第43章植物基因组学内容提要43.1植物的基因组的组成比动物的更加多变植物基因组概述随着农业社会的形成，人们开始从植物中挑选所需的性状。直到近期，植物生物学家才将研究重点放在了染色体的变异上，但目前的研究正越来越多转向分子水平。植物基因组的结构植物基因组由于存在许多染色体的拷贝以及大量的具有重复序列的DNA而变得很复杂。比较基因组作图和模式系统RFLP和AFLP技术对于绘制植物基因组的特征图谱是非常有用的。尽管拟南芥和其它生物基因组的测序已经获得了技术成功，但其中大部分基因的功能是未知的，它们所编码的蛋白质在生理和发育方面的作用也不知晓。43.2植物组织培养方面的进步正在革新着农业植物组织培养概述因为植物的细胞有全能性，小部分组织能被用来再生整个植株。植物组织培养的类型植物细胞，组织和器官能在人工培养基中生长，有些细胞还可被定向产生整个植株。植物组织培养的应用植物组织培养能被用于生产植物产品，园艺植物的繁殖以及作物的改良。43.3植物生物技术正在影响着农业的各图43.1金黄色大米大米几乎是世界近个方面半数人口的主要食物，但它缺少维生素A。缺少维生素A导致许多视觉和免疫世界人口与作物产量的提高相关由于疾病。现已经培育出了能产生维生素A农业工具的改进以及作物育种技术导致的转基因大米。这种大米之所以是金黄色，是因为生物合成途径已被基因修饰，的作物产量的提高是否能够为逐渐增长能够生成维生素A的前体一—金色的β的人口提供食物仍属未知。胡萝卜素。这里，白色大米与金黄色大
第 43 章 植物基因组学 内容提要 43.1 植物的基因组的组成比动物的更加多变 植物基因组概述 随着农业社会的形成，人们开始从植物中挑选所需的性状。直 到近期，植物生物学家才将研究重点放在了染色体的变异上，但目前的研究正越 来越多转向分子水平。 植物基因组的结构 植物基因组由于存在许多染色体的拷贝以及大量的具有重 复序列的 DNA 而变得很复杂。 比较基因组作图和模式系统 RFLP 和 AFLP 技术对于绘制植物基因组的特征图 谱是非常有用的。尽管拟南芥和其它生物基因组的测序已经获得了技术成功，但 其中大部分基因的功能是未知的，它们所编码的蛋白质在生理和发育方面的作用 也不知晓。 43.2 植物组织培养方面的进步正在革新 着农业 植物组织培养概述 因为植物的细胞有 全能性，小部分组织能被用来再生整个 植株。 植物组织培养的类型 植物细胞，组织 和器官能在人工培养基中生长，有些细 胞还可被定向产生整个植株。 植物组织培养的应用 植物组织培养能 被用于生产植物产品，园艺植物的繁殖 以及作物的改良。 43.3 植物生物技术正在影响着农业的各 个方面 世界人口与作物产量的提高相关 由于 农业工具的改进以及作物育种技术导致 的作物产量的提高是否能够为逐渐增长 的人口提供食物仍属未知。 图43.1 金黄色大米 大米几乎是世界近 半数人口的主要食物，但它缺少维生素 A。 缺少维生素 A 导致许多视觉和免疫 疾病。现已经培育出了能产生维生素 A 的转基因大米。这种大米之所以是金黄 色，是因为生物合成途径已被基因修饰， 能够生成维生素 A 的前体——金色的β 胡萝卜素。这里，白色大米与金黄色大
改进农业生产的植物生物技术植物能通过基因工程改变油，氨基酸的含量，并能提供疫苗。植物改造的方法植物基因工程有赖于外源DNA的引入植物细胞。自从农业社会开始，人们就通过选择性地培育所需的优良性状，一直在对植物进行着遗传改良。现在所有主要的作物都是这种努力的结果。今天，我们有强大得多的工具一一重组DNA技术，这将是本章的主题。本章展望这些新技术对植物的未来以及植物生物学研究带来的影响（图43.1）。拟南芥和水稻的基因组已经被测序。从这些丰富的数据库中，我们不仅有望了解到很多有关植物生理学和发育的分子基础，我们必定还会对植物的进化有更深刻的理解。43.1植物的基因组的组成比动物的更加多变植物基因组学概述早期的方法在基因工程这个名词被普遍用来描述那些经DNA重组技术改良了的植物和动物之前，人们实际上已经是几千年的遗传工程师了。当农业社会形成时，农作物物种内基因库的变化就开始了。臂如，玉米和小麦种子的散播。因为它们自身没有散播种子的能力，这些驯化的植物将完全依赖人来散播种子。没有了野生水稻所具有的种子休眠机制，HaploidDiploidPolyploid水稻从一种多年生的植物变成一年生植物。植物的某些部位对人类以及家养的动物有最大食用价值，人们便选择性地加大其体积。它们包括种子，果实以及像胡萝卜块根那样的贮藏器官。图43.2植物基因组中可能的染色体数单倍体：一组不所有这些改变都是在对特成对的染色体，例如配子中的染色体数目。二倍体：一组成对的染色体。多倍体：多组成对的染色体，如香蕉定的基因不了解的情况下有3组成对的染色体，所以是多倍体。完成的，是通过选择和繁殖Haploid单倍体Diploid二倍体Polyploid多倍体
改进农业生产的植物生物技术 植物能通过基因工程改变油，氨基酸的含量，并 能提供疫苗。 植物改造的方法 植物基因工程有赖于外源 DNA 的引入植物细胞。 自从农业社会开始，人们就通过选择性地培育所需的优良性状，一直在对植 物进行着遗传改良。现在所有主要的作物都是这种努力的结果。今天，我们有强 大得多的工具——重组 DNA 技术，这将是本章的主题。本章展望这些新技术对 植物的未来以及植物生物学研究带来的影响（图 43.1）。拟南芥和水稻的基因组 已经被测序。从这些丰富的数据库中，我们不仅有望了解到很多有关植物生理学 和发育的分子基础，我们必定还会对植物的进化有更深刻的理解。 43.1 植物的基因组的 43.1 植物的基因组的组成比动物的更加多变 植物基因组学概述 早期的方法 在基因工程这个名词被普遍用来描述那些经 DNA 重组技术改良了的植物和 动物之前，人们实际上已经是几千年的遗传工程师了。当农业社会形成时，农作 物物种内基因库的变化就开始了。譬如，玉米和小麦种子的散播。因为它们自身 没有散播种子的能力，这些驯化的植物将完全依赖人来散播种子。没有了野生水 稻所具有的种子休眠机制， 水稻从一种多年生的植物 变成一年生植物。植物的某 些部位对人类以及家养的 动物有最大食用价值，人们 便选择性地加大其体积。它 们包括种子，果实以及像胡 萝卜块根那样的贮藏器官。 所有这些改变都是在对特 定的基因不了解的情况下 完成的，是通过选择和繁殖 图 43.2 植物基因组中可能的染色体数 单倍体：一组不 成对的染色体，例如配子中的染色体数目。二倍体：一 组成对的染色体。多倍体：多组成对的染色体，如香蕉 有 3 组成对的染色体，所以是多倍体。 Haploid 单倍体 Diploid 二倍体 Polyploid 多倍体
具有人类所需性状的个体来实现的。提高产量的培育方法二十世纪初，对遗传学认识的加深加速了农作物改良的速度。农业发展中最显著的当数杂交玉米的引入。随着玉米不断Diploid:2×7Diploid:2×71889198ARTriticummonococcum(2n=14)Triticum searsii(2n=14)地培育，人们发现每当BBAA有害隐性基因形成纯lite合子时，这些高度近亲Sterile hybrid (1n=14)AB繁殖的玉米产量就会Chromosomedoubling福下降。GeorgeHarrisonTetraploid:4x7Diploid:2×7OORRRNShull发现将两个不同HRXTriticumtauschii(2n=14)Triticumturgidum(2n=28)AARR品系的玉米杂交可以产生具有“杂交优势”的子代。产量提高4倍Sterile hybrid (1n=21)之多！现在美国几乎所ABCChromosomedoubling有的玉米都是杂交玉米。杂交水稻的产量也Hexaploid:6x7BRANRNRRS能提高20%。Triticumaestivum(2n=42)AABBCC育种专家现在已图43.3小麦的进化史人工种植的小麦首先出现在亚洲西南部即现在伊拉克所在地的山区。那里汇集了大量的小麦属经转向特定的基因来（Triticum）的草本植物。人工种植的小麦（Taestivum）是优化食物的质量（图Triticum的多倍体物种，它是通过两个所谓的“异源多倍化”过程而产生的。（1）两种不同的二倍体物种这里简化为AA和43.1)。虽然只有一小BB，杂交形成AB多倍体：这种物种差异很大以至减数分裂时A.B染色体无法配对，所以AB多倍体是不育的。然而，在有部分的基因和它们的些植株中，染色体数目会由于减数分裂时染色体没有分开而自动加倍，生成可育的四倍体物种AABB。这种小麦就被用于生功能得以确认，但是这产面食。（2）同样，四倍体物种AABB与另一种二倍体物种个世纪一开始人们就CC杂交，又经过一次加倍后，生成六倍体T.aestivum,AABBCC。这种面包小麦在全世界广泛种植。是开始使用有效的新Diploid二倍体sterilehybrid(1n=14)不育的杂种(1n=14)Chromosomedoubling染色体加倍Tetraploid四倍体，技术方法来破解基因sterilehybrid(In=21)不育的杂种(1n=21）Hexaploid六倍体组
具有人类所需性状的个体来实现的。 提高产量的培育方法 二十世纪初，对遗传学认识的加深加速了农作物改良的速度。农业发展中最 显著的当数杂交玉米 的引入。随着玉米不断 地培育，人们发现每当 有害隐性基因形成纯 合子时，这些高度近亲 繁殖的玉米产量就会 下降。George Harrison Shull 发现将两个不同 品系的玉米杂交可以 产生具有“杂交优势” 的子代。产量提高 4 倍 之多！现在美国几乎所 有的玉米都是杂交玉 米。杂交水稻的产量也 能提高 20%。 育种专家现在已 经转向特定的基因来 优化食物的质量（图 43.1）。虽然只有一小 部分的基因和它们的 功能得以确认，但是这 个世纪一开始人们就 是开始使用有效的新 技术方法来破解基因 组。 图 43.3 小麦的进化史 人工种植的小麦首先出现在亚洲西南 部即现在伊拉克所在地的山区。那里汇集了大量的小麦属 （Triticum）的草本植物。人工种植的小麦（T.aestivum）是 Triticum 的多倍体物种，它是通过两个所谓的“异源多倍化” 过程而产生的。（1）两种不同的二倍体物种这里简化为 AA 和 BB，杂交形成 AB 多倍体；这种物种差异很大以至减数分裂时 A,B 染色体无法配对，所以 AB 多倍体是不育的。然而，在有 些植株中，染色体数目会由于减数分裂时染色体没有分开而自 动加倍，生成可育的四倍体物种 AABB。这种小麦就被用于生 产面食。（2）同样，四倍体物种 AABB 与另一种二倍体物种 CC 杂交，又经过一次加倍后，生成六倍体 T.aestivum,AABBCC。 这种面包小麦在全世界广泛种植。 Diploid 二倍体 sterile hybrid(1n＝14)不育的杂种(1n＝14) Chromosome doubling 染色体加倍 Tetraploid 四倍体， sterile hybrid(1n＝21)不育的杂种(1n＝21) Hexaploid 六倍体
研究植物基因组表43.1植物基因组的大小植物基因组非常复杂，分学名俗名基因组大小析表明DNA序列经常会随着(10万碱基对)145拟南芥时间发生许多进化意义上的Arabidopsisthaliana桃262Prunus persica重大变化。植物的染色体数以麻323Ricinus communis甜橙367及倍数性也大相径庭（图Citrus sinensis水稻424Oryza sativa spp.javanica43.2）。总之，植物基因组的大1221Petumiaparodi碧冬茄Pisum sativum豌豆3,947小（包括所有染色体和核苷酸11,315Avenasativa燕麦碱基对的数目）显示了生物世Tulipa spp郁金香24,704界中一个多样性最丰富的王资料来源：PJ.LeaandR.C.Leegods编著PlantBiochemistry and Molecular Biology国。像郁金香所拥有的DNA碱基对的数目是拟南芥的170多倍（表43.1)。与动物一样，植物DNA也有序列重复区，序列倒位（sequenceinversion）或转座因子(transposableelement)插入，这些又进一步丰富了它们的遗传信息。过去人们往往利用染色体的倒位(chromosomeinversion)以及倍数性方面的变异来构建植物物种进化的图谱（图43.3）。越来越多的研究者正在转向研究植物DNA序列的组成，以获取一种植物物种进化史的重要信息。许多世纪以来，人们一直通过选择所需要的性状对植物进行遗传改造。过去，生物学家从染色体水平上观察植物的变异情况：现在，研究人员正致力于研究DNA序列水平的变化。植物基因组的组成低度重复，中度重复和高度重复的DNA大多数种子植物含有的DNA数量大大超过了编码和调节作用所需的数量。因此，对植物而言，基因组中实际上只有很小比例的编码基因与产生蛋白质有关。基因组中编码多数转录基因的部分常被称为低度重复DNA（Low-Copy-NumberDNA）”。因为包含这些基因的DNA序列以单个或者少数的拷贝出现。植物那么多过量的DNA插入基因组中有何作用呢？看起来这些序列变化大部分发生在那
研究植物基因组 植物基因组非常复杂，分 析表明 DNA 序列经常会随着 时间发生许多进化意义上的 重大变化。植物的染色体数以 及 倍 数 性 也 大 相 径 庭 （ 图 43.2）。总之，植物基因组的大 小（包括所有染色体和核苷酸 碱基对的数目）显示了生物世 界中一个多样性最丰富的王 国。像郁金香所拥有的 DNA 碱基对的数目是拟南芥的 170 多倍（表 43.1）。与动物一样，植物 DNA 也有序 列重复区，序列倒位（sequence inversion）或转座因子(transposable element)插入， 这些又进一步丰富了它们的遗传信息。过去人们往往利用染色体的倒位 (chromosome inversion)以及倍数性方面的变异来构建植物物种进化的图谱（图 43.3）。越来越多的研究者正在转向研究植物 DNA 序列的组成，以获取一种植物 物种进化史的重要信息。 许多世纪以来，人们一直通过选择所需要的性状对植物进行遗传改造 ，人们一直通过选择所需要的性状对植物进行遗传改造。过 去，生物学家从染色体水平上观察植物的变异情况 生物学家从染色体水平上观察植物的变异情况；现在，研究人员正致力于 ，研究人员正致力于 研究 DNA 序列水平的变化。 植物基因组的组成 低度重复，中度重复和高度 ，中度重复和高度重复的 DNA 大多数种子植物含有的 DNA 数量大大超过了编码和调节作用所需的数量。 因此，对植物而言，基因组中实际上只有很小比例的编码基因与产生蛋白质有关。 基因组中编码多数转录基因的部分常被称为低度重复 DNA （Low-Copy-Number DNA）”。因为包含这些基因的 DNA 序列以单个或者少数的拷贝出现。植物那么 多过量的 DNA 插入基因组中有何作用呢？看起来这些序列变化大部分发生在那 表 43.1 植物基因组的大小 学名 俗名 基因组大小 (10万碱基对) Arabidopsis thaliana 拟南芥 145 Prunus persica 桃 262 Ricinus communis 蓖麻 323 Citrus sinensis 甜橙 367 Oryza sativa spp. javanica 水稻 424 Petunia parodii 碧冬茄 1221 Pisum sativum 豌豆 3,947 Avena sativa 燕麦 11,315 Tulipa spp. 郁金香 24,704 资 料 来 源 ： P.J.Lea and R.C.Leegods 编 著 Plant Biochemistry and Molecular Biology
些非编码的区域。中度重复DNA（Medium-Copy-NumberDNA）主要由编码核糖体RNA（rRNA）的DNA序列组成。rRNA是一种将转录得到的信使RNA（mRNA）翻译成蛋白质的重要分子。在植物基因组中，rRNA基因可能会重复成百上千次。比较而言，动物细胞一般只有100至200个的rRNA基因。植物基因组中有关rRNA基因的数量及其突变的变异程度，为分析植物物种的进化模式提供了一个有用的工具。植物细胞也可能含有以高度重复的序列的形式出现的过量的DNA，或称为高度重复DNA(High-Copy-NumberDNA)。目前这些“高度重复的DNA”在植物基因组中的作用还不清楚。卡米基因组中大约有一半是由那些类似逆转录病毒的DNA（retroviral-likeDNA）组成的。像动物的HIV病毒那样的RNA逆转录病毒（retroviruses）利用它们寄主的基因组来复制它们的DNA，并将这些DNA插入到寄主的基因组TransposableSimpletandemarray中。显然，有些逆转录element4病毒是毁灭性的。玉米Repeat/single-copyinterspersionSingle-copygene如何接受如此大量的Invertedrepeats外源DNA是进化上的Compound tandem array一个谜。Repeat/repeatinterspersion(a)序列的复制和倒位(b)Different arrangements ofrepeatedandinvertedDNATransposableelement在植物基因组中excisionandreinsertionseguences高度重复的DNA序图43.4重复DNA序列的组织和转座因子改变基因功能的机理（a）重复的DNA序列在植物基因组中能以几种不同的排列可能很短，就像核苷列形式出现。图中的箭头表示DNA重复序列。颜色和大小相同的箭头表示彼此相同的基因，箭头的指向表示DNA序列的酸序列“GAA”，也可方向。（b）转座因子是重复DNA序列的来源，基因的功能随之改变。转座因子可从其原来的位置切下来，然后再插入到包能要长得多，包括几百含一个基因的单拷贝DNA序列中，并改变该基因功能。个核苷酸。此外，单个Simpletandemarray简单串联排列Invertedrepeats反向重复Repeat/single-copyinterspersion重复/单拷贝散布高度重复的DNA序列Compound tandemarray复合串联排列Repeat/repeatinterspersion重复/重复散布的拷贝数总共能达到Repeat/repeatinterspersion重复性散布Transposableelement转座因子Single-copygene单拷贝基因10,000到100,000。有(a)重复和反向的DNA序列的不同排列转座因子的切除和再插入(b)
些非编码的区域。 中度重复 DNA（Medium-Copy-Number DNA）主要由编码核糖体 RNA （rRNA）的 DNA 序列组成。rRNA 是一种将转录得到的信使 RNA（mRNA）翻 译成蛋白质的重要分子。在植物基因组中，rRNA 基因可能会重复成百上千次。 比较而言，动物细胞一般只有 100 至 200 个的 rRNA 基因。植物基因组中有关 rRNA 基因的数量及其突变的变异程度，为分析植物物种的进化模式提供了一个 有用的工具。 植物细胞也可能含有以高度重复的序列的形式出现的过量的 DNA，或称为 高度重复 DNA(High-Copy-Number DNA）。目前这些“高度重复的 DNA”在植 物基因组中的作用还不清楚。玉米基因组中大约有一半是由那些类似逆转录病毒 的 DNA（retroviral-like DNA）组成的。像动物的 HIV 病毒那样的 RNA 逆转录 病毒（retroviruses）利用它们寄主的基因组来复制它们的 DNA，并将这些 DNA 插入到寄主的基因组 中。显然，有些逆转录 病毒是毁灭性的。玉米 如何接受如此大量的 外源 DNA 是进化上的 一个谜。 序列的复制和倒位 在植物基因组中 高度重复的 DNA 序 列可能很短，就像核苷 酸序列“GAA”，也可 能要长得多，包括几百 个核苷酸。此外，单个 高度重复的 DNA 序列 的拷贝数总共能达到 10,000 到 100,000。有 图 43.4 重复 DNA 序列的组织和转座因子改变基因功能的机 座因子改变基因功能的机 理 （a）重复的 DNA 序列在植物基因组中能以几种不同的排 列形式出现。图中的箭头表示 DNA 重复序列。颜色和大小相 同的箭头表示彼此相同的基因，箭头的指向表示 DNA 序列的 方向。（b）转座因子是重复 DNA 序列的来源，基因的功能随 之改变。转座因子可从其原来的位置切下来，然后再插入到包 含一个基因的单拷贝 DNA 序列中，并改变该基因功能。 Simple tandem array 简单串联排列 Inverted repeats 反向重复 Repeat/single-copy interspersion 重复/单拷贝散布 Compound tandem array 复合串联排列 Repeat/repeat interspersion 重复/重复散布 Repeat/repeat interspersion 重复性散布 Transposable element 转座因子 Single-copy gene 单拷贝基因 (a) 重复和反向的 DNA 序列的不同排列 (b) 转座因子的切除和再插入