植物生理学专题课件

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1、单击此处编辑母版副标题样式植物生理学专题课件1单击此处编辑母版标题样式植物生理学专题（六）植物生理与分子生物学二、高等植物基因结构及表达调控l1、真核基因组结构特征l2、植 物 的 基 因 组l3、植 物基 因 的结构l4、植物基因的表达调控植物生理学专题课件1、 真核细胞基因组结构的特征 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。植物生理学专题课件真核生物 rRNA 基因结构ETSITS不转录间隔18S5.8S28S45S rNA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、28

2、S 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。18S 5.8S 28S植物生理学专题课件核小体DNA 核小体 螺线管 超螺线管 染色单体 真核基因组是以染色体形式存在，小部分DNA是裸露的。植物生理学专题课件DNA(基因)mRNA编码区尾部区起始密码终止密码extronintron前导区 真核基因组中存在着高度重复序列。 高度重复序列；中度重复序列；单一序列。 真核基因属于断裂基因，编码序列中存在有内含子。植物生理学专题课件 真核生物能够根据生长发育阶段的需要进行DNA的重排和基因扩增。 植物生理学专题课件 真核基因转录调控区

3、很大，可远离启动子上千个碱基。 真核基因的表达转录和翻译存在着时间和空间间隔。 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。植物生理学专题课件原核生物基因表达植物生理学专题课件真核细胞基因表达植物生理学专题课件 2、植物的基因组l基 因 （gene）？l基因组 （genome）？l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。植物生理学专题课件 基因可分为： 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； 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

4、因； 没有翻译产物的基因：RNA基因，转录成为 tRNA和rRNA基因； 不转录的DNA区段：调控序列，如启动区、操纵基因等等。 （顺式作用元件）植物生理学专题课件基因组：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。植物生理学专题课件 2.1 植物基因组的复杂性 （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：6.3107 bp； 百 合单倍体基因组：1.01011 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、

5、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；植物生理学专题课件 物 种 碱基对对数目/ 物理长长度/cm （108 bp/细细胞）拟拟南芥(Arabidopsis thaliana) 1.25 3.8栽培稻(Oryza sativm) 4.3 13.1普通小麦(Triticum Aestivum) 160 493一粒小麦(Triticum Monococcum) 57 173玉 米(Zea mays) 25 75人 类类(Hemo sapiens) 31 102大肠肠杆菌(E. coli) 0.042 0.14玉米叶绿绿体 0.0016 0.006 玉米线

6、线粒体 0.0057 0.02一些物种细胞核基因组(二倍体)大小植物生理学专题课件 基因组的序列可分为单一序列（single copy sequence）和重复序列（repetitive sequence）； 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； Co：复性时相同DNA的浓度；t：复性的时间 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。植物生理学专题课件叶绿体基因组（chloroplast genome）：多数植物 cpDNA在120160kb之间；含有87183个已知基因；烟草 8668425339

7、1848225339LSCSSCIRAIRBrRNArRNA 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。植物生理学专题课件线粒体基因组（mitochondrial genome） mtDNA长度变异要比cpDNA大得多，1952600kb； 动物mtDNA为1518kb；真菌在1878kb； 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。植物生理学专题课件 也有基因从核基

8、因组转移至细胞器基因组: 核糖体L23蛋白质基因。 mtDNA有分子内、分子间重组，也可与核、叶绿休基因组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；植物生理学专题课件 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

9、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。植物生理学专题课件 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

10、质基因组，31种细菌；植物生理学专题课件 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；植物生理学专题课件 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/“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”(N

11、IG)主持的日本DNA数据库(DDBJ) http/植物生理学专题课件基因的命名： 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，细胞质基因组基因植物生理学专题课件 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 Abc+指 ABC 基因的表型（野生型）； Abc- 指 abc 基因

12、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；植物生理学专题课件 3 植物基因的结构 克隆植物中编码蛋白质基因的方法： 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。某种生物全部基因的克隆总体基因组文库植物生理学专题课件克隆与基因组文库的构建植物生理学专题课件文库的构建cDNA植物生理学专题课件 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。利用利用“ “探针探针” ”分

13、子钓取目的基因分子钓取目的基因 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。植物生理学专题课件核酸分子杂交电泳分离转膜探针杂交放射显影植物生理学专题课件植物生理学专题课件植物生理学专题课件 根据蛋白质测序结果，合成一对 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

14、 cDNA克隆。植物生理学专题课件 基因产物不明，但知道基因突变后的表型，可用转座子标签法分离基因。 显性纯合子隐性纯合子 杂合子显性表型 杂合子突变表型隐 性突变株正常未突变株基因组文库 I基因组文库II转座子探针带转座子DNA片段完整目的基因亚克隆探针植物生理学专题课件 利用RFLP图谱，找出与所要克隆基因紧密连锁的分子标记，用染色体步行法找到所要克隆的基因。 AB已知基因未知基因步行探针间隔100Kb植物生理学专题课件 核DNA减法克隆。利用缺失突变体与同源亲本12DNA片段的差异克隆目的基因。 如果该基因受某种因素诱导表达，可用mRNA差异显示法找到所要克隆的基因。植物生理学专题课件

15、通过对比研究，表明植物基因结构与其它真核基因结构相似，主要由4个结构区域组成。 5上游区、5非翻译区、编码区、3非翻译区 克隆到基因与cDNA后，测序，对比基因全序列与 cDNA序列，了解基因结构：如转录起始位点，内含子数量、位置及长度，终止密码与加尾信号的位置等。植物生理学专题课件5上游区5非翻译区编码区3非翻译区终止序列高等植物基因结构启动子植物生理学专题课件 3.1 5上游区: 转录起点5端上游一段很长的区域，包含启动子在内的与基因表达起始和表达调控有关的许多元件。 NNNNNNCTCATCANNN+1+78该区域结构特点是： 基因启动区序列中，在转录起点附近有一一致序列（consens

16、us sequence）：CTCATCA，其中的一个A 为转录起始核苷酸，此A编为+1，转录本中为正数，此A 的上游用负数表示。 植物生理学专题课件 在上游 32 7有一段TCACTATATAG一致顺序： 简称：TATA box。 该序列是RNA聚合酶II起始转录所必需的。 在 75 附近 处常有GC（T/C）CAATCT一致序列，简称CAAT box，确定RNA聚合酶结合部位，具有增强基因转录的作用。植物生理学专题课件 在5远上游区，存在对基因表达有增强或抑制作用、决定基因表达特定时空顺序以及对激素和外界胁迫起应答作用的序列 顺式作用元件（cis-acting element） 转录起点到 CAAT box 附近这一区段称为启动子。 GC box：-110附近的GGGCGG保守序列，确定RNA聚合酶结合部位。植物生理学专题课件 3.2 5非翻译区: 转录起点到翻译起始密码子之间的序列。该序列 5端是前体 mRNA 加帽位点。5非翻译区植物生理学专题课件 3.3 编码区: 起始密码到终止密码之间的序列。有时专指外显子（extron）部分。 多数植物基因转录本 5 有一个起始密码AUG，