《生物学》课程教学资源（教材讲义）第八部分 植物的形态与功能 第43章 植物基因组学

第43章植物基因组学内容提要43.1植物的基因组的组成比动物的更加多变植物基因组概述随着农业社会的形成，人们开始从植物中挑选所需的性状。直到近期，植物生物学家才将研究重点放在了染色体的变异上，但目前的研究正越来越多转向分子水平。植物基因组的结构植物基因组由于存在许多染色体的拷贝以及大量的具有重复序列的DNA而变得很复杂。比较基因组作图和模式系统RFLP和AFLP技术对于绘制植物基因组的特征图谱是非常有用的。尽管拟南芥和其它生物基因组的测序已经获得了技术成功，但其中大部分基因的功能是未知的，它们所编码的蛋白质在生理和发育方面的作用也不知晓。43.2植物组织培养方面的进步正在革新着农业植物组织培养概述因为植物的细胞有全能性，小部分组织能被用来再生整个植株。植物组织培养的类型植物细胞，组织和器官能在人工培养基中生长，有些细胞还可被定向产生整个植株。植物组织培养的应用植物组织培养能被用于生产植物产品，园艺植物的繁殖以及作物的改良。43.3植物生物技术正在影响着农业的各图43.1金黄色大米大米几乎是世界近个方面半数人口的主要食物，但它缺少维生素A。缺少维生素A导致许多视觉和免疫世界人口与作物产量的提高相关由于疾病。现已经培育出了能产生维生素A农业工具的改进以及作物育种技术导致的转基因大米。这种大米之所以是金黄色，是因为生物合成途径已被基因修饰，的作物产量的提高是否能够为逐渐增长能够生成维生素A的前体一—金色的β的人口提供食物仍属未知。胡萝卜素。这里，白色大米与金黄色大

第 43 章 植物基因组学 内容提要 43.1 植物的基因组的组成比动物的更加多变 植物基因组概述 随着农业社会的形成，人们开始从植物中挑选所需的性状。直 到近期，植物生物学家才将研究重点放在了染色体的变异上，但目前的研究正越 来越多转向分子水平。 植物基因组的结构 植物基因组由于存在许多染色体的拷贝以及大量的具有重 复序列的 DNA 而变得很复杂。 比较基因组作图和模式系统 RFLP 和 AFLP 技术对于绘制植物基因组的特征图 谱是非常有用的。尽管拟南芥和其它生物基因组的测序已经获得了技术成功，但 其中大部分基因的功能是未知的，它们所编码的蛋白质在生理和发育方面的作用 也不知晓。 43.2 植物组织培养方面的进步正在革新 着农业 植物组织培养概述 因为植物的细胞有 全能性，小部分组织能被用来再生整个 植株。 植物组织培养的类型 植物细胞，组织 和器官能在人工培养基中生长，有些细 胞还可被定向产生整个植株。 植物组织培养的应用 植物组织培养能 被用于生产植物产品，园艺植物的繁殖 以及作物的改良。 43.3 植物生物技术正在影响着农业的各 个方面 世界人口与作物产量的提高相关 由于 农业工具的改进以及作物育种技术导致 的作物产量的提高是否能够为逐渐增长 的人口提供食物仍属未知。 图43.1 金黄色大米 大米几乎是世界近 半数人口的主要食物，但它缺少维生素 A。 缺少维生素 A 导致许多视觉和免疫 疾病。现已经培育出了能产生维生素 A 的转基因大米。这种大米之所以是金黄 色，是因为生物合成途径已被基因修饰， 能够生成维生素 A 的前体——金色的β 胡萝卜素。这里，白色大米与金黄色大

改进农业生产的植物生物技术植物能通过基因工程改变油，氨基酸的含量，并能提供疫苗。植物改造的方法植物基因工程有赖于外源DNA的引入植物细胞。自从农业社会开始，人们就通过选择性地培育所需的优良性状，一直在对植物进行着遗传改良。现在所有主要的作物都是这种努力的结果。今天，我们有强大得多的工具一一重组DNA技术，这将是本章的主题。本章展望这些新技术对植物的未来以及植物生物学研究带来的影响（图43.1）。拟南芥和水稻的基因组已经被测序。从这些丰富的数据库中，我们不仅有望了解到很多有关植物生理学和发育的分子基础，我们必定还会对植物的进化有更深刻的理解。43.1植物的基因组的组成比动物的更加多变植物基因组学概述早期的方法在基因工程这个名词被普遍用来描述那些经DNA重组技术改良了的植物和动物之前，人们实际上已经是几千年的遗传工程师了。当农业社会形成时，农作物物种内基因库的变化就开始了。臂如，玉米和小麦种子的散播。因为它们自身没有散播种子的能力，这些驯化的植物将完全依赖人来散播种子。没有了野生水稻所具有的种子休眠机制，HaploidDiploidPolyploid水稻从一种多年生的植物变成一年生植物。植物的某些部位对人类以及家养的动物有最大食用价值，人们便选择性地加大其体积。它们包括种子，果实以及像胡萝卜块根那样的贮藏器官。图43.2植物基因组中可能的染色体数单倍体：一组不所有这些改变都是在对特成对的染色体，例如配子中的染色体数目。二倍体：一组成对的染色体。多倍体：多组成对的染色体，如香蕉定的基因不了解的情况下有3组成对的染色体，所以是多倍体。完成的，是通过选择和繁殖Haploid单倍体Diploid二倍体Polyploid多倍体

改进农业生产的植物生物技术 植物能通过基因工程改变油，氨基酸的含量，并 能提供疫苗。 植物改造的方法 植物基因工程有赖于外源 DNA 的引入植物细胞。 自从农业社会开始，人们就通过选择性地培育所需的优良性状，一直在对植 物进行着遗传改良。现在所有主要的作物都是这种努力的结果。今天，我们有强 大得多的工具——重组 DNA 技术，这将是本章的主题。本章展望这些新技术对 植物的未来以及植物生物学研究带来的影响（图 43.1）。拟南芥和水稻的基因组 已经被测序。从这些丰富的数据库中，我们不仅有望了解到很多有关植物生理学 和发育的分子基础，我们必定还会对植物的进化有更深刻的理解。 43.1 植物的基因组的 43.1 植物的基因组的组成比动物的更加多变 植物基因组学概述 早期的方法 在基因工程这个名词被普遍用来描述那些经 DNA 重组技术改良了的植物和 动物之前，人们实际上已经是几千年的遗传工程师了。当农业社会形成时，农作 物物种内基因库的变化就开始了。譬如，玉米和小麦种子的散播。因为它们自身 没有散播种子的能力，这些驯化的植物将完全依赖人来散播种子。没有了野生水 稻所具有的种子休眠机制， 水稻从一种多年生的植物 变成一年生植物。植物的某 些部位对人类以及家养的 动物有最大食用价值，人们 便选择性地加大其体积。它 们包括种子，果实以及像胡 萝卜块根那样的贮藏器官。 所有这些改变都是在对特 定的基因不了解的情况下 完成的，是通过选择和繁殖 图 43.2 植物基因组中可能的染色体数 单倍体：一组不 成对的染色体，例如配子中的染色体数目。二倍体：一 组成对的染色体。多倍体：多组成对的染色体，如香蕉 有 3 组成对的染色体，所以是多倍体。 Haploid 单倍体 Diploid 二倍体 Polyploid 多倍体

具有人类所需性状的个体来实现的。提高产量的培育方法二十世纪初，对遗传学认识的加深加速了农作物改良的速度。农业发展中最显著的当数杂交玉米的引入。随着玉米不断Diploid:2×7Diploid:2×71889198ARTriticummonococcum(2n=14)Triticum searsii(2n=14)地培育，人们发现每当BBAA有害隐性基因形成纯lite合子时，这些高度近亲Sterile hybrid (1n=14)AB繁殖的玉米产量就会Chromosomedoubling福下降。GeorgeHarrisonTetraploid:4x7Diploid:2×7OORRRNShull发现将两个不同HRXTriticumtauschii(2n=14)Triticumturgidum(2n=28)AARR品系的玉米杂交可以产生具有“杂交优势”的子代。产量提高4倍Sterile hybrid (1n=21)之多！现在美国几乎所ABCChromosomedoubling有的玉米都是杂交玉米。杂交水稻的产量也Hexaploid:6x7BRANRNRRS能提高20%。Triticumaestivum(2n=42)AABBCC育种专家现在已图43.3小麦的进化史人工种植的小麦首先出现在亚洲西南部即现在伊拉克所在地的山区。那里汇集了大量的小麦属经转向特定的基因来（Triticum）的草本植物。人工种植的小麦（Taestivum）是优化食物的质量（图Triticum的多倍体物种，它是通过两个所谓的“异源多倍化”过程而产生的。（1）两种不同的二倍体物种这里简化为AA和43.1)。虽然只有一小BB，杂交形成AB多倍体：这种物种差异很大以至减数分裂时A.B染色体无法配对，所以AB多倍体是不育的。然而，在有部分的基因和它们的些植株中，染色体数目会由于减数分裂时染色体没有分开而自动加倍，生成可育的四倍体物种AABB。这种小麦就被用于生功能得以确认，但是这产面食。（2）同样，四倍体物种AABB与另一种二倍体物种个世纪一开始人们就CC杂交，又经过一次加倍后，生成六倍体T.aestivum,AABBCC。这种面包小麦在全世界广泛种植。是开始使用有效的新Diploid二倍体sterilehybrid(1n=14)不育的杂种(1n=14)Chromosomedoubling染色体加倍Tetraploid四倍体，技术方法来破解基因sterilehybrid(In=21)不育的杂种(1n=21）Hexaploid六倍体组

具有人类所需性状的个体来实现的。 提高产量的培育方法 二十世纪初，对遗传学认识的加深加速了农作物改良的速度。农业发展中最 显著的当数杂交玉米 的引入。随着玉米不断 地培育，人们发现每当 有害隐性基因形成纯 合子时，这些高度近亲 繁殖的玉米产量就会 下降。George Harrison Shull 发现将两个不同 品系的玉米杂交可以 产生具有“杂交优势” 的子代。产量提高 4 倍 之多！现在美国几乎所 有的玉米都是杂交玉 米。杂交水稻的产量也 能提高 20%。 育种专家现在已 经转向特定的基因来 优化食物的质量（图 43.1）。虽然只有一小 部分的基因和它们的 功能得以确认，但是这 个世纪一开始人们就 是开始使用有效的新 技术方法来破解基因 组。 图 43.3 小麦的进化史 人工种植的小麦首先出现在亚洲西南 部即现在伊拉克所在地的山区。那里汇集了大量的小麦属 （Triticum）的草本植物。人工种植的小麦（T.aestivum）是 Triticum 的多倍体物种，它是通过两个所谓的“异源多倍化” 过程而产生的。（1）两种不同的二倍体物种这里简化为 AA 和 BB，杂交形成 AB 多倍体；这种物种差异很大以至减数分裂时 A,B 染色体无法配对，所以 AB 多倍体是不育的。然而，在有 些植株中，染色体数目会由于减数分裂时染色体没有分开而自 动加倍，生成可育的四倍体物种 AABB。这种小麦就被用于生 产面食。（2）同样，四倍体物种 AABB 与另一种二倍体物种 CC 杂交，又经过一次加倍后，生成六倍体 T.aestivum,AABBCC。 这种面包小麦在全世界广泛种植。 Diploid 二倍体 sterile hybrid(1n＝14)不育的杂种(1n＝14) Chromosome doubling 染色体加倍 Tetraploid 四倍体， sterile hybrid(1n＝21)不育的杂种(1n＝21) Hexaploid 六倍体

研究植物基因组表43.1植物基因组的大小植物基因组非常复杂，分学名俗名基因组大小析表明DNA序列经常会随着(10万碱基对)145拟南芥时间发生许多进化意义上的Arabidopsisthaliana桃262Prunus persica重大变化。植物的染色体数以麻323Ricinus communis甜橙367及倍数性也大相径庭（图Citrus sinensis水稻424Oryza sativa spp.javanica43.2）。总之，植物基因组的大1221Petumiaparodi碧冬茄Pisum sativum豌豆3,947小（包括所有染色体和核苷酸11,315Avenasativa燕麦碱基对的数目）显示了生物世Tulipa spp郁金香24,704界中一个多样性最丰富的王资料来源：PJ.LeaandR.C.Leegods编著PlantBiochemistry and Molecular Biology国。像郁金香所拥有的DNA碱基对的数目是拟南芥的170多倍（表43.1)。与动物一样，植物DNA也有序列重复区，序列倒位（sequenceinversion）或转座因子(transposableelement)插入，这些又进一步丰富了它们的遗传信息。过去人们往往利用染色体的倒位(chromosomeinversion)以及倍数性方面的变异来构建植物物种进化的图谱（图43.3）。越来越多的研究者正在转向研究植物DNA序列的组成，以获取一种植物物种进化史的重要信息。许多世纪以来，人们一直通过选择所需要的性状对植物进行遗传改造。过去，生物学家从染色体水平上观察植物的变异情况：现在，研究人员正致力于研究DNA序列水平的变化。植物基因组的组成低度重复，中度重复和高度重复的DNA大多数种子植物含有的DNA数量大大超过了编码和调节作用所需的数量。因此，对植物而言，基因组中实际上只有很小比例的编码基因与产生蛋白质有关。基因组中编码多数转录基因的部分常被称为低度重复DNA（Low-Copy-NumberDNA）”。因为包含这些基因的DNA序列以单个或者少数的拷贝出现。植物那么多过量的DNA插入基因组中有何作用呢？看起来这些序列变化大部分发生在那

研究植物基因组 植物基因组非常复杂，分 析表明 DNA 序列经常会随着 时间发生许多进化意义上的 重大变化。植物的染色体数以 及 倍 数 性 也 大 相 径 庭 （ 图 43.2）。总之，植物基因组的大 小（包括所有染色体和核苷酸 碱基对的数目）显示了生物世 界中一个多样性最丰富的王 国。像郁金香所拥有的 DNA 碱基对的数目是拟南芥的 170 多倍（表 43.1）。与动物一样，植物 DNA 也有序 列重复区，序列倒位（sequence inversion）或转座因子(transposable element)插入， 这些又进一步丰富了它们的遗传信息。过去人们往往利用染色体的倒位 (chromosome inversion)以及倍数性方面的变异来构建植物物种进化的图谱（图 43.3）。越来越多的研究者正在转向研究植物 DNA 序列的组成，以获取一种植物 物种进化史的重要信息。 许多世纪以来，人们一直通过选择所需要的性状对植物进行遗传改造 ，人们一直通过选择所需要的性状对植物进行遗传改造。过 去，生物学家从染色体水平上观察植物的变异情况 生物学家从染色体水平上观察植物的变异情况；现在，研究人员正致力于 ，研究人员正致力于 研究 DNA 序列水平的变化。 植物基因组的组成 低度重复，中度重复和高度 ，中度重复和高度重复的 DNA 大多数种子植物含有的 DNA 数量大大超过了编码和调节作用所需的数量。 因此，对植物而言，基因组中实际上只有很小比例的编码基因与产生蛋白质有关。 基因组中编码多数转录基因的部分常被称为低度重复 DNA （Low-Copy-Number DNA）”。因为包含这些基因的 DNA 序列以单个或者少数的拷贝出现。植物那么 多过量的 DNA 插入基因组中有何作用呢？看起来这些序列变化大部分发生在那 表 43.1 植物基因组的大小 学名 俗名 基因组大小 (10万碱基对) Arabidopsis thaliana 拟南芥 145 Prunus persica 桃 262 Ricinus communis 蓖麻 323 Citrus sinensis 甜橙 367 Oryza sativa spp. javanica 水稻 424 Petunia parodii 碧冬茄 1221 Pisum sativum 豌豆 3,947 Avena sativa 燕麦 11,315 Tulipa spp. 郁金香 24,704 资 料 来 源 ： P.J.Lea and R.C.Leegods 编 著 Plant Biochemistry and Molecular Biology

些非编码的区域。中度重复DNA（Medium-Copy-NumberDNA）主要由编码核糖体RNA（rRNA）的DNA序列组成。rRNA是一种将转录得到的信使RNA（mRNA）翻译成蛋白质的重要分子。在植物基因组中，rRNA基因可能会重复成百上千次。比较而言，动物细胞一般只有100至200个的rRNA基因。植物基因组中有关rRNA基因的数量及其突变的变异程度，为分析植物物种的进化模式提供了一个有用的工具。植物细胞也可能含有以高度重复的序列的形式出现的过量的DNA，或称为高度重复DNA(High-Copy-NumberDNA)。目前这些“高度重复的DNA”在植物基因组中的作用还不清楚。卡米基因组中大约有一半是由那些类似逆转录病毒的DNA（retroviral-likeDNA）组成的。像动物的HIV病毒那样的RNA逆转录病毒（retroviruses）利用它们寄主的基因组来复制它们的DNA，并将这些DNA插入到寄主的基因组TransposableSimpletandemarray中。显然，有些逆转录element4病毒是毁灭性的。玉米Repeat/single-copyinterspersionSingle-copygene如何接受如此大量的Invertedrepeats外源DNA是进化上的Compound tandem array一个谜。Repeat/repeatinterspersion(a)序列的复制和倒位(b)Different arrangements ofrepeatedandinvertedDNATransposableelement在植物基因组中excisionandreinsertionseguences高度重复的DNA序图43.4重复DNA序列的组织和转座因子改变基因功能的机理（a）重复的DNA序列在植物基因组中能以几种不同的排列可能很短，就像核苷列形式出现。图中的箭头表示DNA重复序列。颜色和大小相同的箭头表示彼此相同的基因，箭头的指向表示DNA序列的酸序列“GAA”，也可方向。（b）转座因子是重复DNA序列的来源，基因的功能随之改变。转座因子可从其原来的位置切下来，然后再插入到包能要长得多，包括几百含一个基因的单拷贝DNA序列中，并改变该基因功能。个核苷酸。此外，单个Simpletandemarray简单串联排列Invertedrepeats反向重复Repeat/single-copyinterspersion重复/单拷贝散布高度重复的DNA序列Compound tandemarray复合串联排列Repeat/repeatinterspersion重复/重复散布的拷贝数总共能达到Repeat/repeatinterspersion重复性散布Transposableelement转座因子Single-copygene单拷贝基因10,000到100,000。有(a)重复和反向的DNA序列的不同排列转座因子的切除和再插入(b)

些非编码的区域。 中度重复 DNA（Medium-Copy-Number DNA）主要由编码核糖体 RNA （rRNA）的 DNA 序列组成。rRNA 是一种将转录得到的信使 RNA（mRNA）翻 译成蛋白质的重要分子。在植物基因组中，rRNA 基因可能会重复成百上千次。 比较而言，动物细胞一般只有 100 至 200 个的 rRNA 基因。植物基因组中有关 rRNA 基因的数量及其突变的变异程度，为分析植物物种的进化模式提供了一个 有用的工具。 植物细胞也可能含有以高度重复的序列的形式出现的过量的 DNA，或称为 高度重复 DNA(High-Copy-Number DNA）。目前这些“高度重复的 DNA”在植 物基因组中的作用还不清楚。玉米基因组中大约有一半是由那些类似逆转录病毒 的 DNA（retroviral-like DNA）组成的。像动物的 HIV 病毒那样的 RNA 逆转录 病毒（retroviruses）利用它们寄主的基因组来复制它们的 DNA，并将这些 DNA 插入到寄主的基因组 中。显然，有些逆转录 病毒是毁灭性的。玉米 如何接受如此大量的 外源 DNA 是进化上的 一个谜。 序列的复制和倒位 在植物基因组中 高度重复的 DNA 序 列可能很短，就像核苷 酸序列“GAA”，也可 能要长得多，包括几百 个核苷酸。此外，单个 高度重复的 DNA 序列 的拷贝数总共能达到 10,000 到 100,000。有 图 43.4 重复 DNA 序列的组织和转座因子改变基因功能的机 座因子改变基因功能的机 理 （a）重复的 DNA 序列在植物基因组中能以几种不同的排 列形式出现。图中的箭头表示 DNA 重复序列。颜色和大小相 同的箭头表示彼此相同的基因，箭头的指向表示 DNA 序列的 方向。（b）转座因子是重复 DNA 序列的来源，基因的功能随 之改变。转座因子可从其原来的位置切下来，然后再插入到包 含一个基因的单拷贝 DNA 序列中，并改变该基因功能。 Simple tandem array 简单串联排列 Inverted repeats 反向重复 Repeat/single-copy interspersion 重复/单拷贝散布 Compound tandem array 复合串联排列 Repeat/repeat interspersion 重复/重复散布 Repeat/repeat interspersion 重复性散布 Transposable element 转座因子 Single-copy gene 单拷贝基因 (a) 重复和反向的 DNA 序列的不同排列 (b) 转座因子的切除和再插入

关高度重复的DNA序列在植物基因组中是如何形成的，存在着几种可能性（图43.4a）。单个重复DNA序列的几个拷贝可能按相同的方向排列在一起，这种模式被称为“简单串联排列”（Simpletandemarray）。另一种情况是，重复的DNA序列以同一方向（重复/单拷贝散布repeat/single-copyinterspersion）或相反的方向（反向重复invertedrepeats）分散在单拷贝DNA中。除此之外，几组重复的DNA序列还可能以多种可能的方式排列，同时出现在植物基因组中，像“复合串联排列”（Compoundtandemarry）或“重复性的散布”（repeat/repeatinterspersion)。重复DNA序列的存在极大地增加了植物的基因组的大小，也为寻找和鉴别单独的单拷贝基因增加了难度。因而，鉴别单拷贝基因就如同“大海捞针”。许多机制能够说明植物基因组中出现高重复率DNA序列的原因。通过将特定染色体区域的DNA多次复制，将此DNA序列放大，就可能生成重复的序列。减数分裂中染色体的不等交换或者转座因子的活动（见下一部分），也可能产生重复序列。转座因子正如18章所述，转座因子(TransposableElements)是特殊的DNA序列，可以从基因组上的一个位置转移到另一个位置。它们可以从某处突然切下来，而插入到另一位点。因此，转座因子一直被称为“跳跃基因”（jumpinggenes）。转座因子插入到基因的编码区或调节区。这种插入将影响基因的表达，导致可检测或不可检测的突变（图43.4b）。BarbaraMcClintock首先报道了玉米的转座因子，并因此荣获1983年的诺贝尔奖（图18.23）。由于它们具有独立复制并在基因组中移动的能力，转座因子也可能产生重复的DNA序列。人们相信，玉米中大量的类似反转录病毒的插入（retroviral-likeinsertions）可能就造成这种情况。基因组中特定位点的重复DNA序列的滞留可能引发转座因子本身的突变，使它丧失转座的能力(capacitytotranspose)。叶绿体的基因组及其进化叶绿体是一种进行光合作用的细胞器，它能在植物体内独立的复制。植物叶

关高度重复的 DNA 序列在植物基因组中是如何形成的，存在着几种可能性（图 43.4a）。单个重复 DNA 序列的几个拷贝可能按相同的方向排列在一起，这种模 式被称为“简单串联排列”（Simple tandem array）。另一种情况是，重复的 DNA 序列以同一方向（重复/单拷贝散布 repeat/single-copy interspersion）或相反的方 向（反向重复 inverted repeats）分散在单拷贝 DNA 中。除此之外，几组重复的 DNA 序列还可能以多种可能的方式排列，同时出现在植物基因组中，像“复合 串 联 排 列 ”（ Compound tandem arry ） 或 “ 重 复 性 的 散 布 ” (repeat/repeat interspersion)。重复 DNA 序列的存在极大地增加了植物的基因组的大小，也为 寻找和鉴别单独的单拷贝基因增加了难度。因而，鉴别单拷贝基因就如同“大海 捞针”。 许多机制能够说明植物基因组中出现高重复率 DNA 序列的原因。通过将特 定染色体区域的 DNA 多次复制，将此 DNA 序列放大，就可能生成重复的序列。 减数分裂中染色体的不等交换或者转座因子的活动（见下一部分），也可能产生 重复序列。 转座因子 正如 18 章所述，转座因子(Transposable Elements)是特殊的 DNA 序列，可 以从基因组上的一个位置转移到另一个位置。它们可以从某处突然切下来，而插 入到另一位点。因此，转座因子一直被称为“跳跃基因”（jumping genes）。转座 因子插入到基因的编码区或调节区。这种插入将影响基因的表达，导致可检测或 不可检测的突变（图 43.4b）。Barbara McClintock 首先报道了玉米的转座因子， 并因此荣获 1983 年的诺贝尔奖（图 18.23）。 由于它们具有独立复制并在基因组中移动的能力，转座因子也可能产生重复 的 DNA 序列。人们相信，玉米中大量的类似反转录病毒的插入（retroviral-like insertions） 可能就造成这种情况。基因组中特定位点的重复 DNA 序列的滞留可 能引发转座因子本身的突变，使它丧失转座的能力(capacity to transpose)。 叶绿体的基因组及其进化 叶绿体是一种进行光合作用的细胞器，它能在植物体内独立的复制。植物叶

绿体拥有自身独特的DNA，且与细胞核中的染色体是分开的。这种DNA是由母体遗传得到的，编码独特的叶绿体蛋白。有人认为叶绿体源自一个能进行光合作用的原核生物，这种原核生物由于内吞作用而成为了植物细胞的一部分（见35章）。研究已经表明，叶绿体DNA拥有许多像原核生物一样的特征。它与原核生物的染色体DNA类似，也是双链环状DNA。此外，叶绿体DNA中含有编码核糖体的基因（genes forribosomes），与出现在原核生物中的核糖体基因非常相似。所有陆生植物叶绿体中的DNA都具有几乎同样的基因数（大约是100），而且排列的次序也相同。与植物细胞核中DNA的进化相比，叶绿体DNA的进化更加保守。因而当人们研究DNA序列的相似性时，它提供了一个更容易解释的进化模型。叶绿体DNA也不容易被重组产生的转座因子和突变所改变。虽然光合作用所需要的蛋白质大部分还是由核基因所编码，但叶绿体DNA编码的很多蛋白质都与光合作用有关。随着时间的推移，细胞核和叶绿体基因组之间似乎已经发生了一些基因交换。比如，光合作用的卡尔文（Calvin）循环中最关键的酶包括大小两Large single-copyregion(~87kb)个亚基。大亚基由叶绿体基因编码：小亚基则由核基因组编码。编码小亚基的基因组有一段Typical plantchloroplastgenome靶序列，它使小亚基能够进入叶绿体与大亚基结合。这些基因定位的InvertedrepeatSmall single-(~25 kb)进化史仍然是个谜。copyregion(~18kb)图43.5叶绿体基因组一个典型的植物叶绿体基因组示叶绿体基因组的一意图，包括2个单拷贝基因区域，其中一个包含大约87000个典型特征就是在DNA个核苷酸（87kb），另一个大约是18kb：另外还有2个对称的反向重复序列，每个25kb。叶绿体DNA不会发生核序列中出现了两段相同基因组中常见的染色体重组事件，因而可以作为DNA系统发生分析的良好材料。的反向重复（invertedLargesingle-copyregion大的单拷贝区repeats）（图43.5）。其它Typicalplantchloroplastgenome典型的植物叶绿体基因组Invertedrepeat反向重复的DNA序列极少发生现Smallsingle-copyregion小的单拷贝区

绿体拥有自身独特的 DNA，且与细胞核中的染色体是分开的。这种 DNA 是由母 体遗传得到的，编码独特的叶绿体蛋白。有人认为叶绿体源自一个能进行光合作 用的原核生物，这种原核生物由于内吞作用而成为了植物细胞的一部分（ 见 35 章）。研究已经表明，叶绿体 DNA 拥有许多像原核生物一样的特征。它与原核 生物的染色体 DNA 类似，也是双链环状 DNA。此外，叶绿体 DNA 中含有编码 核糖体的基因（genes for ribosomes），与出现在原核生物中的核糖体基因非常相 似。 所有陆生植物叶绿体中的 DNA 都具有几乎同样的基因数（大约是 100），而 且排列的次序也相同。与植物细胞核中 DNA 的进化相比，叶绿体 DNA 的进化 更加保守。因而当人们研究 DNA 序列的相似性时，它提供了一个更容易解释的 进化模型。叶绿体 DNA 也不容易被重组产生的转座因子和突变所改变。 虽然光合作用所需要的蛋白质大部分还是由核基因所编码，但叶绿体 DNA 编码的很多蛋白质都与光合作用有关。随着时间的推移，细胞核和叶绿体基因组 之间似乎已经发生了一些基因交换。比如，光合作用的卡尔文（Calvin）循环中 最关键的酶包括大小两 个亚基。大亚基由叶绿 体基因编码；小亚基则 由核基因组编码。编码 小亚基的基因组有一段 靶序列，它使小亚基能 够进入叶绿体与大亚基 结合。这些基因定位的 进化史仍然是个谜。 叶绿体基因组的一 个典型特征就是在 DNA 序列中出现了两段相同 的 反 向 重 复 （ inverted repeats）（图 43.5）。其它 的DNA序列极少发生现 图 43.5 叶绿体基因组 一个典型的植物叶绿体基因组示 意图，包括 2 个单拷贝基因区域，其中一个包含大约 87000 个核苷酸（87kb），另一个大约是 18kb；另外还有 2 个对 称的反向重复序列，每个 25kb。叶绿体 DNA 不会发生核 基因组中常见的染色体重组事件，因而可以作为 DNA 系 统发生分析的良好材料。 Large single-copy region 大的单拷贝区 Typical plant chloroplast genome 典型的植物叶绿体基因组 Inverted repeat 反向重复 Small single-copy region 小的单拷贝区

反向(inversion)或者删除作用，但是一旦发生了，它们就可能作为分析植物间进化关系的特征或工具。比如，在菊科向日葵属植物中，其叶绿体DNA有一个大的反向序列，而在别的植物科中却没有出现。先前有关植物间进化关系的研究工作多侧重于植物解剖学和形态学上的对比分析，如今，像植物叶绿体DNA序列这样的分子数据正越来越广泛地被采用。与其它真核生物相比，植物细胞核可能含有大量的DNA，但其中只有很少的一部分是功能基因。染色体拷贝数目增加（多倍性）以及DNA序列的重复导致植物基因组中DNA过量。叶绿体基因组的进化比核基因组更慢，它可以提供重要的有关进化的信息。比较基因组作图和模式系统随着研究DNA序列的新技术的出现，我们对植物基因组的认识逐步加深。而这方面的深入了解能使我们更好地操纵基因特性。比如农作物产量，抗病性生长能力，营养价值，抗旱性。这些特性中每一个都由多基因编码。通过基因组作图（genomemapping）使植物模式化，植物生物学家为将来植物的培育以及从基因水平上认识植物进化奠定了基础。水稻作为一种模式系统被选中是因为它的基因组较小，与其它谷类有很高的染色体保守性。从基因组的意义上看，“水稻就是小麦”。植物另外一个模式系统就是拟南芥（Arabidopsis）。这种芥菜类的野草具有特别小的基因组。它只有20%的重复DNA（见表43.1)，这使得测定它的全序列比较容易。如下面将讨论的，进一步达到单个碱基对的检测水平是一个渐进的阶梯过程。RELP和AFLP可作为绘制基因组图谱和检测多态性的工具在染色体上线性地确定每个基因，经典的办法是将它与已经通过突变确定了的基因杂交。重组的概率就可以用来计算两个遗传标记物（geneticmarkers）之间亲缘关系的远近（见13章）。结果就是一张遗传图或连锁图(geneticorlinkagemap)。这种方法仅限于那些具有等位基因的基因，而且能通过表现型得以鉴定的。更多的基因组可以使用限制性片断长度多态性（restrictionfragmentlengthpolymorphismsRFLPs）来作图，这样就不需要有宏观表型。注意，RFLPs是包

反向(inversion)或者删除作用，但是一旦发生了，它们就可能作为分析植物间进 化关系的特征或工具。比如，在菊科向日葵属植物中，其叶绿体 DNA 有一个大 的反向序列，而在别的植物科中却没有出现。先前有关植物间进化关系的研究工 作多侧重于植物解剖学和形态学上的对比分析，如今，像植物叶绿体 DNA 序列 这样的分子数据正越来越广泛地被采用。 与其它真核生物相比，植物细胞核可能含有大量的 ，植物细胞核可能含有大量的 DNA，但其中只有很少 ，但其中只有很少 的一部分是功能基因。染色体拷贝数目增加 。染色体拷贝数目增加（多倍性）以及 DNA 序列的重复导 致植物基因组中 DNA 过量。叶绿体基因组的进化比核基因组更慢 。叶绿体基因组的进化比核基因组更慢，它可以提供 重要的有关进化的信息。 比较基因组作图和模式系统 随着研究 DNA 序列的新技术的出现，我们对植物基因组的认识逐步加深。 而这方面的深入了解能使我们更好地操纵基因特性。比如农作物产量，抗病性， 生长能力，营养价值，抗旱性。这些特性中每一个都由多基因编码。通过基因组 作图（genome mapping）使植物模式化，植物生物学家为将来植物的培育以及从 基因水平上认识植物进化奠定了基础。水稻作为一种模式系统被选中是因为它的 基因组较小，与其它谷类有很高的染色体保守性。从基因组的意义上看，“水稻 就是小麦”。植物另外一个模式系统就是拟南芥（Arabidopsis）。这种芥菜类的野 草具有特别小的基因组。它只有 20%的重复 DNA（ 见表 43.1），这使得测定它 的全序列比较容易。如下面将讨论的，进一步达到单个碱基对的检测水平是一个 渐进的阶梯过程。 RELP 和 AFLP 可作为绘制基因组图谱和检测多态性的工具 谱和检测多态性的工具 在染色体上线性地确定每个基因，经典的办法是将它与已经通过突变确定了 的基因杂交。重组的概率就可以用来计算两个遗传标记物（genetic markers）之 间亲缘关系的远近（见 13 章）。结果就是一张遗传图或连锁图(genetic or linkage map)。这种方法仅限于那些具有等位基因的基因，而且能通过表现型得以鉴定的。 更多的基因组可以使用限制性片断长度多态性 性片断长度多态性（restriction fragment length polymorphisms RFLPs）来作图，这样就不需要有宏观表型。注意，RFLPs 是包

含一个或多个基因的部分DNA片断。这种方法在19章详细讨论过（见图19.2，19.4，19.9和19.10），包括RFLP图谱的分析，或者用限制性内切酶在特定位点剪切所获得的DNA片断的模式的分析。将克隆得到的探针与凝胶电泳分离出来的DNA片断进行杂交，可以确定该限制性片断长度的多态性（RFLPs）。RFLP作图能很快确定基因组中重要的区域。而有关的序列的数据则需要复杂的以计算机为基础的检索和匹配（matching）系统。目前最密集的RFLP图谱存在于水稻中，12条染色体上绘制了2000个DNA序列。另外一种应用序列可变性的工具图43.6普通大豆和“多瘤”大豆的AFLP是AFLPs，或称为扩增片断长度多态指纹图谱模式现在仍然不清楚究竞是什么因素决定了普通大豆(a)和“多瘤”突变性（amplifiedfragmentlength体(b)的根瘤数目。这些植物间细微的基因差异能用AFLP（c）检测出。条带模式的polymorphisms）。基因组中的DNA片变化反映了与“多瘤”突变相关的基因标断先用限制性内切酶（通常是EcoRI记。第1列：普通大豆DNA；第2列：“多根瘤”大豆DNA。和Msel）切断，然后利用聚合酶链式反应（PCR）扩增，得到的PCR产物代表了被限制性酶切断的每一段DNA，这些片断根据其大小通过凝胶电泳可分开。与RFLPs一样，AFLPs通过与克隆探针杂交进行鉴定。因为整个基因组在凝胶上都能看得见（图43.6)，AFLPS凝胶上条带的大小比RFLP图谱上的表现出更大的多态性。RFLPS和AFPLS（在许多其它基因组分析的工具中）都可以为通过杂交从亲本传递给子代的遗传特性提供标记。DNA微阵列如何使得DNA序列对研究者有用，而不仅仅是一大堆电子信息的数据？

含一个或多个基因的部分 DNA 片断。 这种方法在 19 章详细讨论过（见图 19.2，19.4，19.9 和 19.10），包括 RFLP 图谱的分析，或者用限制性内切酶在 特定位点剪切所获得的 DNA 片断的 模式的分析。将克隆得到的探针与凝 胶电泳分离出来的 DNA 片断进行杂 交，可以确定该限制性片断长度的多 态性（RFLPs）。RFLP 作图能很快确定 基因组中重要的区域。而有关的序列 的数据则需要复杂的以计算机为基础 的检索和匹配（matching）系统。目前 最密集的 RFLP 图谱存在于水稻中，12 条染色体上绘制了 2000 个 DNA 序列。 另外一种应用序列可变性的工具 是 AFLPs，或称为扩增片断长度多态 性 （ amplified fragment length polymorphisms）。基因组中的 DNA 片 断先用限制性内切酶（通常是 EcoRI 和 MseI）切断，然后利用聚合酶链式 反应（PCR）扩增，得到的 PCR 产物代表了被限制性酶切断的每一段 DNA，这 些片断根据其大小通过凝胶电泳可分开。与 RFLPs 一样，AFLPs 通过与克隆探 针杂交进行鉴定。因为整个基因组在凝胶上都能看得见(图 43.6)，AFLPS 凝胶上 条带的大小比 RFLP 图谱上的表现出更大的多态性。RFLPS 和 AFPLS（在许多 其它基因组分析的工具中）都可以为通过杂交从亲本传递给子代的遗传特性提供 标记。 DNA 微阵列 如何使得 DNA 序列对研究者有用，而不仅仅是一大堆电子信息的数据？ 图 43.6 普通大豆和“多瘤”大豆的 AFLP 指纹图谱模式 现在仍然不清楚究竟是什 么因素决定了普通大豆(a)和“多瘤”突变 体(b)的根瘤数目。这些植物间细微的基因 差异能用 AFLP（c）检测出。条带模式的 变化反映了与“多瘤”突变相关的基因标 记。第 1 列：普通大豆 DNA；第 2 列：“多 根瘤”大豆 DNA

DNAmicroarrayArabidopsisDNADNAgenomeRoboticquillCrerAy1.TargetDNAis2.DNA is printed ontoamplifiedbyPCR.a microscope slide.MixFlower-specificmRNAHybridize(sample1)ReversetranscriptaseProbe1-FluorescentnucleotideProbe2cDNAprobeStrongsignalLeaf-specificmRNAfromWeak(sample2)Probe1signalfromReversetranscriptaseProbe2DifferentfluorescentnucleotideTSimilarcDNAprobesignalsfrom3.SamplesofmRNAarebothprobesobtained,forinstancefromStrongtwodifferenttissues.ProbessignalfromforeachsamplearepreparedWeak signalProbe2using a differentfluorescentfromProbe1nucleotideforeachsample.4.Thetwoprobesaremixedandhybridizedwiththemicroarray.Fiuorescentsignalsonthemicroarrayareanalyzed.图43.7微阵列PCR用于扩增基因组中非余（non-redundant）基因。借助一个机械针将这些基因片断分别点样到显微载玻片上，形成一个微阵列。然后，此微阵列用待研究的靶组织来源的RNA来探测，以确定表达了的DNA。带有杂交探针的微阵列被分析后通常以假彩色图像显示出来。如果某基因在一个样品中频繁表达，微阵列中这个基因所在位置的荧光信号就强（红或绿）。如果某个基因在一个样品中很少被表达，信号就弱（粉红或浅绿）。黄色表示在每个样品中表达水平相近的基因。Platecontaininggenomefragments带有基因组片断的板Roboticquill机械针Flower-specificmRNA（sample1）花特异性mRNA(样品1）cDNAprobecDNA探针fluorescentnucleotide荧光标记的核苷酸differentfluorescentnucleotide不同荧光标记的核苷酸leaf-specificmRNA（sample2）叶特异性mRNA（样品2）probe1探针1probe2探针2weaksignalfromprobe2探针2的弱信号Microscopeslide显微载玻片mixhvbridize混合杂交Similarsignalsfrombothprobes来源于2个探针的相似信号DNAmicroarrayDNA微阵列strong signalfromprobe2探针2的强信号strongsignalfromprobe-一探针1的强信号weak signal fromprobel-探针1的弱信号Reversetranscriptase逆转录酶1.板的每个孔中含有经PCR扩增的独特的拟南芥基因组片断（1，2，3，4…...）2.DNA被印在显微载玻片上。3.从两种不同组织中获得的mRNA样品。分别用带不同荧光的核苷酸制备不同的样品探针。4.两个探针混合并与微阵列杂交，杂交后分析微阵列上的荧光信号

图 43.7 微阵列 PCR 用于扩增基因组中非冗余（non-redundant）基因。借助一个机械针将这些 基因片断分别点样到显微载玻片上，形成一个微阵列。然后，此微阵列用待研究的靶组织来源 的 RNA 来探测，以确定表达了的 DNA。带有杂交探针的微阵列被分析后通常以假彩色图像显 示出来。如果某基因在一个样品中频繁表达，微阵列中这个基因所在位置的荧光信号就强（红 或绿）。如果某个基因在一个样品中很少被表达，信号就弱（粉红或浅绿）。黄色表示在每个样 品中表达水平相近的基因。 Plate containing genome fragments 带有基因组片断的板 Robotic quill 机械针 Flower-specific mRNA（sample1）花特异性 mRNA(样品 1) cDNA probe cDNA 探针 fluorescent nucleotide 荧光标记的核苷酸 different fluorescent nucleotide 不同荧光标记的核苷酸 leaf-specific mRNA（sample2）叶特异性 mRNA(样品 2) probe 1 探针 1 probe 2 探针 2 mix hybridize 混合杂交 weak signal from probe2 探针 2 的弱信号 Microscope slide 显微载玻片 Similar signals from both probes 来源于 2 个探针的相似信号 DNA microarrayDNA 微阵列 strong signal from probe2 探针 2 的强信号 strong signal from probe——探针 1 的强信号 weak signal from probe1——探针 1 的弱信号 Reverse transcriptase 逆转录酶 1.板的每个孔中含有经 PCR 扩增的独特的拟南芥基因组片断（1，2，3，4.） 2.DNA 被印在显微载玻片上。 3.从两种不同组织中获得的 mRNA 样品。分别用带不同荧光的核苷酸制备不同的样品探针。 4.两个探针混合并与微阵列杂交，杂交后分析微阵列上的荧光信号