叶绿体基因组及其应用.docVIP

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入发展，人们发现叶绿体基因组结构和序列的信息在揭示物种起源、进化演变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领域最近的研究进展，希望能使读者对迅速发展的叶绿体基因组研究有更全面的了解，以及对叶绿体基因组在物种的进化、遗传、系统发育关系等方面的作用有更深刻的认识，同时也希望对叶绿体转化技术的研究和广泛应用产生积极作用． 叶绿体是质体的一种，因为绿色而得名，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，因而成为推进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，对今后深入研究和充分发挥叶绿体功能具有重要意义． 叶绿体基因组DNA(chloroplast DNA，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l20～160 kb， 其中被子植物120 kb，裸子植物如银杏 (Jinkgo bilob)为 158 kb， 石松(Huperzia lucidula)为154 kb，蕨类植物为l40～150 kb，苔藓类如地钱为120 kb．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(Helicosporidium sp.ex Simulium jonesii)，而伞藻的叶绿体基因组则高达2000 kb． 目前的研究结果表明，叶绿体基因组的结构非常保守．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 (Large single copy region，LSC)，小单拷贝区(small single copy region，SSC)，反向重复区A (inverted repeat region A)，和反向重复区B(inverted repeat region B)．2个区域的序列相同但方向相反。 叶绿体基因组特点 1）环状双螺旋分子，不与蛋白质结合。 2）基因组复制和遗传复杂且难以确定。 3）基因组大小在120kb-160kb。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）所带基因主要控制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) ．在利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． 2.叶绿体基因组的进化 2．1 起源研究 关于叶绿体的起源，目前大家普遍认可的是 “内共生”理论(endosymbiotic theory) ，即叶绿体来源于原始的古细菌蓝藻(cyanobacenum)．在这次事件中，具备光合能力的蓝藻首先被没有光合能力的单细胞真核原生生物吞噬，进一步被控制，最终形成相互依赖关系，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十分清晰，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(Cyanophom paradoxa)叶绿体编码的蛋白质序列，发现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，红藻的首次出现大约是在一亿二千万年前，支持此学说的证据还包括发现了一种光合细胞器蓝小体，结构类似蓝藻，DNA和叶绿体相似，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出现，但是考虑到其庞大的数量，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．