组结构，双链环形DNA有4个基本部分组成，分别是大单拷贝区 (Largesinglecopyregion, LSC), 小单拷贝区(sm

4、allsinglecopyregion, SSC),反向 重复区 A (invertedrepeatregionA),和反向重复区 B (invertedrepeatregionB). 2 个区域的序列相同但方向相反。Fig.lGenemapoftobaccochloroplastgenomeril0 1烟草的叶绿体基因俎圈睛山内圈显示了基因组的4个生裁组斶部分；外部表示不同的-基因.叶绿体基因组特点1)环状双螺旋分子，不与蛋白质结合。2)基因组复制和遗传简单且难以确定。3)基因组大小在120kbT60kb。含120-140个基因。4)某些基因含有内含子。5)有的基因组合可形成操纵子。6)所带

5、基因主要掌握tRNA、rRNA及约80种蛋白质合成。叶绿体基因组中含有大量的功能基因，可分成3类，即和光合作用有关基因, 和基因表达本身有关的基因和其他生物合成有关的基因.从IR区域分布的基因种 类上说，此区段主要分布着编码rRNA的基因(rps)，包括编码16s和23S,中间 被编码4. 5S和5s2+tRNA的基因(trn)分开，还有些基因的功能未知(ycf基因). 在采用叶绿体作为遗传转化的载体时，一旦外源基因插入到此区域，叶绿体本身就 会在对应的重复区域内自动调整拷贝数，可以提高表达效率.叶绿体基因组的进化2. 1起源争论关于叶绿体的起源，目前大家普遍认可的是“内共生理论 (endos

6、ymbiotictheory),即叶绿体来源于原始的古细菌蓝藻(cyanobacenum).在 这次大事中，具备光合力量的蓝藻首先被没有光合力量的单细胞真核原生生物吞 噬，进一步被掌握，最终形成相互依靠关系，逐步演化成后面3个主要种群，即绿 藻(green)、红藻(red)和褐藻(glaucophyte),其中部分藻类还进行了第2次共生， 第3次共生，甚至第4次共生.这3个种群之间的关系还不是特别清楚，但褐藻一 个明显的特征是其叶绿体结构中二层胞膜之间还保留来自祖先蓝藻的肽聚糖壁的 遗迹，而另2个种群则没有保留下来.通过分析一种褐藻(Cyanophomparadoxa)叶 绿体编码的蛋白质序列

7、，发觉这种褐藻比绿藻和红藻的分化时间要早.最古老的真 核生物种群化石证明，红藻的首次消失大约是在一亿二千万年前，支持此学说的证 据还包括发觉了一种光合细胞器蓝小体，结构类似蓝藻，DNA和叶绿体相像，是介 于二者之间的一种过渡结构.除此之外，叶绿体细胞分裂的机制还部分类似于其原 核生物的祖先.虽然叶绿体基因组的序列以快速增长的方式消失，但是考虑到其浩大的数 量，目前数据库中只是其中很小的一部分，有待于今后更多的信息公布,更重要 的是，和生产息息相关的主要农作物的叶绿体基因组信息还很有限，需要进一步 加强.确认叶绿体基因组中合适的重组整合位点，克服主要农作物叶绿体转化进 展缓慢的冲突旧，是目前亟待

8、需要解决的关键问题.2.2基因的转移和丢失在不同的共生大事中，大量共生体基因转移到寄主细胞的核基因组中，这个过 程发生的时间跨度上千万年，而且系统发生学争论证明这个过程仍旧在连续进行 当中.实际上，我们常常可以在植物的核基因组里发觉叶绿体基因的片段，如在烟 草、水稻等植物中都发觉了基因转移的证据，而拟南芥(rabidopsisthaliana)核基 因组序列则揭示了高达18%的基因是祖先蓝藻通过内共生途径转移到核里的.叶绿体基因除了向核基因组转移外，还可以向线粒体中转移，但好像这种转 移仅在高等植物中消失，而在苔薛、绿藻和红藻中没有发觉.转移到线粒体中的基 因往往变成没有功能的假基因，只有在极

9、少数状况下会整合到线粒体基因组中并 发挥作用.尽管知道基因转移在高等植物中常常发生，但对其毕竟如何转移，又如何整合 到核基因组中的内在机理却知之甚少，仅知道染色体断裂、DNA的修复功能在其中 起肯定作用.2.叶绿体遗传转化叶绿体转化系统，独立于传统的核转化，为植物导入外源基因供应了新途径。它有如下优点：超量表达目的基因；以定点整合方式导入外源基因从而消退了位置 效应及基因缄默；具原核表达方式，能以多顺反子的形式表达多个基因；母系遗传 方式可防止基因集中；基因产物区域化并能供应适于某些产物发挥功能的小环境 等.3.1叶绿体转化系统的建立及进展叶绿体转化系统的建立为减轻目的基因大量表达对植物造成的

10、危害，叶绿体很早已成为外源基因产 物的储存场所。通过在目的基因5端加上受体植物内源的导肽序列，采用核转化 就可将基因的产物定位于叶绿体。但这种方法首先要合成前体蛋白，然后在导肽的 引导下穿过双层膜进入叶绿体，所经环节较多，且受核转化系统自身缺点的限制， 因而人们始终在查找一种更为合适的表达系统。1987年，Klein等人建立了基因 枪转化方法。1990年，外源基因首次于高等植物叶绿体中获得瞬间表达。Ye等（1990） 又对所创建的轰击转化系统进行改进，建立了一种较为有效的叶绿体转化方法。此 外还涌现出很多将外源基因导入叶绿体的方法：农杆菌介导法，显微注射法，玻璃 珠法，电激法。其中农杆菌介导法

11、胜利例证极少，迄今为止仅有两例，法、电激法 至今未能获得稳定的转化体，玻璃珠法无法应用于高等植物，显微注射法近期有较 大改进，但距用于高等植物仍有肯定距离。目前基因枪转化法是应用广泛的叶绿体 转化方法。他体DNA单基因叶绿体转化载体 P MarkerA叶绿体DNAMarker多基因业因枪强击儒选再定!肉体DMA甜菜嬲俭筛选抗生素箭选原栈烦体!杂件的二倍佛貂腕篇一商转化鼓率低转化效率Fi&lSdumatkdrawingofchlaroplasttransknna BfP图2叶方示盒图测叶绿体转化系统的进展叶绿体转化系统自建立以来始终以目的基因的导入和转基因植株的同质化为 争论重点。目前导入方法虽

12、以基因枪法为主，其它方法同样不断得到进展。如 Konobauch对显微注射技术加以改进，使之具有大新优点：（1）注射端口小， 可在很大程度上削减对细胞的损伤；（2）应用新型材料galinstan的热膨胀作 用为推动力，更易掌握推动速度和推入量。由此可见，这一技术有较大应用潜 力。叶绿体基因组的应用4.1叶绿体转化系统的应用自较为完善的叶绿体转化系统消失以来，快速在多个领域发挥其优势：超量表 达特定基因用于粮食作物及蔬菜的品质改良；表达抗虫基因以提高农作物的抗虫 力量；作为“生物反应器”生产一系列基因工程产品。作为生物改良的有效手段，叶绿体遗传转化为今后的作物产量、抗性、品质改 良、生物反应器、

13、生物制药等众多领域开创了新机会，尤其是在生物平安方面的 优势，将很快成为今后生物技术领域的主导力气.尽管最新的争论表明，外源基 因可以通过花粉途径“泄露”出来，但极低的几率可以使污染的风险从根本上得 到解决，消退公众的心理影响.此外，采用叶绿体转化的高效率表达，可以极大 地降低疫苗和生物制剂的生产成本，可以让大多数人都有机会享受最新的科技成 果.例如，用烟草叶绿体转化生产炭疽病疫苗，一英亩转化烟草可收获40公吨 的叶片，即使在纯化过程中损失50%,仍可得到3. 6亿单位的剂量，而且具有 完全活性.4.2植物光合作用的机制和代谢调控争论的应用作为光合作用的中心，叶绿体基因组的争论对揭示植物光合作

14、用的机制和代 谢调控具有重要意义，同时，叶绿体中的大量蛋白质来自于细胞核基因组，它本 身只是一个半自主的细胞器，对叶绿体基因组的深化争论有助于理解细胞核基因 组与叶绿体基因组之间的相互调整作用.采用不同物种光系统之间的差别，通过 转化提高作物的光能汲取和转化效率，进一步提高作物产量，这些领域都为叶绿 体基因组争论制造了更大的拓展空间.4. 3植物系统学跟系统发育学争论的应用近年来通过比较DNA性状来研讨系统发育问题已经进展成为一门特地的学科 分子系统学。在植物分子系统学领域，目前采纳的分子数据主要来自两方 面：一是叶绿体基因组，另一是核编码的核糖体DNA重复区。通过叶绿体基因组 可以在各种分类

15、级别上争论植物系统学问题，如种内关系、种间关系等但叶绿 体基因组用于系统发育也有不足，首先其为母性遗传，不能单靠它解释居群间的 杂交现象。其次。要与其他分子片段信息、传统的形态跟生理特征结合起来，才 能更接近系统发育的原来面目。3.问题与展望虽然叶绿体基因组的序列以快速增长的方式消失，但是考虑到其浩大的数 量，目前数据库中只是其中很小的一部分，有待于今后更多的信息公布.更重要 的是，和生产息息相关的主要农作物的叶绿体基因组信息还很有限，需要进一步 加强.确认叶绿体基因组中合适的重组整合位点，克服主要农作物叶绿体转化进 展缓慢的冲突.作为生物改良的有效手段，叶绿体遗传转化为今后的作物产量、抗性、品质改 良、生物反应器、生物制药等众多领域开创了新机会，尤其是在生物平安方面的优 势，将很快成为今后生物技术领域的主导力气.叶绿体基因组的争论对揭示植物光合作用的机制和代谢调控具有重要意义， 同时，叶绿体中的大量蛋白质来自于细胞核基因组，它本身只是一个半自主的细 胞器，对叶绿体基因组的深化争论有助于理解细胞核基因组与叶绿体基因组之间 的相互调整作用.采用不同物种光系统之间的差别，通过转化提高作物的光能汲 取和转化效率，进一步提高作物产量，这些领域都为叶绿体基因组争论制造了更 大的拓展空间.