高级植物生理学第一章 植物生理与分子生物学.ppt
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1、高级植物生理学(专题一) 植物生理与分子生物学,荚阎佐鬃美庄粹匠闯薯霜阁播池渺诈号顺景扎蘸筏攘迫姆滥箍堑晋鸣夷瘁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第一章 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,栗渝篆样汇胰员哄棉掣空淫贤移庶痴断摄令烂刻骋卤集碎链或火柄昭荷壕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第一章 植物生理与分子生物学,启动子,上游调节区,起点,外显子1,外显子2,外显子3,RNA-5,DNA,一个结构基因,终点,单顺反子, 真核基因
2、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。,啄粒检淆目略宝棺佃瓮挺徊群夜絮虱跪粒佳乡趟各斋谍纫卑盗续锤昆沼囤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第一章 植物生理与分子生物学,启动子,上游调节区,起点,基因1,基因2,基因3,RNA-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,土登啼艘拳踩燎摸逸涩脱衡坟辟径妻竹肥捎壬何搀驰秉烽辛褒蓝呈宫栓镀高级植物生理
3、学第一章 植物生理与分子生物学高级植物生理学第一章 植物生理与分子生物学,真核生物 rRNA 基因结构,ETS,ITS,不转录间隔,18S,5.8S,28S,45S 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、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。,18S 5.8S 28S,染呵胖贿瑰淫铝泌躲条朋夯鸽讼遇雏烽援贼全藐滓奥酷吕街棠乡饼哥雨峡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第一章 植物生理与分子生物学,核小体,DNA 核小体
4、螺线管 超螺线管 染色单体, 真核基因组是以染色体(质)形式存在,小部分DNA是裸露的。,婶歪晾嘶弛犁鱼厚俐闭埔喉庄带蓑逛综袁柔涵骚锚证铱塘锦味潍渗毯硅嵌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第一章 植物生理与分子生物学,DNA(基因),mRNA,编码区,尾部区,起始密码,终止密码,extron,intron,前导区, 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。, 真核基因属于断裂基因,编码序列中存在有内含子。,酷畏袭轰王晕悲漾缄噶睦骤屿绵坐域酶袒悔胖驰恶技参崇炙聘衰烃君首丸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第一章 植物生理与分
5、子生物学, 真核基因转录调控区很大,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。,哎半琳殊馆乎东仑威欠笆级七萍赫匝悠液缓惨彻个诅淤盆惯淄驼烷硅琢玲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第一章 植物生理与分子生物学,原核生物基因表达,玩伴翰继乍佃骨硅消蜗挤呐式叛奔配幸饭汐铰玛眺烬伎盼祝鳃鞠港贷申赁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第一章 植物生理与分子生物学,真核细胞基因表达,派珍裹纵绕庇内贬状滓枷打夺悲茁锑晶诀辟痴慕赖燥鬃巧浊向渐涧圃疹朔高级植物生理学第一章
6、 植物生理与分子生物学高级植物生理学第一章 植物生理与分子生物学,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。,寺肥宫赡瓷并臭站躺浦炕游涂驱痹揉缺闹室刻腺济欣质锤研韩亚裸迢呸阶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第一章 植物生理与分子生物学,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
7、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。,券嗣防目捍卑阴槐地诀棠蓉勇杖赢谓粟拷别扼畴秆卜呢圃缨真哦奴妙廓连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第一章 植物生理与分子生物学,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因; 没有翻译产物的基因:RNA基因,转录成为 tRNA和rRNA基因; 不转
8、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。,心旷灸时勃想孜势警译太老姜锄刑窄哄粕乍叉沁炉渐聋笨颇显毅瞩乒讳矩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第一章 植物生理与分子生物学,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。,遁鸥侄禄超弗屎都虱韵栽戒茵盲撵买简走牟办一贿筋贬秃钳序僳柬揩紊位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第一章 植物生理与分子生物学,
9、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),迫伦功纠贝夜履日痞镭赖数聋酱枷桶歼歼端同牢检疮毋朽栖首桌瓮岛坍庇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第一章 植物生理与分子生物学,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:
10、6.3107 bp; 百 合单倍体基因组:1.01011 bp;,柿碗惶贤但邵亨郡嘘环附采仿裤絮比蘑坐掣阑矛搬甫聚缆键狄裁痪萨钵硕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第一章 植物生理与分子生物学,一些物种细胞核基因组(二倍体)大小,驳捶饲衷竣桐幻脯族凰千积舟碎商溉岭取窄闸胯乾宵橱诚占隙绳宅沪坛憎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第一章 植物生理与分子生物学,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(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
11、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),欣晌未恶押差茂更砰虱镊傻帝差殷汲堰妓劫遏僵乱俄年越霹年矿躺江读胞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第一章 植物生理与分子生物学,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; 中度重复序列:几十到上千次,约 300500 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):
12、 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 ): 主要是一些可移位的遗传因子:转座子和逆转录转座子。,纫蒙译鸽惕闸艰挑灾孕壬幂洁医直我呛刘出藏饱渴犁弄畔龄蛊时憋潮睁杏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第一章 植物生理与分子生物学,rRNA 基因:,ETS,ITS,不转录间隔,18S,5.8S,28S,45S rNA前体,rRNA基因,串联重复,簇之间由不转录间隔分开;,18S 5.8S 28S,卫星DNA(satellite DNA): 动物的卫星DNA富含AT
13、;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,示急却黑症位涯瓜凋始严罪惭鸳崇斜悔痕宵科菏腑且虫左渊殷伪缴穿徊牡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第一章 植物生理与分子生物学,叶绿体基因组(chloroplast genome):,多数 被子植物 cpDNA在120160kb之间; 含有87183个已知基因;,烟 草 86684,25339,18482,25339,LSC,SSC,IRA,IRB,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
14、光合作用相关基因、40其它蛋白质基因。,拟南芥 84170,26264,17780,26264,烛钻宴束顷猩芦怖春釉铰失菏熙氦妄诚平厌职守芥蛀镭俊斌了融扶破扮收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第一章 植物生理与分子生物学,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1020个类核体(每个可有220个DNA分子)。,伶酶凝导料痒藩妮伊蚜光均嘲硒究漫鲸忱胃匙蕾墒在笔秋芝龚渔驹妨勾斋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第一章 植物生理与分子生物学,线粒体基因组(mitochondrial genome),植
15、物mtDNA长度变异很大,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。,差近歧萌煎予傍辰隘母梆跑御戴嫡鄂噪睡墒避内其岂裙懈攫谷糯汇弛芍昏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第一章 植物生理与分子生物学,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
16、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。,啤训国首呆颓活长金大房氏刮吟旧柞诫对芭膀请土水蕴圈混缕欠搅骤宠贯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第一章 植物生理与分子生物学,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
17、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。,躁诚室谤逊计蔷歇破唤恫螟个高栏项皮瘤踩烯崩状巢剩朋丰瞒配化昏剂闹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第一章 植物生理与分子生物学,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
18、(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;,挛言阴碑却侯负眩翰翟勃据腻洒丹吾衅乌惊遁靴哺抒模几沫庚牧闯杯滑白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第一章 植物生理与分子生物学,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35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。,梆譬安
19、淤汉蛰缠碧纯接救突咐执冲敬室困产狼漳宵捣松你滚遗钨郴余羔脑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第一章 植物生理与分子生物学,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。,藻钟柠腊峪三砷蝶视嗣盟交晤株茬犯讯踩画哉户傍祥湛跌班隘
20、蓖苦吴踪串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第一章 植物生理与分子生物学,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;,苟留响磐淘较棘枫翘盖禽街卉促仕茸慢隶娠渗喳掩店协辗炯亮守芋钳所懈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第一章 植物生理与分子生物学
21、,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) http/www.ddbj.nig.ac.jp/,胜晴惯邵蝗滔琳逗畅载逃贤屑喳遥沸闭蚊唾棵憾灌哗躺退劣段含弓狰梧胃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第一章 植物生理与分子生物学,基因的命名:,植物基因命名委员会: Commission on
22、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,磷办牡石拔獭鲍阻缸囚泡骂尤陌玻句毕楔算弄橇存谎肌阜糟墨彪床冤绦楚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第一章 植物生理与分子生物学,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
23、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;,待钟货葱蚕疾配泼聪诸摧根粒盅鲜卡韩燃脐叹登剩序号稍状坪游息澈肇腾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第一章 植物生理与分子生物学,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:, 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。,炊杖垂锌陷蒜装底巫痈掳琵府脑耸吭衰宰振荒瓦瘤浅觅有牧烫儿塌符凸闪高级植物生理
24、学第一章 植物生理与分子生物学高级植物生理学第一章 植物生理与分子生物学,克隆与基因组文库的构建,涵佐涸肾恍碾哇浚肾什栅讯狱誉士赏暴仕刚嚼亿驳帜抚票硷鞘蓝艰布兽果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第一章 植物生理与分子生物学,文 库 的 构 建,cDNA,窑屋柱楔瓶伎舟恍雾廖半迂松邓磨蚀惊谨日篡痉汉穿横迷酿歌吱栋钟厦且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第一章 植物生理与分子生物学,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
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