光合作用基因工程第1頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光合作用

綠色植物或光合細(xì)菌借助光的作用將大氣中CO2轉(zhuǎn)化成動(dòng)植物及人類(lèi)賴(lài)以生存的碳水化合物，同時(shí)向周?chē)h(huán)境釋放O2的過(guò)程，也即光合細(xì)胞捕獲光能并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程，稱(chēng)為光合作用。第2頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CO2+H2O＊光葉綠體（CH2O）+O2＊可用一個(gè)簡(jiǎn)單的方程式表示：第3頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光合作用是一個(gè)極為錯(cuò)綜復(fù)雜的過(guò)程。從宏觀角度看，它牽涉到細(xì)胞、個(gè)體乃至群體及外界環(huán)境等方方面面；從微觀角度看，它是核基因組、葉綠體基因組及多種細(xì)胞結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的結(jié)果。正因?yàn)槿绱耍ㄟ^(guò)光合作用基因工程來(lái)提高光合效率并非一朝一夕之事。首要問(wèn)題之一便是解決與之密切相關(guān)的葉綠體基因工程的各種理論性和技術(shù)性問(wèn)題。第4頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光合作用的研究歷史實(shí)驗(yàn)一：

1771年，英國(guó)科學(xué)家普利斯特利把一支點(diǎn)燃的蠟燭和一只小白鼠分別放到密閉的玻璃罩里，蠟燭不久就熄滅了，小白鼠很快也死去了。他把兩盆植物分別放到兩個(gè)密閉的玻璃罩里。他發(fā)現(xiàn)植物能夠長(zhǎng)時(shí)間地活著，蠟燭沒(méi)有熄滅，小鼠活動(dòng)正常。植物可以在光下凈化“壞了”的空氣光合作用第5頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1782年，瑞士人有化學(xué)分析的方法弄清了光合的反應(yīng)物是CO2和H2O，產(chǎn)物是糖和O2。但認(rèn)為糖是CO2的簡(jiǎn)單聚合：實(shí)驗(yàn)二：實(shí)驗(yàn)三：1905年，Blackman研究光合效率與光強(qiáng)和溫度的關(guān)系時(shí)，對(duì)光合過(guò)程是否一直需要光產(chǎn)生了疑問(wèn)。也使人們對(duì)CO2的同化方式有了全新的認(rèn)識(shí)。n(CO2)CCCC第6頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1低光時(shí)，溫度再高光合效率也不增加。說(shuō)明光是必須的。2

強(qiáng)光下，溫度升高，光合加快，說(shuō)明在高光強(qiáng)下，溫度是光合的限制因素，也說(shuō)明光合作用涉及酶促反應(yīng)（暗反應(yīng)）；3溫度相同時(shí)，隨光照增強(qiáng)，光合加快，特別是在低溫時(shí)，光照增強(qiáng)，光合加快，說(shuō)明光合作用中存在與溫度無(wú)關(guān)的反應(yīng)，也就是非酶促反應(yīng)。（光反應(yīng)）實(shí)驗(yàn)四：溫度光合效率低光強(qiáng)光光合有兩個(gè)反應(yīng)階段：光反應(yīng)和暗反應(yīng)光能吸收CO2同化第7頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1937年，希爾用體外的葉綠體和水反應(yīng)得到了O2，為光反應(yīng)的研究打開(kāi)了大門(mén)。實(shí)驗(yàn)五：4Fe33++2H2O4Fe22++4H++O2光葉綠體說(shuō)明葉綠體在光下可分解H2O，產(chǎn)生電子，產(chǎn)生還原能力，使物質(zhì)還原，即光反應(yīng)可產(chǎn)生電子將物質(zhì)還原。第8頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1951年，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)物質(zhì)NADP＋可被光合作用還原為NADPH。實(shí)驗(yàn)六：NADP++H2ONADPH+H++1/2O2光葉綠體

這是一個(gè)振奮人心的消息，因?yàn)榭茖W(xué)家們?cè)缫阎溃琋ADPH是生物體內(nèi)的重要的還原劑。第9頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1954年，發(fā)現(xiàn)ADP在光合作用下可形成ATP。實(shí)驗(yàn)七：ADP+PiATP光葉綠體

在光下葉綠體合成的NADPH和ATP，是用來(lái)同化CO2的。第10頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在植物細(xì)胞中,兩種細(xì)胞器有自己的遺傳物質(zhì)DNA,分別為葉綠體和線(xiàn)粒體,這兩個(gè)細(xì)胞器都是植物中用來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的細(xì)胞器。葉綠體大小和人紅細(xì)胞大小相似,因此也是植物細(xì)胞器中的“巨人”。為了了解其奧妙所在，首先必須對(duì)葉綠體結(jié)構(gòu)及功能有一個(gè)大致的認(rèn)識(shí)。

第11頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高等植物葉綠體多呈扁平橢球形，主要分布在葉片的柵欄組織和海綿組織中。第12頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在高等植物中葉綠體象雙凸或平凸透鏡，長(zhǎng)徑5~10um，短徑2~4um，厚2~3um。高等植物的葉肉細(xì)胞一般含50～200個(gè)葉綠體，可占細(xì)胞質(zhì)的40%，葉綠體的數(shù)目因物種細(xì)胞類(lèi)型，生態(tài)環(huán)境，生理狀態(tài)而有所不同。在藻類(lèi)中葉綠體形狀多樣，有網(wǎng)狀、帶狀、裂片狀和星形等等，而且體積巨大，可達(dá)100um。葉綠體由葉綠體外被（chloroplastenvelope）、類(lèi)囊體（thylakoid）和基質(zhì)（stroma）3部分組成，葉綠體含有3種不同的膜：外膜、內(nèi)膜、類(lèi)囊體膜和3種彼此分開(kāi)的腔：膜間隙、基質(zhì)和類(lèi)囊體腔。一、形態(tài)與結(jié)構(gòu)第13頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體的形態(tài)與分布第14頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體被膜由兩層單位膜組成，兩膜間距5～10nm。被膜上無(wú)葉綠素，它的主要功能是控制物質(zhì)的進(jìn)出，維持光合作用的微環(huán)境。外膜(outermembrane)為非選擇性膜，外層膜含有少量孔蛋白(porin),這些孔蛋白具有較大的通道,分子量小于10000的物質(zhì)如蔗糖、核酸、無(wú)機(jī)鹽等能自由通過(guò)。內(nèi)膜(innermembrane)為選擇透性膜，CO2、O2、H2O可自由通過(guò)；Pi、磷酸丙糖、雙羧酸、甘氨酸等需經(jīng)膜上的運(yùn)轉(zhuǎn)器(translocator)才能通過(guò)；蔗糖、C5`C7糖的二磷酸酯、NADP+、PPi等物質(zhì)則不能通過(guò)。1.葉綠體被膜(chloroplastenvelope)第15頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月被膜以?xún)?nèi)的基礎(chǔ)物質(zhì)稱(chēng)為基質(zhì)(stroma)，基質(zhì)以水為主體，內(nèi)含多種離子、低分子的有機(jī)物，以及多種可溶性蛋白質(zhì)等?；|(zhì)是進(jìn)行碳同化的場(chǎng)所，它含有還原CO2與合成淀粉的全部酶系，其中1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)占基質(zhì)總蛋白的一半以上。此外，基質(zhì)中含有氨基酸、蛋白質(zhì)、DNA、RNA、脂類(lèi)(糖脂、磷脂、硫脂)、四吡咯(葉綠素類(lèi)、細(xì)胞色素類(lèi))和萜類(lèi)(類(lèi)胡蘿卜素、葉醇)等物質(zhì)及其合成和降解的酶類(lèi)，還含有還原亞硝酸鹽和硫酸鹽的酶類(lèi)以及參與這些反應(yīng)的底物與產(chǎn)物，因而在基質(zhì)中能進(jìn)行多種多樣復(fù)雜的生化反應(yīng)。2.基質(zhì)及內(nèi)含物第16頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基質(zhì)中有淀粉粒(starchgrain)與質(zhì)體小球(plastoglobulus)，它們分別是淀粉和脂類(lèi)的貯藏庫(kù)。將照光的葉片研磨成勻漿離心，沉淀在離心管底部的白色顆粒就是葉綠體中的淀粉粒。質(zhì)體小球又稱(chēng)脂質(zhì)球或親鋨顆粒，在葉片衰老時(shí)葉綠體中的膜系統(tǒng)會(huì)解體，此時(shí)葉綠體中的質(zhì)體小球也隨之增多增大。第17頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月類(lèi)囊體(thylakoid)是由單層膜圍起的扁平小囊，膜厚度5～7nm，囊腔(lumen)空間為10nm左右，片層伸展的方向?yàn)槿~綠體的長(zhǎng)軸方向。類(lèi)囊體分為二類(lèi)：一類(lèi)是基質(zhì)類(lèi)囊體(stromathylakoid),又稱(chēng)基質(zhì)片層(stromalamella)，伸展在基質(zhì)中彼此不重疊；另一類(lèi)是基粒類(lèi)囊體(granathlylakoid)，或稱(chēng)基粒片層(granalamella)，可自身或與基質(zhì)類(lèi)囊體重疊(granum)。片層與片層互相接觸的部分稱(chēng)為堆疊區(qū)(appessedregion)，其他部位則為非堆疊區(qū)(nonappessedregion)。3.類(lèi)囊體第18頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體基因的基本結(jié)構(gòu)

葉綠體DNA是由細(xì)菌內(nèi)共生體的基因組演化而來(lái)的,是小的、雙鏈環(huán)狀DNA分子,通常以多拷貝形式存在。葉綠體DNA的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是不含有5甲基胞嘧啶,用這個(gè)特點(diǎn)可以大致檢測(cè)葉綠體DNA的純度。葉綠體DNA結(jié)構(gòu)上大致可分為4個(gè)區(qū),分別為大單拷貝區(qū)(largesingle-copyregion)、小單拷貝區(qū)(single-copyregion)和兩個(gè)等同的反向重復(fù)區(qū)(IRA、IRB)。

第19頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體基因組結(jié)構(gòu)第20頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Abdallahetal.(2000)TrendsPlantSci.5141-142.第21頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有一些植物如蠶豆、豌豆、苜蓿和松樹(shù)中沒(méi)有反向重復(fù)區(qū),而纖細(xì)裸藻中含有3個(gè)拷貝的同向重復(fù)DNA片段。從這個(gè)特點(diǎn)上,可將葉綠體基因組分為三類(lèi):一類(lèi)是缺少重復(fù)序列的葉綠體基因組,二類(lèi)是具有反向重復(fù)序列的葉綠體基因組,三類(lèi)是具有同向重復(fù)序列的葉綠體基因組。第22頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體基因組-cpDNA葉綠體基因組在很多方面與線(xiàn)粒體基因組的結(jié)構(gòu)是相似的。葉綠體DNA（cpDNA）是雙鏈環(huán)狀，缺乏組蛋白和超螺旋。cpDNA中的GC含量與核DNA及mtDNA有很大的不同。因此可用CsCl密度梯度離心來(lái)分離cpDNA第23頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體基因組DNA分子大小在120kb到217kb之間，相當(dāng)于噬菌體基因組的大小，例如，T4噬菌體的基因組約165kb。一個(gè)葉綠體中通常有一個(gè)到幾十個(gè)葉綠體基因組。葉綠體DNA不含5／—甲基胞嘧啶，這是鑒定ctDNA及其純度的特定指標(biāo)。

第24頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月每個(gè)葉綠體中cpDNA的拷貝數(shù)隨著物種的不同而不同。但都是多拷貝的。這些拷貝位于類(lèi)核區(qū)。例如甜菜的葉細(xì)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(xì)胞中約有40個(gè)葉綠體。每個(gè)細(xì)胞總共有約6000cpDNA分子。在衣藻中（chlamydomonas）（單細(xì)胞生物）在細(xì)胞中一個(gè)葉綠體含有500~1500cpDNA分子。

第25頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

煙草和水稻（Oryzasativa）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(fù)序列（IR）和一個(gè)短單拷貝序列（shortsinglecopyseguence,SSC）及一個(gè)長(zhǎng)單拷貝序列（longsinglecopyseguence,LSC）組成；

2.IRA和IRB長(zhǎng)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；

第26頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(shù)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(yīng)有關(guān)；

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(nèi)合子存在，最長(zhǎng)者達(dá)2526bp，此和原核tRNA不同。有的內(nèi)合子位于D環(huán)上，此和原核tRNA不同。有的內(nèi)含子位于D環(huán)上，此和真核生物核tRNA內(nèi)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(zhuǎn)錄的mRNA都由葉綠體核糖體翻譯。

第27頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月并不是所有的葉綠體都含有IR，IR上含有4種rRNA基因，根據(jù)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(duì)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(fù)IR，而在cpDNA一側(cè)16S，23S以正向串聯(lián)重復(fù)的形式（各3個(gè)拷貝）排列。如少數(shù)低等植物，裸藻（Euglenagracilis）；III類(lèi)：無(wú)IR和DR，rRNA只有一拷貝，如豌豆（Posumsatirum）等。這可能在進(jìn)化的過(guò)程中DNA片段的重復(fù)和倒位而造成的。

第28頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在煙草葉綠體已發(fā)現(xiàn)的基因中,除了4個(gè)rRNA基因即16s、23S、4.5S和5SrRNA基因外,還包括20個(gè)左右葉綠體核糖體蛋白基因,葉綠體RNA聚合酶亞基基因、參與光合系統(tǒng)I和光合系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)的基因、ATP合成酶的亞基基因、電子傳遞鏈上酶功能復(fù)合體的基因、Rubisco蛋白兩個(gè)亞基中的一個(gè)亞基基因和30個(gè)tRNA基因等。另外,從葉綠體DNA順序上看還有26~34個(gè)功能未知的基因。葉綠體基因的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第29頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

葉綠體中的有些基因具有內(nèi)含子,帶有真核基因的顯著特點(diǎn)。葉綠體基因組的內(nèi)含子根據(jù)它的剪接邊界序列和二級(jí)結(jié)構(gòu)可分為I型、Ⅱ型、III型和Ⅳ型四種,I型和Ⅱ型內(nèi)含子與核基因組和真菌線(xiàn)粒體的I型和Ⅱ型內(nèi)含子二級(jí)結(jié)構(gòu)相似,IⅡ型內(nèi)含子邊界保守序列為GTGYGRY(5′端)和RYCNAYY(Y)YNAY(3′端),該類(lèi)內(nèi)含子的二級(jí)結(jié)構(gòu)類(lèi)似于Ⅱ型內(nèi)含子,IV型內(nèi)含子由于大小相似(95~109bp)而被單獨(dú)列為一類(lèi)。高等植物葉綠體基因內(nèi)含子許多是Ⅱ型內(nèi)含子,葉綠體的內(nèi)含子主要存在于編碼蛋白的基因和tRNA基因上。第30頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

葉綠體DNA大約含有60到200個(gè)基因,從功能上說(shuō),葉綠體基因大致可分為3大類(lèi)：第一類(lèi)是葉綠體遺傳系統(tǒng)相關(guān)基因,如編碼rRNA、tRNA、核糖體蛋白、起始因子等基因;第二類(lèi)是與光合作用相關(guān)基因;第三類(lèi)是與氨基酸、脂類(lèi)、電子傳遞功能和色素生物合成有關(guān)基因。第31頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月rrn基因

葉綠體的rrn基因即核糖體RNA(即rRNA)基因,高等植物rRNA基因主要編碼16S、23S、4.5s和5SrRNA。葉綠體核糖體的沉降系數(shù)大約是70S,其中50S亞基主要包括23S、4.5S和5SrRNA,30S亞基僅包括16SrRNA第32頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在綠藻和衣藻中沒(méi)有4.5SrRNA,卻存在另外兩種獨(dú)特的rRNA即3S和7SrRNA。許多核糖體RNA基因與大腸桿菌同源,如玉米、煙草與大腸桿菌的16Srrn基因同源性都達(dá)到74%,煙草、玉米與大腸桿菌的23Srrn基因同源性分別達(dá)到69%和71%,它們之間較高的同源性有助于研究進(jìn)化的分子機(jī)制。第33頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

玉米的rrn基因位于IR區(qū),所以每個(gè)基因有兩個(gè)拷貝,而有些沒(méi)有IR序列的植物如蠶豆等只有一個(gè)拷貝的rrn基因。許多高等植物rrn基因之間存在明顯的間隔區(qū),例如玉米的葉綠體rrn基因的結(jié)構(gòu)是16Srrn(1490bp)間隔區(qū)(2100bp)-23srrn(2890bp)-4.5Srrn(95bp)-間隔區(qū)(231bp)-5Srrn(122bp),一些tRNA基因分布在這個(gè)基因簇的間隔區(qū)中,如玉米的trnI和trnA基因就存在于16S和23Srrn基因的間隔區(qū)。第34頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月trn基因葉綠體trn基因指的是轉(zhuǎn)錄成tRNA的基因。葉綠體大約有20-40個(gè)trn基因，煙草中有30個(gè)trn基因，和煙草相比，地錢(qián)中有一個(gè)煙草中沒(méi)有的trn基因，該基因轉(zhuǎn)錄為tRNAArg(CCG），葉綠體申蛋白質(zhì)合成所需要的tRNA都由葉綠體基因組編碼。葉綠體trn基因編碼的tRNA都沒(méi)有3′CCA端。葉綠體trn基因比較集中在IR區(qū)。一些trn基因具有內(nèi)含子,如玉米葉綠體中trnG-UCC基因在D環(huán)區(qū)內(nèi)有一個(gè)內(nèi)含子,這是葉綠體所特有的tRNA基因結(jié)構(gòu)特征。第35頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

葉綠體23Srrn基因存在的保守區(qū)編碼它的功能區(qū),即核糖體蛋白的結(jié)合部位和30s-50S核糖體亞基相互作用的部位。4.5SrRNA與原核生物的23S亞基的3′端同源。從進(jìn)化上說(shuō),4.5Srrn基因可能來(lái)源于23rRNA的3′端。而高等植物的5Srrn基因高度保守。第36頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

trn基因葉綠體trn基因指的是轉(zhuǎn)錄成tRNA的基因。葉綠體大約有20~40個(gè)trn基因,煙草中有30個(gè)trn基因,和煙草相比,地錢(qián)中有一個(gè)煙草中沒(méi)有的trn基因,該基因轉(zhuǎn)錄為T(mén)rnaArg(CCG),葉綠體中蛋白質(zhì)合成所需要的tRNA都由葉綠體基因組編碼。葉綠體trn基因編碼的tRNA都沒(méi)有3′-CCA端。葉綠體trn基因比較集中在IR區(qū)。第37頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在陸地植物上,trn基因分散在整個(gè)葉綠體基因組上-在裸藻中大多數(shù)trn基因成簇存在。裸藻葉綠體基因組中在16Strn基因前導(dǎo)序列上存在一個(gè)tRNAIle假基因,這是首先在葉綠體基因組中發(fā)現(xiàn)的假基因。在單子葉植物中至少有5個(gè)假基因存在,這些假基因位于反向重復(fù)序列附近。第38頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果完全按照密碼子的擺動(dòng)學(xué)說(shuō),現(xiàn)在植物中的tRNA還不夠識(shí)別所有的密碼子,研究者提出”三中讀二”(two-out亠0fthree)的假說(shuō),即當(dāng)密碼子與反密碼子相互作用時(shí),密碼子前兩個(gè)堿基被反密碼子配對(duì)就足以識(shí)別該密碼子,而第三個(gè)堿基只起一種隔開(kāi)的作用，從而防止移碼錯(cuò)讀,該假說(shuō)初步在體外試驗(yàn)中得到證實(shí)。第39頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核糖體蛋白質(zhì)基因的分子結(jié)構(gòu)

葉綠體中約有60種不同的核糖體蛋白,但是只有約1/3的蛋白由葉綠體基因所編碼。葉綠體核糖體蛋白基因與大腸桿菌該類(lèi)基因的同源性要低于rrn基因,分析一些核糖體蛋白基因的組成,大約與大腸桿菌的同源性在50%左右。其中,葉綠體rps23操縱子的順?lè)醋优帕泻痛竽c桿菌的S10、spc和a操縱子中的同源順?lè)醋酉嗨?也說(shuō)明葉綠體和大腸桿菌基因組可能起源于同一套祖先基因組。第40頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月但是,葉綠體中有些核糖體蛋白和任何細(xì)菌的核糖體蛋白都沒(méi)有相似性,也展示了葉綠體核糖體蛋白獨(dú)特的一面。核糖體蛋白質(zhì)基因中也發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子的存在,如高等植物葉綠體中的核糖體蛋白基因rps16和rpl16各含有一個(gè)內(nèi)含子。第41頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其他蛋白質(zhì)基因的分子結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在,已經(jīng)有很多編碼蛋白質(zhì)的基因在葉綠體中被分離出來(lái),如光合作用相關(guān)基因Rubisco大亞基rbcl基因、光合系統(tǒng)I和Ⅱ基因、細(xì)胞色素b/f復(fù)合體基因(pet或psb)、翻譯因子基因、NADH脫氫酶基因(ndh)、ATP合成酶亞基(atp)基因等。這些基因都是由葉綠體基因編碼的,有的含有內(nèi)含子。擬南芥葉綠體基因組可以編碼79種蛋白質(zhì)。第42頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通過(guò)對(duì)葉綠體基因的分析表明葉綠體基因與細(xì)菌基因具有很大的相似性,主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn),一是啟動(dòng)子序列中有類(lèi)似細(xì)菌基困的―10區(qū)和―35區(qū)的結(jié)構(gòu),但位置可能有所差異;二是轉(zhuǎn)錄終止序列的轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)存在互補(bǔ)序列,可形成與細(xì)菌類(lèi)似的轉(zhuǎn)錄終止莖環(huán)結(jié)構(gòu);三是轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中含有類(lèi)似細(xì)菌的SD序列,與翻譯起始有關(guān);四是有些相鄰基因之間共轉(zhuǎn)錄形成順?lè)醋?cistron),所以翻譯起始和終止密碼子有時(shí)重疊;五是葉綠體蛋白質(zhì)翻譯起始的氨基酸為甲酰蛋氨酸,這點(diǎn)與細(xì)菌相同;第43頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

六是葉綠體中一些基因與細(xì)菌基因同源性較高,如RNA聚合酶α、β亞基的基因與大腸桿菌的核心酶基因同源,但是編碼β亞基的基因含有一個(gè)內(nèi)含子。葉綠體基因有一些也與原核基因不同的特征,具有自己的獨(dú)特性,如:16s-23s基因之間存在較大的間隔區(qū),tRNA基因不編碼3-CCA末端,有些基因具有內(nèi)含子等。第44頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體DNA具有獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的功能，因而是高等植物中遺傳信息的三種載體之一。它編碼了葉綠體本身使用的全部rRNA和tRNA，以及近90種多肽。不過(guò)，葉綠體和線(xiàn)粒體一樣，只是半自主性的遺傳體系，其絕大多數(shù)蛋白復(fù)合體是由核基因組和葉綠體基因組共同編碼的；第45頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月隨著分子遺傳學(xué)和分子生物學(xué)等實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)的發(fā)展，葉綠體生物學(xué)的研究也進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。目前，已經(jīng)有109種植物完成了葉綠體基因組測(cè)序(截至2009年4月1日)，主要包括煙草、番茄、馬鈴薯、菠菜、擬南芥、小麥、玉米、水稻、高粱、大豆、棉花、胡蘿卜、葡萄、楊樹(shù)等等。目前已完成葉綠體基因組測(cè)序的植物第46頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體基因組的一個(gè)有趣特征是，其參與光合作用的基因以若干小簇排列一起。這種結(jié)構(gòu)從地錢(qián)到高等植物都趨于一致，即為保守的。這些基因簇不僅代表了光誘導(dǎo)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄單位，而且也是調(diào)控單位。第47頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)NEP和PEP相互關(guān)系及協(xié)同調(diào)控基因表達(dá)葉綠體DNA構(gòu)型的改變

葉綠體DNA的甲基化第48頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體基因由兩種RNA聚合酶催化轉(zhuǎn)錄，一種RNA聚合酶由葉綠體基因組編碼，稱(chēng)為PEP聚合酶；另一種RNA聚合酶由核基因編碼，稱(chēng)為NEP聚合酶；PEP聚合酶與細(xì)菌中的RNA聚合酶很相似，具有原核生物的特性。含有核心酶α、β和β’亞基，并由核基因編碼的σ因子，識(shí)別原核型啟動(dòng)子，NEP聚合酶與T3/T7噬菌體RNA聚合酶相似。第49頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月大多數(shù)情況下，PEP聚合酶主要負(fù)責(zé)與光合作用有關(guān)的基因的轉(zhuǎn)錄，如psbA,psbD

和rbcL，而NEP主要轉(zhuǎn)錄那些葉綠體轉(zhuǎn)錄和翻譯的功能元件，如rpoA和rpoB，而那些看家基因常常既具有PEP啟動(dòng)子，又具有NEP啟動(dòng)子，他們被PEP和NEP共同轉(zhuǎn)錄，如clP等。NEP由核基因編碼，并轉(zhuǎn)運(yùn)到質(zhì)體（plastid）和線(xiàn)粒體（mitochondrion）中發(fā)揮作用。定位到質(zhì)體中的NEP負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄編碼PEP中心亞基的基因。第50頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體的發(fā)育過(guò)程由葉片根部到葉片頂部。隨著葉綠體的發(fā)育，NEP控制的轉(zhuǎn)錄本可能RNA的穩(wěn)定性（RNAstability）逐漸降低，轉(zhuǎn)錄活性逐步提高，從而NEP控制的轉(zhuǎn)錄本的積累幾乎沒(méi)有改變；而PEP控制的轉(zhuǎn)錄本RNA的穩(wěn)定性不變或者增強(qiáng)，轉(zhuǎn)錄活性提高，從而PEP控制的轉(zhuǎn)錄本的表達(dá)量增加。葉綠體基因組還可以通過(guò)葉綠體DNA構(gòu)型的改變和葉綠體DNA的甲基化在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行調(diào)控。第51頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體基因的轉(zhuǎn)錄后加工

葉綠體mRNA的剪切葉綠體RNA的編輯

葉綠體mRNA的穩(wěn)定I，II，III類(lèi)內(nèi)含子剪切機(jī)制

第52頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月mRNA的穩(wěn)定性可以調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄水平。如果mRNA穩(wěn)定,存在時(shí)間長(zhǎng),就會(huì)由于積累效應(yīng)從而提高基因的轉(zhuǎn)錄?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多葉綠體的基因mRNA穩(wěn)定性與其3′端非翻澤區(qū)的短反向重復(fù)序列(IR)有關(guān),如果去除這些IR序列,mRNA就會(huì)降解。葉綠體基因組的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，主要分為葉綠體mRNA的剪切，葉綠體mRNA的編輯，葉綠體mRNA的穩(wěn)定。第53頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PDM1蛋白的PPR結(jié)構(gòu)域模型第54頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PPR蛋白（PPRRepeat）和RNA形成復(fù)合物，但需要一個(gè)催化因子或催化座位（catalyticcofactorordomain）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)RNA的加工。第55頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Pdm1-1和pdm1-2呈白化表型Pdm1-1生長(zhǎng)量遠(yuǎn)小于野生型植株P(guān)dm1突變體的生理生化特征第56頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)幾種光誘導(dǎo)表達(dá)的基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)理關(guān)于光對(duì)葉綠體基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程的調(diào)控，目前研究得最多的是rbcL和psbA兩種基因。人們相繼在芥菜、豌豆、綠豆、煙草和菠菜等材料中發(fā)現(xiàn)，它們的轉(zhuǎn)錄水平因光誘導(dǎo)而明顯上升。個(gè)中機(jī)理十分復(fù)雜，目前在此方面的認(rèn)識(shí)還相當(dāng)貧乏，只大致知道：植物對(duì)于光刺激的效應(yīng)有多種類(lèi)型，并與光質(zhì)和光量有關(guān)：光誘導(dǎo)的光基因轉(zhuǎn)錄水平的提高，是由光受體介導(dǎo)的。在已知的三種光受體中，對(duì)介導(dǎo)紅光的光敏色素性質(zhì)相對(duì)明了，其余兩種分別介導(dǎo)藍(lán)光和紫光的隱性色素和UV-B，尚知之甚少。至于感受光調(diào)控的DNA元件，則至少包括基因5′末端上游的啟動(dòng)子區(qū)域。第57頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光合作用基因工程的主要目標(biāo)

長(zhǎng)久以來(lái)，人類(lèi)一直在想方設(shè)法提高作物的生產(chǎn)力，而提高作物光合效率便是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要措施之一。然而，植物利用太陽(yáng)能的效率相當(dāng)?shù)停ǔ２坏?％。即便是我國(guó)南方畝產(chǎn)高達(dá)1500千克的水稻，對(duì)光能的利用率也只近乎4％。若能在原有基礎(chǔ)上將作物光能利用率提高1—2％，農(nóng)作物產(chǎn)量將成倍增長(zhǎng)。因此，許多科學(xué)工作者都把進(jìn)一步提高糧食作物產(chǎn)量的希望寄托在提高光合效率的途徑上。特別是如何設(shè)法提高占全世界糧食總產(chǎn)量50％左右的水稻、小麥、玉米、高粱等8種重要糧食作物的光合效率，已成為植物基因工程研究中活躍紛繁的領(lǐng)域之一。第58頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月提高作物光合效率，一方面是通過(guò)遺傳改良提高作物自身的光合能力，即提高光合強(qiáng)度（通常以每小時(shí)每平方分米葉面積吸收的CO2毫克數(shù)表示，它一般已減去了光呼吸作用所釋放的CO2量）；另一方面則是通過(guò)合理的栽培管理（如提高復(fù)種指數(shù)、合理密植、適當(dāng)延長(zhǎng)生育期等）以提高光能利用率。對(duì)于前者，除通過(guò)改良植株形態(tài)結(jié)構(gòu)（株型），在確保不破壞群體內(nèi)生態(tài)環(huán)境前提下適當(dāng)增大光合面積外，重點(diǎn)寄希望于提高植株機(jī)體內(nèi)部碳固定的效率及光能的吸收和轉(zhuǎn)化效率。基于對(duì)光合作用機(jī)理的透徹了解，目前光合作用基因工程的主要目標(biāo)有兩方面。第59頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1，5-二磷酸核酮糖羧化酶在光合作用中無(wú)可替代的作用，決定了它勢(shì)必成為旨在提高作物光合效率的基因工程之主攻目標(biāo)。因此，深入了解1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的一些分子生物學(xué)特性無(wú)疑是必要的。第60頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1．1，5-二磷酸核酮糖羧化酶1．5-二磷酸核酮糖羧化酶除了具有上述催化活性之外，其本身還是一種量豐質(zhì)優(yōu)的蛋白質(zhì)。盡管1，5-二磷酸核酮糖羧化酶只存在于葉綠體中，但它占植物葉子中可溶性蛋白的一半以上，并因此被認(rèn)為是地球上含量最豐富的蛋白質(zhì)。并且，它是植物體內(nèi)一種重要的貯存蛋白。有關(guān)學(xué)者研究了大豆籽粒在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中其氮的來(lái)源，發(fā)現(xiàn)其50％是從儲(chǔ)存于葉片中的1．5-二磷酸核酮糖羧化酶降解轉(zhuǎn)移而來(lái)的。就蛋白質(zhì)質(zhì)量而言，1，5-二磷酸核酮糖羧化酶含有豐富的必需氨基酸，因而不失為一種具有潛在開(kāi)發(fā)價(jià)值的優(yōu)質(zhì)蛋白。第61頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高等植物的1，5-二磷酸核酮糖羧化酶是非常大的酶，大多數(shù)真核和原核1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的分子量為560KD，由8個(gè)小亞基（rbcS，12—18KD）和8個(gè)大亞基（rbcL，52—60KD）組成。rbcS是由核基因編碼，rbcL則是由葉綠體基因編碼的，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10-5。大亞基一般由475個(gè)氨基酸組成。各種生物來(lái)源的大亞基氨基酸序列除了煙草和大麥?zhǔn)侵苯佑傻鞍踪|(zhì)測(cè)定氨基酸序列外，其余均是從相應(yīng)基因的核苷酸序列推測(cè)所得。不同生物來(lái)源的大亞基之間同源性達(dá)80％以上。（1）1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的基本結(jié)構(gòu)第62頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例如，玉米和菠菜的大亞基核苷酸序列同源性為84％，而相應(yīng)的氨基酸序列同源性卻達(dá)97％。小亞基由123個(gè)（小麥為128個(gè)）氨基酸組成，不同植物來(lái)源的小亞基氨基酸序列已測(cè)定，它們之間的同源性要比大亞基之間的同源性相對(duì)低得多。也就是說(shuō)，小亞基之間有明顯的種間差別，而大亞基之間無(wú)種的差別。第63頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的活性部位由大亞基負(fù)責(zé)RuDP羧化作用：第一，1，5-二磷酸核酮糖羧化酶可被誘導(dǎo)分離成亞基，且這些亞基還能重新結(jié)合成原來(lái)的酶。如果該酶以大亞基的八聚體形式存在而完全不含小亞基，它仍保留部分羧化酶的活性（比活約20％）；第二，在某些細(xì)菌（深紅紅螺菌、中間硫桿菌）中，這種酶僅含有大亞基，其活性并不依賴(lài)于小亞基的存在；第三，分別制備了從菠菜1，5-二磷酸核酮糖羧化酶中純化的大亞基的抗血清。加入對(duì)大亞基特異的抗血清，就會(huì)抑制全酶的羧化酶活性；反之，加入對(duì)小亞基特異的抗血清卻無(wú)影響；第64頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四，菠菜和色素菌的1，5-二磷酸核酮糖羧化酶功能所必需的某些—SH基團(tuán)和賴(lài)氨酸殘基都在大亞基上；第五，由于對(duì)1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的羧化酶活性的選擇壓力極大，含有活性部位的亞基在進(jìn)化方式上要比另一種亞基保守得多。對(duì)大范圍被子植物研究的結(jié)果揭示，大亞基中含有40個(gè)氨基酸的N-末端序列的改變遠(yuǎn)比小亞基少得多。從而間接證明了1，5-二磷酸核酮糖羧化酶行使催化功能的活性部位在大亞基上，并有人推測(cè)羧化作用和加氧作用是在大亞基的同一部位進(jìn)行的。第65頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小亞基之間盡管有明顯的種間差別，但其氨基酸序列中也有一些區(qū)域具有較高的同源性，這暗示在這些部位可能也有某種功能。不過(guò)，小亞基的實(shí)際功能至今仍不明了。也許它起著某種穩(wěn)定作用，導(dǎo)致大亞基的構(gòu)象變化，或者由于小亞基的存在，促使1，5-二磷酸核酮糖羧化酶更為有效地分辨對(duì)O2和CO2的反應(yīng)。第66頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的活性表達(dá)

有實(shí)驗(yàn)表明，小亞基的存在是維持該酶的活性所必不可少的。但僅有大、小亞基還不夠，在大、小亞基組裝為有活性的全酶過(guò)程中需要有第三種蛋白質(zhì)的幫助，即亞基結(jié)合蛋白。另外，酶的活化也受到許多因素的影響，光便是其中之一。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，苜蓿葉子粗提液中1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的初活性隨光強(qiáng)增加而增加，并和光合作用強(qiáng)度的增加相伴隨，煙草光下生長(zhǎng)的葉子的1，5-二磷酸核酮糖羧化酶初活性比黑暗處理的葉子約高1倍。不過(guò)，這種有可能被光照解除的暗抑制作用，并非普遍存在于所有植物中。大豆、煙草、馬鈴薯及扁豆中存在這種現(xiàn)象，而在玉米、小麥、菠菜等作物中卻未發(fā)現(xiàn)。第67頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1，5-二磷酸核酮糖羧化酶基因及其表達(dá)每個(gè)葉綠體DNA分子中，大亞基以單拷貝形式存在。由于每個(gè)葉綠體有10—200個(gè)DNA分子，每個(gè)細(xì)胞又有10—200個(gè)葉綠體，因而每個(gè)細(xì)胞可能存在幾千個(gè)拷貝的大亞基基因。如今，玉米、大麥、煙草、菠菜等植物及某些藍(lán)細(xì)菌的大亞基已被克隆并進(jìn)行了序列分析，而對(duì)更多的物種來(lái)說(shuō)，已獲得其全部或部分的氨基酸序列。到目前為止，所有已被測(cè)序的高等植物rbcL基因都是連續(xù)的，即無(wú)內(nèi)含子，長(zhǎng)約1.4kb。rbcS卻不同，它由核基因組中的多基因家族編碼。大豆的rbcS多基因族至少有10個(gè)成員，豌豆中5個(gè)，番茄中也有5個(gè)，矮牽牛中8個(gè)，浮萍中13個(gè)。另外，rbcS基因中常有內(nèi)含子存在。rbcL和rbcS基因的表達(dá)均受光的促進(jìn)及發(fā)育過(guò)程的調(diào)節(jié)。也就是說(shuō)，光能誘導(dǎo)它們進(jìn)行表達(dá)；植株在生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段，它們表達(dá)與否以及表達(dá)效率高低都有所差別。第68頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高等植物中rbcL基因和rbcS基因之所以令學(xué)者們興趣盎然，原因在于：其一對(duì)rbcL和rbcL基因表達(dá)特征（包括光的調(diào)控）的研究具有普遍意義。因?yàn)閞bcL的表達(dá)對(duì)葉綠體基因的表達(dá)有代表性，rbcS基因族的表達(dá)對(duì)核基因尤其是多基因家族的表達(dá)有代表性；其二，由于rbcL和rbcS分別由葉綠體基因組和核基因組編碼，并且兩者以相同的分子數(shù)共同組配成1，5-二磷酸核酮糖羧化酶，因此，這是一個(gè)了解核和葉綠體如何協(xié)同表達(dá)某一基因的完美模型。第69頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基于上述對(duì)1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的了解，通過(guò)基因工程技術(shù)改變1，5-二磷酸核酮糖羧化酶羧化作用和加氧作用的相對(duì)比率，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行嘗試：第70頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）通過(guò)交換1，5-二磷酸核酮糖羧化酶亞基的基因，將不同來(lái)源的基因通過(guò)優(yōu)化組合導(dǎo)入同一種植物，形成具有異源亞基的1，5-二磷酸核酮糖羧化酶。（2）采用定點(diǎn)突變技術(shù)，改變1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的活性，增加其同CO2的親和力。（3）用更為有效的突變基因，取代正常的1，5-二磷酸核酮糖羧化酶基因。（4）增加1，5-二磷酸核酮糖羧化酶大亞基拷貝數(shù)或提高轉(zhuǎn)錄效率，從而增加RuDP羧化酶的量。第71頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在植物的光合作用中，光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化等過(guò)程，幾乎都是在鑲嵌于葉綠體類(lèi)囊體膜上的反應(yīng)中心色素蛋白復(fù)合體的有關(guān)電子傳遞鏈中進(jìn)行的，即由PSⅠ和PSⅡ協(xié)同完成。每一光系統(tǒng)都各有獨(dú)特的色素蛋白復(fù)合物及另一些物質(zhì)。PSⅠ的顆粒較小，在類(lèi)囊體膜的外側(cè)，其葉綠素a與葉綠素b比值高；PSⅡ顆粒較大，在類(lèi)囊體膜外側(cè)，其葉綠素b含量相對(duì)較高。2．類(lèi)囊體膜上的蛋白復(fù)合體第72頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月類(lèi)囊體膜上含有由多種亞基、多種成分組成的蛋白復(fù)合體，主要有四類(lèi)，即光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）、光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）、Cytb6/f復(fù)合體和ATP酶復(fù)合體（ATPase），它們參與了光能吸收、傳遞與轉(zhuǎn)化、電子傳遞、H+輸送以及ATP合成等反應(yīng)。由于光合作用的光反應(yīng)是在類(lèi)囊體膜上進(jìn)行的，所以稱(chēng)類(lèi)囊體膜為光合膜第73頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月類(lèi)囊體膜上的蛋白復(fù)合體及電子傳遞示意圖第74頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月這四類(lèi)蛋白復(fù)合體在類(lèi)囊體膜上的分布大致是：PSⅡ主要存在于基粒片層的堆疊區(qū)，PSⅠ與ATPase存在于基質(zhì)片層與基粒片層的非堆疊區(qū)，Cytb6/f復(fù)合體分布較均勻。PSⅡ中放氧復(fù)合體(oxygen-evolvingcomplex,OEC)在膜的內(nèi)表面，PSⅡ的原初供體位于膜內(nèi)側(cè)，原初受體靠近膜外側(cè)。質(zhì)體醌(plastoquinone,PQ)可以在膜的疏水區(qū)內(nèi)移動(dòng)。Cytb6/f復(fù)合體在膜的疏水區(qū)。PSⅠ的電子供體PC在膜的內(nèi)腔側(cè)，而PSⅠ還原端的Fd、FNR在膜的外側(cè)。蛋白復(fù)合體及其亞基的這種分布，有利于電子傳遞、H+的轉(zhuǎn)移和ATP合成。第75頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PsbRD1D2ZTyrQAQB25-28kDaLHCIIChla/bCP29CP26CP24CP43CP47PsbHPsbKPsbCPsbBPsbDPsbAChlP680DTyrPheophytinMnMnMnMnPsbOPsbPPsb

QPsbFPsbEcytb559Psb

LPsbIPsbSPsbNPsbMPPPPPPPSTROMATHYLAKOID

LUMENOrganizationofphotosystemIIsubunits第76頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月OrganizationofphotosystemIsubunitsPSI-OPSI-GPSI-BPSI-OPSI-LPSI-JPSI-HPSI-IPSI-KPSI-FPSI-ALhca3Lhca2/3Lhca4Lhca1Lhca2Lhca2/3Lhca4Lhca15nmSTROMALAMELLASTROMATHYLAKOIDLUMENPSI-NPcFNRPSI-EPSI-CPSI-DFDA0A1P700FxFBFA第77頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在各種植物中已確定了41個(gè)編碼光合固碳和電子傳遞裝置組分的基因

包括rbcL、PSⅠ的5個(gè)亞基（psa基因）、PSⅡ的14個(gè)亞基（psb基因）、H+-ATP合成酶的6個(gè)亞基（atp基因）、細(xì)胞色素b/f復(fù)合物的5個(gè)亞基（pet基因）以及NADH脫氫酶的10個(gè)亞基（ndh基因）第78頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在擬南芥葉綠體中存在五類(lèi)蛋白酶：第79頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月FtsH蛋白酶

功能：特異性的降解未組裝的和發(fā)生錯(cuò)誤折疊的蛋白從而對(duì)蛋白進(jìn)行質(zhì)量控制。第80頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DegP蛋白酶

第81頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月擬南芥中的Deg蛋白酶Deg1Deg5Deg8Deg2葉綠體囊腔側(cè)葉綠體的蛋白酶葉綠體基質(zhì)側(cè)降解光破壞的D1蛋白參與PSII的修復(fù)與D2相互作用參與光系統(tǒng)組裝體外降解光破壞的D1蛋白依賴(lài)于GTP的蛋白酶Deg7降解損傷的光系統(tǒng)蛋白D1、D2、CP47、CP43與Deg5、Deg8協(xié)同作用參與PSII的修復(fù)循環(huán)形成復(fù)合物，降解光破壞的D1蛋白，從而參與PSII的循環(huán)修復(fù)與類(lèi)囊體膜結(jié)合第82頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Lon蛋白酶分布：原核生物與真核生物的絲氨酸蛋白酶功能：控制蛋白的命運(yùn)；控制基因的表達(dá)；蛋白酶功能、分子伴侶功能。Lon1蛋白酶參與萌發(fā)后的生長(zhǎng)調(diào)控以及具有調(diào)節(jié)線(xiàn)粒體的穩(wěn)定性的功能。第83頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體基因組轉(zhuǎn)化的原理葉綠體基因組轉(zhuǎn)化技術(shù)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，主要是基于以下原理和方法:(1)利用了同源重組(homulogousrecombination)機(jī)制，將外源基因定點(diǎn)整合到葉綠體基因組。在構(gòu)建葉綠體表達(dá)載體時(shí)，一般都在外源基因的兩側(cè)各連接一段葉綠體的DNA序列，這兩個(gè)片段稱(chēng)為同源重組片段或定位片段(targetingfragment)。當(dāng)載體導(dǎo)入葉綠體后，通過(guò)這兩個(gè)片段與葉綠體基因組上的同源片段發(fā)生重組，外源基因就可以整合到葉綠體基因組的特定位點(diǎn)。第84頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)采用篩選標(biāo)記基因?qū)崿F(xiàn)葉綠體基因組的同質(zhì)化(homoplasmy)。由于葉綠體基因組通常以高拷貝數(shù)存在，一般每個(gè)細(xì)胞有成千上萬(wàn)個(gè)葉綠體基因組，因而同時(shí)轉(zhuǎn)化這么多基因組幾乎是不可能的，極易出現(xiàn)轉(zhuǎn)化的和未轉(zhuǎn)化的葉綠體組成的異質(zhì)體(heteroplasmy)，無(wú)法保證獲得的性狀穩(wěn)定遺傳下去。因此葉綠體基因組轉(zhuǎn)化所面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是去除未轉(zhuǎn)化的基因組和未轉(zhuǎn)化的葉綠體。這個(gè)問(wèn)題的解決是通過(guò)向葉綠體表達(dá)載體中加入篩選標(biāo)記基因，轉(zhuǎn)化后進(jìn)行抗性篩選，淘汰未轉(zhuǎn)化的葉綠體，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化葉綠體基因組的同質(zhì)化。第85頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)采用葉綠體特異的啟動(dòng)子和終止子實(shí)現(xiàn)外源基因的高效表達(dá)。為了使外源基因整合進(jìn)葉綠體基因組后能夠高效表達(dá)，在構(gòu)建轉(zhuǎn)化載體時(shí)，一般選用葉綠體來(lái)源的啟動(dòng)子和終止子。例如常用的啟動(dòng)子為葉綠體的16srRNA基因的啟動(dòng)子Prrn和光系統(tǒng)Ⅱ作用中心的啟動(dòng)子PpsbA;常用的終止子為葉綠體的psaA基因的終止子TPsbA和rps16基因的終止子Trpsl6由于使用了葉綠體來(lái)源的啟動(dòng)子和終止子，從而可以保證外源基因在葉綠體中的正常表達(dá)。第86頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目前外源基因?qū)肴~綠體的方法主要有基因槍轉(zhuǎn)化法、PEG介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法、花粉管導(dǎo)入法、農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法、顯微注射及激光注射法和轉(zhuǎn)運(yùn)膚介導(dǎo)的葉綠體間接轉(zhuǎn)化法等，其中最常用并且能夠獲得穩(wěn)定質(zhì)體轉(zhuǎn)化體的方法是基因槍法和PEG法。葉綠體基因組轉(zhuǎn)化的方法第87頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2