高级植物生理学第一章 植物生理与分子生物学
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mRNA
起始密码
终止密码
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
ຫໍສະໝຸດ Baidu
基 因 （gene）？ 基因组 （genome）？ 基因组学 （genomics）？
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：
模式植物
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” 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。
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；
启动子
上游调节区 RNA-5′ DNA 起点
外显子1
单 顺 反 子
一个结构基因
外显子2 外显子3
终点
例外：C.elegans 有13500个基因，约25%是多顺反子。
多 顺 反 子
启动子
上游调节区 RNA-5′ DNA 起点
基因1
三个结构基因
基因2 基因3
终点
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
一些物种细胞核基因组(二倍体)大小
物 种 拟南芥(Arabidopsis thaliana)
栽培稻(Oryza sativm) 普通小麦(Triticum Aestivum) 一粒小麦(Triticum Monococcum) 玉 米(Zea mays) 贝 母（Fritillaria assyriaca） 人 类(Hemo sapiens) 大肠杆菌(E. coli) 玉米叶绿体 玉米线粒体
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。
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； 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。
Co：复性时相同（单链）DNA的浓度；t：复性的时间
Co t1/2：一半DNA复原成双链所用的时间；
基因组越复杂， Co t1/2 值越大。
基因组的序列可分为单一序列（single copy sequence） 和重复序列（repetitive sequence）
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10 bp的片段；
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。
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。 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。
碱基对数目/ （×108 bp/细胞） 1.25
4.3 160 57 23 1000 31 0.042 0.0016 0.0057
物理长度/cm 3.8
13.1 493 173 70 3039 102 0.14 0.006 0.02
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：Co t1/2 表示；
中度重复序列：几十到上千次，约 300~500 bp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（tandemly repeated sequences）：
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（dispersed Repeated Sequence ）：
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
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 (complementary DNA)文 库中分别钓出编码该蛋白质的基因与 cDNA克隆。
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；
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： 串联重复，簇之间由不转录间隔分开；
ETS 18S ITS 5.8S
不转录间隔
28S
18S
5.8S
28S
rRNA基因 45S rNA前体 卫星DNA（satellite DNA）： 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（chloroplast genome）：
多数 被子植物 cpDNA在120~160kb之间；
含有87~183个已知基因；
拟南芥 烟 草 84170 86684
26264
25339
17780
18482
26264
25339 IRB
LSC
88
102 118 108 100 84 111
45
45 46 54 47 50 47
NC-000932
NC-001897 NC-002693 NC-001320 NC-002202 NC-002762 NC-001666
菠 菜 小 麦 玉 米
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（mitochondrial genome）
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mtDNA 376kb ，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。
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Gene Bank：
http//www.ncbi.nlm.nih.gov/
―欧洲生物信息学研究所”(EBI)主持的 EMBL 数据库；
http//www.ebi.ac.uk/embl/
日本“国家遗传学研究所”(NIG)主持的日本DNA数据库 (DDBJ)
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。
真核生物 rRNA 基因结构 ETS 18S ITS 5.8S
不转录间隔
28S
18S
5.8S
28S
rRNA基因
45S rNA前体
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。
2.1
植物基因组的复杂性
（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：6.3×107 bp； 百 合单倍体基因组：1.0×1011 bp； （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；
某种生物全部基因的克隆总体——基因组文库
克隆与基因组文库的构建
cDNA 文 库 的 构 建
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。
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；
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
1、 真核细胞基因结构的特征
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。
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（structural genomics） 以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functional genomics)
http//www.ddbj.nig.ac.jp/
基因的命名：
植物基因命名委员会：
Commission on Plant Gene Nomenclature，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：ABC ABC是该基因的产物
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 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体
核小体
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。 编码区 extron intron
前导区
尾部区
DNA(基因)
IRA
SSC
rRNA
rRNA
4 rRNA基因、30 tRNA基因、4 RNA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。
已知DNA序列的植物质体基因组
植物 长度/bp P基因数 R基因数 GenBank编号
拟南芥
烟 草 月见草 水 稻
154478
155939 163953 134525 150725 134545 140387
起始密码
终止密码
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
ຫໍສະໝຸດ Baidu
基 因 （gene）？ 基因组 （genome）？ 基因组学 （genomics）？
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：
模式植物
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” 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。
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；
启动子
上游调节区 RNA-5′ DNA 起点
外显子1
单 顺 反 子
一个结构基因
外显子2 外显子3
终点
例外：C.elegans 有13500个基因，约25%是多顺反子。
多 顺 反 子
启动子
上游调节区 RNA-5′ DNA 起点
基因1
三个结构基因
基因2 基因3
终点
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
一些物种细胞核基因组(二倍体)大小
物 种 拟南芥(Arabidopsis thaliana)
栽培稻(Oryza sativm) 普通小麦(Triticum Aestivum) 一粒小麦(Triticum Monococcum) 玉 米(Zea mays) 贝 母（Fritillaria assyriaca） 人 类(Hemo sapiens) 大肠杆菌(E. coli) 玉米叶绿体 玉米线粒体
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。
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； 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。
Co：复性时相同（单链）DNA的浓度；t：复性的时间
Co t1/2：一半DNA复原成双链所用的时间；
基因组越复杂， Co t1/2 值越大。
基因组的序列可分为单一序列（single copy sequence） 和重复序列（repetitive sequence）
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10 bp的片段；
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。
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。 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。
碱基对数目/ （×108 bp/细胞） 1.25
4.3 160 57 23 1000 31 0.042 0.0016 0.0057
物理长度/cm 3.8
13.1 493 173 70 3039 102 0.14 0.006 0.02
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：Co t1/2 表示；
中度重复序列：几十到上千次，约 300~500 bp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（tandemly repeated sequences）：
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（dispersed Repeated Sequence ）：
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
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 (complementary DNA)文 库中分别钓出编码该蛋白质的基因与 cDNA克隆。
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；
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： 串联重复，簇之间由不转录间隔分开；
ETS 18S ITS 5.8S
不转录间隔
28S
18S
5.8S
28S
rRNA基因 45S rNA前体 卫星DNA（satellite DNA）： 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（chloroplast genome）：
多数 被子植物 cpDNA在120~160kb之间；
含有87~183个已知基因；
拟南芥 烟 草 84170 86684
26264
25339
17780
18482
26264
25339 IRB
LSC
88
102 118 108 100 84 111
45
45 46 54 47 50 47
NC-000932
NC-001897 NC-002693 NC-001320 NC-002202 NC-002762 NC-001666
菠 菜 小 麦 玉 米
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（mitochondrial genome）
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mtDNA 376kb ，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。
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Gene Bank：
http//www.ncbi.nlm.nih.gov/
―欧洲生物信息学研究所”(EBI)主持的 EMBL 数据库；
http//www.ebi.ac.uk/embl/
日本“国家遗传学研究所”(NIG)主持的日本DNA数据库 (DDBJ)
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。
真核生物 rRNA 基因结构 ETS 18S ITS 5.8S
不转录间隔
28S
18S
5.8S
28S
rRNA基因
45S rNA前体
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。
2.1
植物基因组的复杂性
（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：6.3×107 bp； 百 合单倍体基因组：1.0×1011 bp； （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；
某种生物全部基因的克隆总体——基因组文库
克隆与基因组文库的构建
cDNA 文 库 的 构 建
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。
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；
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
1、 真核细胞基因结构的特征
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。
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（structural genomics） 以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functional genomics)
http//www.ddbj.nig.ac.jp/
基因的命名：
植物基因命名委员会：
Commission on Plant Gene Nomenclature，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：ABC ABC是该基因的产物
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 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体
核小体
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。 编码区 extron intron
前导区
尾部区
DNA(基因)
IRA
SSC
rRNA
rRNA
4 rRNA基因、30 tRNA基因、4 RNA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。
已知DNA序列的植物质体基因组
植物 长度/bp P基因数 R基因数 GenBank编号
拟南芥
烟 草 月见草 水 稻
154478
155939 163953 134525 150725 134545 140387