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（圖）葉綠體基因組

簡(jiǎn)介

（圖）葉綠體基因組

葉綠體基因組中的基因數目多于線(xiàn)粒體基因組，編碼蛋白質(zhì)合成所需的各種tRNA和rRNA以及大約50多種蛋白質(zhì)，其中包括RNA聚合酶、核糖體蛋白質(zhì)、核酮糖1，5—二磷酸核酮糖羥化酶（RuBP酶）的大亞基等。高等植物的葉綠體基因組的長(cháng)度各異，但均有10～24kb的一段DNA序列的兩份拷貝，互呈反向重復序列（1RA和IRB）。這兩份反向重復序列之間發(fā)生重組，形成了一份短的單拷貝序列（short single copy，SSC），把IRA和IRB連接起來(lái)，基因組的其余部分則是長(cháng)的單拷貝序列（long single copy，LSC）。葉綠體基因組同線(xiàn)粒體基因組一樣，都是細胞里相對獨立的一個(gè)遺傳系統。葉綠體基因組可以自主地進(jìn)行復制，但同時(shí)需要細胞核遺傳系統提供遺傳信息。例如，光合系統Ⅱ中的chla／b蛋白質(zhì)是在細胞質(zhì)內的80S核糖體上合成后再轉運進(jìn)葉綠體的；RuBP酶的大亞基是在葉綠體內合成的，但其小亞基則是在細胞質(zhì)中80s核糖體上合成后轉運進(jìn)葉綠體，然后同大亞基裝配成有生物學(xué)活性的全酶。

cpDNA

（圖）葉綠體基因組

每個(gè)葉綠體中cpDNA的拷貝數隨著(zhù)物種的不同而不同。但都是多拷貝的。這些拷貝位于類(lèi)核區。例如甜菜的葉細胞中每個(gè)類(lèi)核體有4~8個(gè)拷貝的cpDNA，而每個(gè)葉綠體有4~18個(gè)類(lèi)核體，每個(gè)細胞中約有40葉綠體。每個(gè)細胞總共有約6000cpDNA分子。在衣藻中（chlamydomonas）（單細胞生物）在細胞中一個(gè)葉綠體含有500~1500 cpDNA分子。

煙草和水稻（Oryza sativa）葉綠體全序列分析表明cpDNA基因組成有以下特點(diǎn)：

1.基因組由兩個(gè)反向重復序列（IR）和一個(gè)短單拷貝序列（short single copy seguence, SSC）及一個(gè)長(cháng)單拷貝序列（long single copy seguence, LSC）組成；

2.IRA和IRB長(cháng)各10-24Kb，編碼相同，方向相反。

3.cpDNA啟動(dòng)子和原核生物的相似，有的基因產(chǎn)生單順?lè )醋拥膍RNA，有的為多順?lè )醋觤RNA；

4.盡管cpDNA大小各不相同，但基因組成是相似的，而且所有基因的數目幾乎是相同的，它們大部分產(chǎn)物是類(lèi)囊體的成分或和氧化還原反應有關(guān)（表20-7）；

5.其tRNA基因（IRA、IRB上各有7個(gè)，LSC上有23個(gè)，共37個(gè)）中有內合子存在，最長(cháng)者達2526bp，此和原核tRNA不同。有的內合子位于D環(huán)上，此和原核tRNA不同。有的內含子位于D環(huán)上，此和真核生物核tRNA內含子常位于反密碼子環(huán)上也不相同；

6.所有葉綠體基因轉錄的mRNA都由葉綠體核糖體翻譯。

并不是所有的葉綠體都含有IR，IR上含有4種rRNA基因，根據它們排列的情況葉綠體可分為3類(lèi)：I類(lèi)是IR 序列，4種rRNA各有2個(gè)拷貝，對稱(chēng)分布在IR上cpDNA也較大，如玉米、煙草、水稻、菠菜、地錢(qián)、衣藻（C.Yreinhardi），大部分葉綠體都屬此類(lèi)。II類(lèi)：無(wú)反向重復IR，而在cpDNA一側16S，23S以正向串聯(lián)重復的形式（各3個(gè)拷貝）排列。如少數低等植物，裸藻（Euglena gracilis）；III類(lèi)：無(wú)IR和DR，rRNA只有一拷貝，如豌豆（Posum satirum）等。這可能在進(jìn)化的過(guò)程中DNA片段的重復和倒位而造成的。

相關(guān)研究

（圖）葉綠體基因組

植物葉綠體基因組基因表達調控的研究

葉綠體基因組的特點(diǎn)是具相同或相關(guān)功能的基因組成復合操縱子結構。這一特點(diǎn)有利于葉綠體基因的表達與調控，例如rpoB-rpoC-rpoC 2操縱子是由編碼RNA聚合酶各個(gè)亞基的基因聚合在一起而形成的，而psbI-psbK-psbD-psbC操縱子則編碼PSⅡ的部分蛋白質(zhì)。葉綠體基因組基因表達調控方式。

轉錄水平調節。轉錄后調節與修飾。萊茵衣藻核基因組與葉綠體基因組遺傳轉化體系的建立，以及許多光合途徑缺陷突變體的分離為研究轉錄后調節提供了一個(gè)非常有用的模式系統。遺傳分析表明RNA加工和RNA編輯為影響葉綠體基因表達轉錄后調節的因素。翻譯水平調節。翻譯水平調節可使生物快速地適應外界環(huán)境條件，特別對于高效表達基因，當環(huán)境條件不利時(shí)，可通過(guò)翻譯水平快速調節，從而減少代謝能源的消耗。RNA水平和細胞器代謝狀態(tài)影響葉綠體蛋白的翻譯, 這種調節可能是通過(guò)核糖體蛋白反式磷酸化來(lái)完成的。翻譯后調節與修飾。對于質(zhì)體編碼的葉綠素。

在每個(gè)葉原基細胞增殖過(guò)程中，位置信息決定細胞命運，因而不同細胞如葉肉細胞、皮層細胞、保衛細胞中對葉綠體的發(fā)育進(jìn)行微調，大多數是通過(guò)調節RNA穩定性、剪接、翻譯以及蛋白質(zhì)穩定性來(lái)實(shí)現的，并顯示核基因可以控制那些核和質(zhì)體共同編碼的、最終裝配為復合體的蛋白基因。當發(fā)育為葉片時(shí)，不同細胞類(lèi)型的核基因表達有所不同，不同細胞的位置信息，通過(guò)不同的基因調節機制，引起質(zhì)體和核基因的細胞特異表達。最后，葉片細胞以關(guān)掉編碼葉綠體蛋白的基因和核基因表達而進(jìn)入衰老階段。

基因表達調控是由一系列復雜的調控機制組成的。不同的調節機制在一定條件下對特定基因起調節作用，不同的調節策略可使不同植物來(lái)適應各自的生存條件，如：光、溫、水和營(yíng)養條件可調節植物的代謝活動(dòng)。除上面提到的環(huán)境因素外，還涉及葉綠體基因轉錄及轉錄后調節、翻譯與翻譯后修飾調節、核基因對葉綠體基因在轉錄與翻譯過(guò)程中的調節和質(zhì)體產(chǎn)生的信號對核編碼的質(zhì)體蛋白的表達調節等等。因此，很難對葉綠體基因表達找出一個(gè)固定模式。在未來(lái)的研究中，核基因組和質(zhì)體基因組如何在質(zhì)體發(fā)育過(guò)程中起到相互調節作用將會(huì )成為一個(gè)最可能出成果的研究領(lǐng)域。

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和葉綠體基因組的比較研究

原核的藍藻和真核植物（包括其他藻類(lèi)）中的葉綠體，都同樣進(jìn)行放氧的光合作用，這為人類(lèi)和整個(gè)生物界提供了賴(lài)以生存的食物、氧氣、能源和原料。對葉綠體和藍藻的細胞結構和分子生物學(xué)特性作分析，證明真核生物的葉綠體可能起源于藍藻祖先的內共生。這使藍藻在20多年來(lái)已成為光合作用研究的模式生物。

藍藻基因組的作圖和測序由日本Kazusa DNA研究所以S.Tabata博士領(lǐng)導的研究組，于1994年開(kāi)始對集胞藻（Synechocystis sp. PCC6803）作分析，已于1996年完成。最近他們又基本完成了對魚(yú)腥藻（Anabaena sp. PCC7120）的全序列測定。集胞藻6803的基因組大小為3,573,470bp，含有3168個(gè)編碼蛋白的潛在基因，占全基因組87%。它的基因密度為1.1kb/基因，一個(gè)基因表達的產(chǎn)物平均長(cháng)度為326個(gè)氨基酸殘基，這些都是細菌基因組的典型數據。在3168個(gè)潛在基因中，1416個(gè)基因（45%）與已知的相似，尚有1752個(gè)基因（55%）需要鑒定。1416個(gè)已知基因中，按生物學(xué)功能可分成15類(lèi)，其中與光合和呼吸有關(guān)的有131個(gè)，與轉錄有關(guān)的為24個(gè)，與翻譯有關(guān)的144個(gè)。

把10種葉綠體的光合器蛋白和光合代謝中蛋白與藍藻比較同一性發(fā)現，進(jìn)化上差異越大，它們的同一性越差；在不同基因的同一性也有不同，如編碼光合器的同一性較高，編碼光合代謝的基因同一性差些。在編碼光合器的蛋白中，光系統I和II反應中心的蛋白同一性較好?，F在要做的是如何解釋從藍藻進(jìn)化到葉綠體失去了絕大部分基因及為何在葉綠體進(jìn)化中保留下來(lái)的蛋白在同一性上有這樣的差異，從這些差異上能否得到啟示來(lái)改造基因來(lái)提高光合作用效率。