高级植物生理学第一章植物生理与分子生物学.

高级植物生理学（专题一）植物生理与分子生物学二、高等植物基因结构及表达调控1、真核基因组结构特征2、植物的基因组3、植物基因的结构4、植物基因的表达调控启动子上游调节区起点外显子1外显子2外显子3RNA-5′DNA一个结构基因终点单顺反子①真核基因是单顺反子（cistron），一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链。原核生物是多基因操纵子。1、真核细胞基因结构的特征例外：C.elegans有13500个基因，约25%是多顺反子。启动子上游调节区起点基因1基因2基因3RNA-5′DNA三个结构基因终点多顺反子大肠杆菌乳糖操纵子mRNA编码3条多肽链，色氨酸操纵子mRNA编码5条多肽链真核生物rRNA基因结构ETSITS不转录间隔18S5.8S28S45SrNA前体rRNA基因真核rRNA基因是多考贝（中度重复序列）；三种rRNA基因总是按18S、5.8S、28S顺序排列；此基因簇是串联重复的，簇与簇之间由不转录间隔分开；间期核中rDNA浓缩成核仁，在核仁中被转录、加工。18S5.8S28S核小体DNA核小体螺线管超螺线管染色单体②真核基因组是以染色体（质）形式存在，小部分DNA是裸露的。DNA(基因)mRNA编码区尾部区起始密码终止密码extronintron前导区③真核基因组中存在着重复序列。高度重复序列；中度重复序列；单一序列。④真核基因属于断裂基因，编码序列中存在有内含子。⑤真核基因转录调控区很大，可远离启动子上千个碱基。⑥真核基因的表达——转录和翻译存在着时间和空间间隔。⑦真核基因表达的调控可从染色体结构至翻译后加工多个层次（水平）上进行。原核生物基因表达真核细胞基因表达2、植物的基因组基因（gene）？基因组（genome）？基因组学（genomics）？遗传物质单元，在染色体上占据特定位置、具有某种特定遗传功能的DNA序列。编码一个完整mRNA的一段DNA序列。基因有两个特点：一、忠实复制自己：以保持生物的基本特征；二、基因能够突变：为自然选择贮备了材料；基因是遗传的物质基础，是DNA分子上具有遗传信息的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。基因通过复制把遗传信息传递给下一代，使后代出现与亲代相似的性状。突变绝大多数会导致疾病，另外的一小部分是非致病突变。非致病突变给自然选择带来了原始材料，使生物可以在自然选择中被选择出最适合自然的个体。基因可分为：①结构基因：编码蛋白质的基因。包括编码酶和结构蛋白的基因；②调节基因：编码作用于结构基因的阻遏蛋白或激活蛋白的基因；③没有翻译产物的基因：RNA基因，转录成为tRNA和rRNA基因；④不转录的DNA区段：调控序列，如启动子、操纵子、增强子等等。（顺式作用元件）基因的属性：结构单位，功能单位，突变单位。基因组：一个生物遗传物质的总和。细胞中的全部DNA。植物的基因组：细胞核基因组+细胞质基因组叶绿体基因组+线粒体基因组基因组学：研究基因组的结构、功能和进化的科学。基因组研究包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学（structuralgenomics）以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functionalgenomics)2.1植物基因组的复杂性（3）植物基因组中重复序列变化极大;拟南芥和一些多倍体植物中:20%;小麦、豌豆中，80%以上基因是重复序列；（1）植物除了细胞核基因组外，还有细胞质基因组；（2）植物基因组的长度差异是整个生物界最大的；拟南芥单倍体基因组：6.3×107bp；百合单倍体基因组：1.0×1011bp；物种碱基对数目/物理长度/cm（×108bp/细胞）拟南芥(Arabidopsisthaliana)1.253.8栽培稻(Oryzasativm)4.313.1普通小麦(TriticumAestivum)160493一粒小麦(TriticumMonococcum)57173玉米(Zeamays)2370贝母（Fritillariaassyriaca）10003039人类(Hemosapiens)31102大肠杆菌(E.coli)0.0420.14玉米叶绿体0.00160.006玉米线粒体0.00570.02一些物种细胞核基因组(二倍体)大小基因组的复杂性是指基因组中不同序列的总和，用DNA变性和复性实验检测；可用参数：Cot1/2表示；Co：复性时相同（单链）DNA的浓度；t：复性的时间Cot1/2：一半DNA复原成双链所用的时间；基因组越复杂，Cot1/2值越大。基因组的序列可分为单一序列（singlecopysequence）和重复序列（repetitivesequence）植物基因组中的重复序列：高度重复序列：重复几百万次，一般是少于10bp的片段；中度重复序列：几十到上千次，约300~500bp相近顺序；单一序列：在基因组中只出现一次或少数几次的序列。串联重复序列（tandemlyrepeatedsequences）：重复序列以各自的核心序列（重复单元）首尾相连多次重复，重复序列间被间隔序列分开。散布重复序列（dispersedRepeatedSequence）：主要是一些可移位的遗传因子：转座子和逆转录转座子。rRNA基因：ETSITS不转录间隔18S5.8S28S45SrNA前体rRNA基因串联重复，簇之间由不转录间隔分开；18S5.8S28S卫星DNA（satelliteDNA）：动物的卫星DNA富含AT；植物卫星DNA富含GC；端粒重复序列：真核生物间高度保守；人和椎虫：TTAGGG；拟南芥和小麦：TTTAGGG叶绿体基因组（chloroplastgenome）：多数被子植物cpDNA在120~160kb之间；含有87~183个已知基因；烟草86684253391848225339LSCSSCIRAIRBrRNArRNA4rRNA基因、30tRNA基因、4RNA聚合酶基因、21核糖体蛋白质基因、31光合作用相关基因、40其它蛋白质基因。拟南芥84170262641778026264植物长度/bpP基因数R基因数GenBank编号拟南芥1544788845NC-000932烟草15593910245NC-001897月见草16395311846NC-002693水稻13452510854NC-001320菠菜15072510047NC-002202小麦1345458450NC-002762玉米14038711147NC-001666已知DNA序列的植物质体基因组cpDNA存在于“类核体（nucleoid）”中，叶绿体中可有10~20个类核体（每个可有2~20个DNA分子）。线粒体基因组（mitochondrialgenome）植物mtDNA长度变异很大，195~2600kb；动物mtDNA为15~18kb；真菌在18~78kb；基因组的大小并不表示基因数量的多少：拟南芥mtDNA376kb，人mtDNA为16.6kb，前者比后者RNA基因多1个，蛋白质基因27:13。在同一细胞中可有不同长度的mtDNA。mtDNA有分子内、分子间重组，也可与核、叶绿体基因组DNA重组。因此mtDNA的重排、序列加倍、与外源DNA整合的几率很高，由此产生新的嵌合基因。细胞质雄性不育就是由于新的嵌合基因导致的。植物细胞内的三类基因组存在着广泛的相互作用。叶绿体和线粒体的结构蛋白多数由核基因组编码：细胞器基因转移至核基因组；也有基因从核基因组转移至细胞器基因组:核糖体L23蛋白质基因。叶绿体、线粒起源：马古利斯的内共生理论分子生物学证据：1、线粒体和叶绿体仅能来自已有的线粒体和叶绿体；2、基因组结构与原核生物相似；3、有自已的蛋白质合成体系，且与原核生物相似；4、能抑制细菌RNA聚合酶的抗生素也能抑制线粒体和叶绿体RNA聚合酶。5、叶绿体基因结构中有象细菌那的启动子、操纵子结构。2.2基因组学简介1995，第一个细胞生物，流感嗜血菌基因组1.8Mb测序完成；1996，第一个真核生物，啤酒酵母基因组12Mb测序完成；1998，第一个动物，美丽线虫基因组（97Mb）测序完成；2000，第一个昆虫，果蝇基因组（120Mb）测序完成；2000，第一个植物，拟南芥基因组（125Mb）测序完成；2001，第一个哺乳动物，人的基因组（3100Mb）测序完成；2002，第一个重要作物，水稻基因组（430Mb）测序完成；599病毒，205种自然质粒，185种细胞质基因组，31种细菌；拟南芥：十字花科，拟南芥属；基因组较简单：染色体n=5核基因组=1亿bp。生命周期短，种子产量大：一代的时间为3～5周单株可产无数粒种子；之称为植物中的“果蝇”模式植物基因组分析中包含的内容较多，主要分为三个紧密相连的部分，即作图、通过突变体研究基因功能和基因克隆及测序。突变体的研究拟南芥基因组研究的目标之一，是利用基因突变的方法研究基因功能。基因突变的方法包括化学诱变，放射性照射，T-DNA或转座子插入等。若按拟南芥菜的基因组中有25000个单拷贝的转录单位来算，现在已鉴定了的基因位点约为这些转录单位的六分之一。通过对胚胎及幼苗致死突变体的研究，发现大约有4000多个基因位点与胚胎及幼苗致死有关；对叶绿素缺陷型植物的研究又鉴定了500多个新的基因位点。基因组学研究的具体内容有：（1）建立以互联网为平台的数据库；（2）组建基因组的物理图谱和遗传图谱；（3）确定基因及基因组的序列；（4）分析基因组的结构特点；（5）鉴定基因组中所有基因，并确定其功能；（6）建立基因表达数据库；（7）建立基因及表型之间的关系（功能基因组学）；（8）确定DNA的复杂性；（9）为比较不同生物的基因组提供资料；世界上有三大基因序列数据库：美国“国家生物技术信息中心”（NCBI）主持的GeneBank：http//“欧洲生物信息学研究所”(EBI)主持的EMBL数据库；http//日本“国家遗传学研究所”(NIG)主持的日本DNA数据库(DDBJ)http//基因的命名：植物基因命名委员会：CommissiononPlantGeneNomenclature，CPGN根据基因序列，把植物基因分成不同的家族；CPGN规定：基因符号最多8个：XyzN，核基因组基因；xyzN，细胞质基因组基因根据突变型的表型命名：基因名称与正常功能相反；矮化基因——高生长基因基因符号用三个斜体字母表示，基因产物用正体大写：突变型基因用小写：abc野生型基因用大写：ABCABC是该基因的产物Abc+指ABC基因的表型（野生型）；Abc-指abc基因的表型（突变型）；ABC1和ABC2是不同的基因；abc4-1和abc4-2为相同基因的不同等位基因；3植物基因的结构某种生物全部基因的克隆总体——基因组文库克隆植物中编码蛋白质基因的方法：①根据蛋白质测序结果，合成一段寡聚探针，从该植物的基因组文库与cDNA(complementaryDNA)文库中分别钓出编码该蛋白质的基因与cDNA克隆。克隆与基因组文库的构建文库的构建cDNA探针是一段与目的基因有互补序列的用放射性同位素（32P）标记的DNA或RNA分子。利用“探针”分子钓取目的基因构建基因文库的目的主要是为了直接从基因组中分离目的基因，有了基因文库后，目的基因的制备可以理解为从基因文库中“钓出”目的基因。两条来源不同的具有一定同源性（即具有碱基互补关系）的DNA单链分子或DNA单链与RNA分子经退火形成双链DNA分子或DNA-RNA异质双链分子的过程称为核酸分子杂交。denaturationDNAorRNAprobeDNArestrictionenzyme核酸分子杂交电泳分离转膜探针杂交放射显影核酸分子杂交操作程序②根据蛋白质测序结果，合成一对或数对PCR引物，以植物总DNA为模板，扩增出目标基因片段。以此片段为探针，从基因组文库与cDNA文库中分别钓出编码该蛋白质的基因与cDNA克隆。③基因产物不明，但知道基因突变后的表型，