1、植物生理学（专题一）植物生理学（专题一）植物生理与分子生物学植物生理与分子生物学1ppt课件二、高等植物基因结构及表达调控二、高等植物基因结构及表达调控l1 1、真核基因组结构特征、真核基因组结构特征l2 2、植、植 物物 的的 基基 因因 组组l3 3、植、植 物物 基基 因因 的结构的结构l4 4、植物基因的表达调控、植物基因的表达调控2ppt课件1 1、 真核细胞基因组结构的特征真核细胞基因组结构的特征 真核基因是单顺反子（真核基因是单顺反子（cistron），一条成熟的），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。链只能翻译出一条多肽链。原核生物是多基因操纵子。
2、3ppt课件4ppt课件真核生物真核生物 rRNA 基因结构基因结构ETSITS不转录间隔不转录间隔18S5.8S28S45S rNA前体前体rRNA基因基因真核真核rRNA基因是多考贝（中度重复序列）；基因是多考贝（中度重复序列）；三种三种rRNA基因总是按基因总是按18S、5.8S、28S 顺序排列；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；此基因簇是串联重复的，簇与簇之间由不转录间隔分开；间期核中间期核中rDNA浓缩成核仁，在核仁中被转录、加工。浓缩成核仁，在核仁中被转录、加工。18S 5.8S 28S5ppt课件核小体核小体DNA 核核小体小体 螺线管螺线管 超螺线管
3、超螺线管 染色单体染色单体 真核基因组是以染色体（质）形式存在，小部真核基因组是以染色体（质）形式存在，小部分分DNA是裸露的。是裸露的。6ppt课件DNA(基因基因)mRNA编码区编码区尾部区尾部区起始密码起始密码终止密码终止密码extronintron前导区前导区 真核基因组中存在着高度重复序列。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。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，编码序列中存在有真核基因属于断裂基因，编码序列中存在有内含子。内含子。7ppt课件 真核生物能够根据生长发育阶段的需要进真核生物能够根据生长发育阶段的需要进行行DN
4、A的重排和基因扩增。的重排和基因扩增。 基因扩增基因扩增编码某一特异蛋白质的编码某一特异蛋白质的基因拷贝数选择性地增基因拷贝数选择性地增加而其他基因并未按比加而其他基因并未按比例增加的过程。例增加的过程。8ppt课件 真核基因转录调控区很大，可远离启动子上千真核基因转录调控区很大，可远离启动子上千个碱基。个碱基。 真核基因的表达真核基因的表达转录和翻译存在着时间和转录和翻译存在着时间和空间间隔。空间间隔。 真核基因表达的调控可从染色体结构至翻译后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。加工多个层次（水平）上进行。9ppt课件原核生物基因表达原核生物基因表达10ppt
5、课件真核细胞基因表达真核细胞基因表达11ppt课件 2 2、植物的基因组、植物的基因组l基基 因因 （gene）？）？l基因组基因组 （genome）？）？l基因组学基因组学 （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特定遗传功能的 DNA 序列。序列。 编码一个完整编码一个完整mRNA的一段的一段DNA序列。序列。12ppt课件 基因有两个特点：基因有两个特点：一、一、能忠实地复制自己能忠实地复制自己，以保持生物的基本特征；，以保持生物的基本特征；二、二、基因能够基因能够“突变突变”，突变绝大多数会导
6、致疾病，另，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。合自然的个体。 基因是遗传的物质基础，是基因是遗传的物质基础，是DNA分子上具有遗传信息分子上具有遗传信息的特定核苷酸序列的总称的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的，是具有遗传效应的DNA分子片分子片段。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与亲代相似的性状。 13ppt课件
7、基因可分为：基因可分为： 结构基因结构基因：编码蛋白质的基因。包括编码酶和结构编码蛋白质的基因。包括编码酶和结构蛋白的基因；蛋白的基因； 调节基因调节基因：编码作用于结构基因的阻遏蛋白或激活编码作用于结构基因的阻遏蛋白或激活蛋白的基因；蛋白的基因； 没有翻译产物的基因没有翻译产物的基因：RNA基因，转录成为基因，转录成为 tRNA和和rRNA基因；基因； 不转录的不转录的DNA区段区段：调控序列，如启动区、操纵基调控序列，如启动区、操纵基因等等。因等等。 （顺式作用元件）（顺式作用元件）14ppt课件基因组：基因组：一个生物遗传物质的总和。一个生物遗传物质的总和。 细胞中的全部细胞中的全部DN
8、A。植物的基因组：植物的基因组： 细胞核基因组细胞核基因组 + + 细胞质基因组细胞质基因组叶绿体基因组叶绿体基因组+ +线粒体基因组线粒体基因组基因组学：基因组学：研究基因组的结构、功能和进化的科学。研究基因组的结构、功能和进化的科学。15ppt课件 基因组研究包括两方面的内容：基因组研究包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的以全基因组测序为目标的结构基因组学结构基因组学（structural genomics）以基因功能鉴定为目标的以基因功能鉴定为目标的功能基因组学功能基因组学（functional genomics) 16ppt课件 2.1 2.1 植物基因组的复杂性植物基因组的复杂性
9、 （3）植物基因组中重复序列变化极大）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拟南芥和一些多倍体植物中: 20%; 小麦、豌豆中，小麦、豌豆中，80%以上基因是重复序列；以上基因是重复序列；（1 1）植物除了细胞核基因组外，还有细胞质基因组；）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；）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：拟南芥单倍体基因组：6.3107 bp； 百百 合单倍体基因组：合单倍体基因组：1.01011 bp；17ppt课件 物物 种种 碱基对数目碱基对数目/ 物理长度物理长度/cm （108
10、bp/细胞）细胞）拟南芥拟南芥(Arabidopsis thaliana) 1.25 3.8栽培稻栽培稻(Oryza sativm) 4.3 13.1普通小麦普通小麦(Triticum Aestivum) 160 493一粒小麦一粒小麦(Triticum Monococcum) 57 173玉玉 米米(Zea mays) 25 75人人 类类(Hemo sapiens) 31 102大肠杆菌大肠杆菌(E. coli) 0.042 0.14玉米叶绿体玉米叶绿体 0.0016 0.006 玉米线粒体玉米线粒体 0.0057 0.02一些物种细胞核基因组一些物种细胞核基因组( (二倍体二倍体) )大
11、小大小18ppt课件 基因组的序列可分为单一序列（基因组的序列可分为单一序列（single copy sequence） 和重复序列（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：变性和复性实验检测；可用参数：Co t1/2 表示；表示； Co：复性时相同复性时相同DNA的浓度；的浓度；t：复性的时间：复性的时间 一半一半DNA复原成双链所用的时间复原成双链所用的时间; 基因组越复杂，基因组越复杂， Co t1/2 值越大。值越大。19ppt课件叶绿体基因组
12、（叶绿体基因组（chloroplast genome）：）：多数植物多数植物 cpDNA在在120160kb之间；之间； 含有含有87183个已知基因；个已知基因；烟草烟草 86684253391848225339LSCSSCIRAIRBrRNArRNA 4 rRNA基因、基因、30 tRNA基因、基因、4 RNA聚合酶基因、聚合酶基因、21核糖核糖体蛋白质基因、体蛋白质基因、31光合作用相关基因、光合作用相关基因、40其它蛋白质基因。其它蛋白质基因。20ppt课件 植物植物 长度长度/bp P基因数基因数 R基因数基因数 GenBank编号编号拟南芥拟南芥 154478 88 45 NC-0
13、00932烟烟 草草 155939 102 45 NC-001897月见草月见草 163953 118 46 NC-002693水水 稻稻 134525 108 54 NC-001320菠菠 菜菜 150725 100 47 NC-002202小小 麦麦 134545 84 50 NC-002762玉玉 米米 140387 111 47 NC-001666已知已知DNA序列的植物质体基因组序列的植物质体基因组 cpDNA存在于存在于“类核体（类核体（nucleoid）”中，叶绿体中中，叶绿体中可有可有1020个类核体（可有个类核体（可有220个个DNA分子）。分子）。21ppt课件线粒体基因组
14、（线粒体基因组（mitochondrial genome） mtDNA长度变异要比长度变异要比cpDNA大得多，大得多，1952600kb； 动物动物mtDNA为为1518kb；真菌在；真菌在1878kb； 基因组的大小并不表示基因数量的多少：基因组的大小并不表示基因数量的多少： 拟南芥拟南芥mtDNA 376kb ，人，人mtDNA为为16.6kb，前者比后，前者比后者者RNA基因多基因多1个，蛋白质基因个，蛋白质基因27:13。 在同一细胞在同一细胞 中可有不同长度的中可有不同长度的mtDNA。22ppt课件 mtDNA有分子内、分子间重组，也可与核、叶绿体有分子内、分子间重组，也可与核、
15、叶绿体基因组基因组DNA重组。因此重组。因此mtDNA的重排、序列加倍、与外的重排、序列加倍、与外源源DNA整合的几率很高，由此产生新的嵌合基因。细胞整合的几率很高，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。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。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：叶绿体和线粒体的结构蛋白多数由核基因组编码： 细胞器基因细胞器基因 转移至核基因组；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也有基因从核基因组转移至细胞器基因组: 核糖体核糖体L23
16、蛋白质基因。蛋白质基因。23ppt课件 叶绿体、线粒起源：马古利斯的内共生理论叶绿体、线粒起源：马古利斯的内共生理论 分子生物学证据：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；、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；、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；、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、能抑制细菌RNA聚合酶的抗生素也能聚合酶的抗生素也能 抑制线粒体抑制线粒体 和叶绿体和叶绿体RNA聚合酶。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。、叶绿体基因结构中有象细菌
17、那的启动子、操纵子结构。24ppt课件 2.2 2.2 基因组学简介基因组学简介 1995，第一个细胞生物，流感嗜血菌基因组，第一个细胞生物，流感嗜血菌基因组1.8Mb测序完成；测序完成； 1996，第一个真核生物，啤酒酵母基因组，第一个真核生物，啤酒酵母基因组12Mb测序完成；测序完成； 1998，第一个动物，美丽线虫基因组（，第一个动物，美丽线虫基因组（97Mb）测序完成；）测序完成； 2000，第一个昆虫，果蝇基因组（，第一个昆虫，果蝇基因组（120Mb）测序完成；）测序完成； 2000，第一个植物，拟南芥基因组（，第一个植物，拟南芥基因组（125Mb）测序完成；）测序完成； 2001，
18、第一个哺乳动物，人的基因组（，第一个哺乳动物，人的基因组（3100Mb）测序完成；）测序完成； 2002，第一个重要作物，水稻基因组（，第一个重要作物，水稻基因组（430Mb）测序完成；）测序完成；599病毒，病毒，205种自然质粒，种自然质粒，185种细胞质基因组，种细胞质基因组，31种细菌；种细菌；25ppt课件拟南芥拟南芥：十字花科，拟南芥属；：十字花科，拟南芥属；基因组较简单：染色体基因组较简单：染色体n=5 核基因组核基因组=1亿亿bp。生命周期短，种子产量大：生命周期短，种子产量大： 一代的时间为一代的时间为35周周 单株可产无数粒种子；单株可产无数粒种子； 之称为植物中的之称为植
19、物中的“果蝇果蝇” 模式植物模式植物 基因组分析中包含的内容较多，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作图、通过突变体研究基因功能和基因克隆及测序。基因克隆及测序。 26ppt课件突变体的研究突变体的研究 拟南芥菜基因组的目标之一便是利用基因突变的方拟南芥菜基因组的目标之一便是利用基因突变的方法研究基因功能。法研究基因功能。 基因突变的方法包括基因突变的方法包括化学诱变化学诱变，放射，放射性照射，性照射，T-DNA或转座子或转座子插入等。插入等。 通过对胚胎及幼苗致死突变体的研究，发现大约有通过对胚胎及幼苗致死突
20、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；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对叶绿素缺陷型植物的研究又鉴定了500多个新的基多个新的基因位点，若按拟南芥菜的基因组中有因位点，若按拟南芥菜的基因组中有25000个单拷贝的转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。位的六分之一。27ppt课件 基因组学研究的具体内容有：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；）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；）组建基因组的物理
21、图谱和遗传图谱；（3）确定基因及基因组的序列；）确定基因及基因组的序列；（4）分析基因组的结构特点；）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；）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；）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）；）建立基因及表型之间的关系（功能基因组学）；（8）确定）确定DNA的复杂性；的复杂性；（9）为比较不同生物的基因组提供资料；）为比较不同生物的基因组提供资料；28ppt课件 世界上有三大基因序列数据库：世界上有三大基因序列数据库：美国美国“国家生物技术信息中心国家生物技术信息中心”（NCBI）主持的
22、）主持的Gene Bank： http/www.ncbi.nlm.nih.gov/“欧洲生物信息学研究所欧洲生物信息学研究所”(EBI)主持的主持的 EMBL 数据库；数据库； http/www.ebi.ac.uk/embl/日本日本“国家遗传学研究所国家遗传学研究所”(NIG)主持的日本主持的日本DNA数据库数据库(DDBJ) http/www.ddbj.nig.ac.jp/29ppt课件基因的命名：基因的命名： 植物基因命名委员会：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；根据基因序列
23、，把植物基因分成不同的家族；CPGN规定：基因符号最多规定：基因符号最多8个：个： XyzN，核基因组基因；核基因组基因； xyzN，细胞质基因组基因细胞质基因组基因30ppt课件 根据突变型的表型命名：根据突变型的表型命名：基因名称与正常功能相反；基因名称与正常功能相反； 矮化基因矮化基因高生长基因高生长基因 基因符号用三个斜体字母表示，基因产物用正体大写：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：突变型基因用小写：abc 野生型基因用大写：野生型基因用大写：ABC ABC是该基因的产物是该基因的产物 Abc+指指 ABC 基因的表型（野生型）；基因的表型（野生型）
24、； Abc- 指指 abc 基因的表型（突变型）；基因的表型（突变型）； ABC1 和和 ABC2 是不同的基因；是不同的基因； abc4-1 和和 abc4-2为相同基因的不同等位基因；为相同基因的不同等位基因；31ppt课件 3 3 植物基因的结构植物基因的结构某种生物全部基因的克隆总体某种生物全部基因的克隆总体基因组文库基因组文库 克隆植物中编码蛋白质基因的方法：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该植物的基因组文库与 cDNA (complementary DNA)文文库中分别钓出编码该蛋
25、白质的基因与库中分别钓出编码该蛋白质的基因与 cDNA克隆。克隆。32ppt课件克隆与基因组文库的构建克隆与基因组文库的构建33ppt课件文文库库的的构构建建cDNA34ppt课件 探针是一段与目的基因有互补序列的用放射性同位探针是一段与目的基因有互补序列的用放射性同位素（素（32P）标记的）标记的 DNA 或或 RNA分子。分子。 构建基因文库的目的主要是为了直接从基因组中分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解为从基因文库中“钓出钓出”目的基因。目的基因。 两条来源不同的
26、具有一定同源性（即具有碱基互补两条来源不同的具有一定同源性（即具有碱基互补关系）的关系）的DNA单链分子或单链分子或DNA单链与单链与RNA分子经退火形分子经退火形成双链成双链DNA分子或分子或DNA-RNA异质双链分子的过程称为异质双链分子的过程称为核酸分子杂交。核酸分子杂交。35ppt课件denaturationDNA or RNAprobeDNArestriction enzyme核酸分子杂交核酸分子杂交电泳分离电泳分离转膜转膜探针杂交探针杂交放射显影放射显影36ppt课件核酸分子杂交操作程序核酸分子杂交操作程序37ppt课件38ppt课件 根据蛋白质测序结果，合成一对根据蛋白质测序结果
27、，合成一对 或数对或数对PCR 引物引物，以植物总，以植物总DNA为模板，扩增出目标基为模板，扩增出目标基因片段。因片段。 以此片段为探针，从基因组文库与以此片段为探针，从基因组文库与 cDNA文库文库中分别钓出编码该蛋白质的基因与中分别钓出编码该蛋白质的基因与 cDNA克隆。克隆。39ppt课件 基因产物不明，但知道基因突变后的表型，可用基因产物不明，但知道基因突变后的表型，可用转转座子标签法座子标签法分离基因。分离基因。 显性纯合子显性纯合子隐性纯合子隐性纯合子 杂合子杂合子显性表型显性表型 杂合子杂合子突变表型突变表型隐隐 性性突变株突变株正常未正常未突变株突变株基因组基因组文库文库 I
28、基因组基因组文库文库II转座子探针转座子探针带转座子带转座子DNA片段片段完整目的基因完整目的基因亚克隆探针亚克隆探针40ppt课件 利用利用RFLP图谱，找出与所要克隆基因紧密连锁图谱，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。的分子标记，用染色体步行法找到所要克隆的基因。 AB已知基因已知基因未知基因未知基因步行探针步行探针间隔间隔100Kb41ppt课件 核核DNA减法克隆。利用缺失突变体与同源亲本减法克隆。利用缺失突变体与同源亲本12DNA片段的差异克隆目的基因。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，可用如果该基因受某种因素诱导表达，可用
29、mRNA差异显示法找到所要克隆的基因。差异显示法找到所要克隆的基因。42ppt课件 克隆到基因与克隆到基因与cDNA后，测序，对比基因全序列与后，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。数量、位置及长度，终止密码与加尾信号的位置等。 通过对比研究，表明植物基因结构与其它真核基通过对比研究，表明植物基因结构与其它真核基因结构相似，主要由因结构相似，主要由4个结构区域组成。个结构区域组成。 5上游区、上游区、5非翻译区、编码区、非翻译区、编码区、3非翻译区非翻译区43ppt课件
30、55上游区上游区55非翻译区非翻译区编码区编码区33非翻译区非翻译区终止序列终止序列高等植物基因结构高等植物基因结构启动子启动子44ppt课件 3.1 5上游区上游区: 转录起点转录起点5端上游一段很长的区域，包含启动子在内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的与基因表达起始和表达调控有关的许多元件。 NNNNNNCTCATCANNN+1+7 8该区域结构特点是：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基因启动区序列中，在转录起点附近有一一致序列（consensus sequence）：）：CTCATCA，其中的一个，其中的一个A
31、 为转为转录起始核苷酸，此录起始核苷酸，此A编为编为+1，转录本中为正数，此，转录本中为正数，此A 的上游的上游用负数表示。用负数表示。 45ppt课件 在在 75 附近附近 处常有处常有GC（T/C）CAATCT一致序列，一致序列，简称简称CAAT box，确定，确定RNA聚合酶结合部位，具有增强基聚合酶结合部位，具有增强基因转录的作用。因转录的作用。 在上游在上游 32 7有一段有一段TCACTATATAG一致顺序：一致顺序： 简称：简称：TATA box。 该序列是该序列是RNA聚合酶聚合酶II起始转录所必需的。起始转录所必需的。46ppt课件 在在5远上游区，存在对基因表达有增强或抑制
32、作用、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作用的序列 顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element） 转录起点到转录起点到 CAAT box 附近这一区段称为启动子。附近这一区段称为启动子。 GC box：110附近的附近的GGGCGG保守序列，确定保守序列，确定RNA聚合酶结合部位。聚合酶结合部位。47ppt课件 3.2 5非翻译区非翻译区: 转录起点到翻译起始密码子之间的序列。该序列转录起点到翻译起始密码子之间的序列。该序列 5端是前体端是前体 mRNA
33、加帽位点。加帽位点。5非翻译区非翻译区48ppt课件 3.3 编码区编码区: 起始密码到终止密码之间的序列。起始密码到终止密码之间的序列。 有时专指外显子（有时专指外显子（extron）部分。）部分。 多数植物基因转录本多数植物基因转录本 5 有一个起始密码有一个起始密码 AUG， 少数植物少数植物 5 有有4个个 AUG。 翻译起点的共有序列：翻译起点的共有序列： 植物：植物：C（G）AANNATGG 动物：动物：A（G）NNATGG 49ppt课件转录的基本原则转录的基本原则碱基互补：碱基互补： A=T G=C A=U50ppt课件 也称也称“GT-AG法则法则” 编码区中常有数目不等的内
34、含子（编码区中常有数目不等的内含子（intron）。）。 外显子与内含子交界处共有序列是：外显子与内含子交界处共有序列是：外显子外显子 AG GTAAGT 内含子内含子 TCNAG G 外显子外显子 外显子中外显子中4种碱基比例：种碱基比例： 单子叶植物：单子叶植物：AT含量含量 43 %； 双子叶植物：双子叶植物：AT含量含量 54 %；51ppt课件 内含子共有内含子共有4种，具有核酶性质：种，具有核酶性质： I 类内含子：类内含子： 主要存在于主要存在于rRNA和质体和质体tRNA基因基因 中，中， 中间部分高度保守；中间部分高度保守； II 类内含子：主要存在于线粒体和质体类内含子：主
35、要存在于线粒体和质体mRNA基基 因中，拼接点的序列高度保守；因中，拼接点的序列高度保守； III 类内含子：主要存在于核类内含子：主要存在于核mRNA基因中；基因中； IV 类内含子：类内含子： 存在于核存在于核tRNA基因中；基因中；52ppt课件 3.4 3非翻译区非翻译区:3末端有转录本末端有转录本mRNA的加尾信号：的加尾信号：AATAAAA98A86T98A98A95A96 终止密码后的序列，也有一些调控序列，对终止密码后的序列，也有一些调控序列，对mRNA的稳定性和翻译效率起调节作用。的稳定性和翻译效率起调节作用。 3 种终止密码使用的频率为：种终止密码使用的频率为： 单子叶植物
36、：单子叶植物：TGA 46 %，TAA 28 %，TAG 26 % 双子叶植物：双子叶植物：TAA 46 %， TGA 36 %，TAG 18 %53ppt课件前导区前导区编码区编码区尾部区尾部区DNA+1起始起始密码密码终止终止密码密码信号肽序列信号肽序列加尾信号加尾信号mRNA5 端帽子结构端帽子结构m7G 5PPP 5 NP3 端端polyA尾巴尾巴 20200 base真核细胞真核细胞 mRNA 的结构的结构54ppt课件 4 4 植物基因的表达调控植物基因的表达调控 真核基因表达调控的显著特征是：真核基因表达调控的显著特征是： 能在特定时间、特定空间的细胞中激活特定基能在特定时间、特
37、定空间的细胞中激活特定基因，从而实现因，从而实现“预定预定”的、有序的、不可逆的分化、的、有序的、不可逆的分化、发育过程发育过程; 并使生物的组织、器官在一定的环境条件范围并使生物的组织、器官在一定的环境条件范围内保持正常功能。内保持正常功能。 55ppt课件大肠杆菌乳糖操纵子结构大肠杆菌乳糖操纵子结构 根据调控的性质可分：根据调控的性质可分： 瞬间调控瞬间调控可逆调控。可逆调控。相当于原核细胞对环境条相当于原核细胞对环境条件变化做出的反应。包括某种底物或激素水平升降时，对件变化做出的反应。包括某种底物或激素水平升降时，对细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调
38、节。56ppt课件 生长发育调控生长发育调控不可逆调控。不可逆调控。真核基因调控的真核基因调控的精髓部分，基因按精髓部分，基因按“预定预定”的时、空顺序表达，从而实的时、空顺序表达，从而实现生长、分化、发育的全过程。现生长、分化、发育的全过程。 在植物的生命周期中，基因表达具有时空专一性在植物的生命周期中，基因表达具有时空专一性（生长发育进程专一性和细胞、组织、器官特异性），（生长发育进程专一性和细胞、组织、器官特异性），同时受环境因素的影响。同时受环境因素的影响。 持家基因（管家基因）；持家基因（管家基因）； 时、空专一性表达基因；时、空专一性表达基因； 环境因素诱导表达基因；环境因素诱导表
39、达基因；57ppt课件持家基因表达水平受环境因素影响较小，在个体各持家基因表达水平受环境因素影响较小，在个体各个生长阶段几乎全部组织中持续表达，或变化很小，因个生长阶段几乎全部组织中持续表达，或变化很小，因此常存在于生物细胞核的常染色质中。此常存在于生物细胞核的常染色质中。 持家基因持家基因(house-keeping genes)：又称管家基因，是又称管家基因，是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的。胞基本生命活动所必需的。持家基因是一类始终保持着低水平甲基化并且一直持家基因是一类始终保持着低水平甲基化并且一直
40、处于活性转录状态的基因。处于活性转录状态的基因。 58ppt课件持家基因持家基因的表达只受启动序列或启动子与的表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相聚合酶相互作用的影响，而不受其他机制调节。互作用的影响，而不受其他机制调节。在在组成型启动子组成型启动子调控调控下，不同组织器官和发育阶段的基因表达没有明显差异下，不同组织器官和发育阶段的基因表达没有明显差异 由于组成型启动子驱动的基因在各组织中均有程度表达，由于组成型启动子驱动的基因在各组织中均有程度表达，应用中存在一定问题。如外源基因在整株植物中表达，产生应用中存在一定问题。如外源基因在整株植物中表达，产生大量异源蛋白或代谢产物在植物体内积累
41、，打破植物原有代大量异源蛋白或代谢产物在植物体内积累，打破植物原有代谢平衡，有些产物对植物并非必需甚至有毒，因而阻碍了植谢平衡，有些产物对植物并非必需甚至有毒，因而阻碍了植物的正常生长，甚至导致死亡。物的正常生长，甚至导致死亡。 另外，重复使用同一种启动子驱动两个或两个以上的外另外，重复使用同一种启动子驱动两个或两个以上的外源基因可能引起基因沉默或共抑制现象。因此，人们寻找更源基因可能引起基因沉默或共抑制现象。因此，人们寻找更为有效的组织、器官特异性启动子代替组成型启动子，以更为有效的组织、器官特异性启动子代替组成型启动子，以更好地调控植物基因表达。好地调控植物基因表达。 59ppt课件 时、
42、空专一性表达基因：时、空专一性表达基因： 这类基因的表达往往只限于生长发育的特定时期，以及这类基因的表达往往只限于生长发育的特定时期，以及某些特定的器官组织中，并表现出生长发育的调节特性。某些特定的器官组织中，并表现出生长发育的调节特性。 基因组织特异性表达通常是以组织细胞的结构和化学、基因组织特异性表达通常是以组织细胞的结构和化学、物理信号为基础，通过物理信号为基础，通过组织特异性启动子组织特异性启动子活动实现的。组织活动实现的。组织特异性启动子能使目的基因的表达产物在一定器官或组织积特异性启动子能使目的基因的表达产物在一定器官或组织积累，执行特定的功能，同时避免了植物营养的不必要浪费。累，
43、执行特定的功能，同时避免了植物营养的不必要浪费。 作为植物基因工程最有前景的调控元件，组织特异性启作为植物基因工程最有前景的调控元件，组织特异性启动子成为近年研究的热点。动子成为近年研究的热点。60ppt课件环境因素诱导表达基因：环境因素诱导表达基因： 在长期适应和进化过程中，植物形成了感知环境并能在长期适应和进化过程中，植物形成了感知环境并能做出适应性反应的特性。主要是通过启动不同基因的表达做出适应性反应的特性。主要是通过启动不同基因的表达可在一定范围内适应光、温、水等环境的变化。可在一定范围内适应光、温、水等环境的变化。 环境因素诱导表达基因是在某些特定的物理或化学信环境因素诱导表达基因是
44、在某些特定的物理或化学信号的刺激下号的刺激下 ，通过，通过诱导型启动子诱导型启动子活动实现的。天然诱导型活动实现的。天然诱导型启动子包括光、温度、激素应答启动子等。启动子包括光、温度、激素应答启动子等。 61ppt课件确定某种基因在何种组织专一表达的方法：确定某种基因在何种组织专一表达的方法： 以基因编码区中一段序列为探针，从不同组织以基因编码区中一段序列为探针，从不同组织或器官中提取总或器官中提取总 mRNA，进行进行Northern杂交。杂交。 Northern 杂交技术用于检测特异性杂交技术用于检测特异性 mRNA 的存在。的存在。mRNA 样品经电泳分离后，转移到硝酸纤维素膜上，样品经
45、电泳分离后，转移到硝酸纤维素膜上，与与 DNA 探针进行杂交，即可检测特异性探针进行杂交，即可检测特异性mRNA分子在分子在样品中存在与否，量的多少。样品中存在与否，量的多少。62ppt课件 限制性酶切限制性酶切 电泳电泳 同位素探针杂交同位素探针杂交 放射自显影放射自显影 转膜转膜mRNA 63ppt课件denaturationDNA or RNAprobeDNArestriction enzymemRNA电电 泳泳DNA probe 转转 膜膜 Northern 杂交技术广泛用于研究特异性杂交技术广泛用于研究特异性mRNA分子在分子在细胞处于不同条件下发生量和质的变化，或不同组织器官中细胞
46、处于不同条件下发生量和质的变化，或不同组织器官中基因表达的差异。基因表达的差异。64ppt课件 Northern 原位杂交原位杂交 整个过程包括材料的预处理、细胞固定、细胞的整个过程包括材料的预处理、细胞固定、细胞的 DNase 酶解（降解酶解（降解DNA，减少非特异性杂交）杂交、，减少非特异性杂交）杂交、检出。检出。 65ppt课件 将待测基因的启动子序列与一报告基将待测基因的启动子序列与一报告基因的编码区及因的编码区及 3 端终止区连接，建成融合基端终止区连接，建成融合基因，经转化植物细胞得到再生植株后，检测因，经转化植物细胞得到再生植株后，检测报告基因报告基因在何种组织与细胞中表达。在何
47、种组织与细胞中表达。 常用的报告基因有：常用的报告基因有：GUS基因、基因、CAT基因基因等。等。66ppt课件GFP荞麦细胞色素的可溶区段（荞麦细胞色素的可溶区段（红色红色）67ppt课件 用基因编码的蛋白质制备出抗体，对植物不同组织用基因编码的蛋白质制备出抗体，对植物不同组织切片进行免疫原位杂交。（切片进行免疫原位杂交。（ Western蛋白质杂交技术蛋白质杂交技术)68ppt课件4.1 4.1 器官、组织专一性表达的基因器官、组织专一性表达的基因 HRGP 基因：基因： 编码富含羟脯氨酸糖蛋白编码富含羟脯氨酸糖蛋白( Hydroxyproline-rich glycoprotein HR
48、GP )，主要在茎栅状细胞、表皮细胞，主要在茎栅状细胞、表皮细胞中表达。中表达。 rbcS 基因：基因： 编码编码 Rubisco 小亚基，在叶肉细胞、保卫细胞、小亚基，在叶肉细胞、保卫细胞、中脉与绿色组织细胞中表达。中脉与绿色组织细胞中表达。 69ppt课件 P2基因：基因： 编码一种参与花粉管萌发生长的蛋白质，只在雄编码一种参与花粉管萌发生长的蛋白质，只在雄蕊成熟花粉与花粉管中表达。蕊成熟花粉与花粉管中表达。 PAL2基因：基因： 编码编码PAL，参与花色素形成，只在花瓣中表达，参与花色素形成，只在花瓣中表达。 Gy4基因：基因： 编码大豆贮藏蛋白，只在胚乳组织中表达编码大豆贮藏蛋白，只在
49、胚乳组织中表达。 Amyl基因：基因： 编码编码 -淀粉酶，种子萌发时，在糊粉层表达淀粉酶，种子萌发时，在糊粉层表达。70ppt课件4.2 受环境影响而表达的基因受环境影响而表达的基因 HSP 基因：基因： 编码编码 8090、6575、1530kD 几种热激蛋白。几种热激蛋白。 热胁迫时，热胁迫时，HSF单体在核内组装成三聚体，与单体在核内组装成三聚体，与DNA 的的 HSE（热激元件）结合，刺激（热激元件）结合，刺激HSP-mRNA转录，翻译成转录，翻译成HSP。HSP参与生物体内新生肽的运输、折叠、组装、定参与生物体内新生肽的运输、折叠、组装、定位以及变性蛋白的复性和降解。位以及变性蛋白
50、的复性和降解。 HSP功能：维持变性蛋白质的可溶性，使变性蛋白重功能：维持变性蛋白质的可溶性，使变性蛋白重新折叠成有活性的构象，提高蛋白质（酶）热稳定性。新折叠成有活性的构象，提高蛋白质（酶）热稳定性。71ppt课件热激因子（热激因子（HSF）循环激发热激蛋白（）循环激发热激蛋白（HSP）mRNA的合成的合成72ppt课件双子叶：双子叶：2020单子叶：单子叶：1111低温诱导基因低温诱导基因低温超量表达基因；低温超量表达基因；不包括低量、瞬时不包括低量、瞬时表表 达达 基基 因。因。同工蛋白（同工蛋白（isoform）抗冻蛋白（抗冻蛋白（antifreeze protein AFP）类脂转移
