叶绿体与叶绿体遗传.doc

叶绿体与叶绿体遗传 (一) 在遗传学的历史发展中，长时期以来积累了大量的资料，充分肯定了一个问题：即核或染色体的遗传作用。但是，对于核以外其它细胞器的遗传作用，却一直没有给予重视，甚至形成一种假象，似乎核以外细胞器的遗传是无足轻重的。这大大地阻碍了细胞遗传学的发展。 其实，早在1909年，也就是孟德尔定律重新被发现后的第九年，在德国发表了两篇研究报告，一篇是Correns关于紫茉莉(Mirabilis)的工作；另一篇是Baur关于天竺葵(Pelargonium)的工作。这两种植物的花色与叶色遗传，均明显地不属于核遗传。以后，其他学者又在月见草属(Oenothera)及柳叶菜属(Epilobium)中观察到类似情况。人们把这一类用孟德尔用豌豆所发现的遗传定律不能解释的遗传现象称为细胞质遗传、母体遗传、单一亲本遗传、非孟德尔遗传、核外或染色体外遗传，或者根据最近的发展，更确切地分为叶绿体遗传及线粒体遗传等等。但是，对这一现象的实质却一直不清楚。直到60年代初，当第一次肯定叶绿体及线粒体中存在DNA之后，关于细胞质遗传的研究才揭开了新的一页。 叶绿体是植物进行光合作用和能量转化的重要细胞器。电子显微镜研究表明，高等植物叶肉细胞与藻类(如小球藻)的叶绿体是一个具有双层膜的片层系统。除去整个叶绿体被双层外膜所包围并与细胞质分离开以外，叶绿体中紧紧压在一起的由许多小片层组成的小体，称为基粒，构成基粒的片层称为基粒片层，又称小类囊体；而围绕在基粒周围的某种颗粒状电子密集较浅的介质称为基质，其中单个与基粒相连的片层称为基质片层，又称大类囊体。整个类囊体均由双层膜构成。基粒中含有定向排列的叶绿素分子，包括叶绿素a与b；基质中则含有大量的酶。 此外，在小球藻的叶绿体中含有造粉体。它的作用不清楚。由于淀粉粒常常存在于造粉体的周围，故设想它可能与淀粉的形成有关。 高等植物中有关叶绿体功能的研究表明，光反应以及有关的光合作用电子传递反应是在基粒片层中进行的，而CO2的固定或光合作用的暗反应则发生在基质区域。离体的菠菜叶绿体经超声波破坏并高速离心后，含有叶绿素的片层沉淀，而无色的基质部分则悬浮于上清液中。片层沉淀能够进行希尔反应及光合磷酸化反应；无色的基质上清液部分含有95%以上的光合作用CO2固定酶——双磷酸核酮糖羧化酶(RuBPC酶)。进一步利用14C标记分析表明，单独用基质部分所固定的14CO2，仅产生微量的磷酸甘油酸——光合作用第一个碳产物；当把片层部分单独同14CO2温育时，也有少量磷酸甘油酸及还原产物发生。但是，如果把基质和基粒片层两部分混合在一起时，则14CO2的固定增加60倍。这个实验清楚地说明，基粒与基质的光合功能是密切联系而不可分割的。 　 (二) 　 第一次明确肯定植物细胞的叶绿体中含有DNA的报道是1962年。此后的许多研究确定高等植物叶绿体DNA为闭合环状双股结构，环状分子的外形长约40μ上下。浮力密度为1.696—1.697gcm3。而它们的核的DNA分子则为线形，浮力密度介于1.691—1.702gcm3之间。二者极为相近，因而，用离心法不易区分。藻类叶绿体DNA的浮力密度均较它们相应的核DNA为轻，在密度梯度中很易区分开来(图3)。 高等植物中每个叶绿体所含DNA总量为2—10×10-15g，而高等植物叶绿体基因的大小为1—2×108道尔顿。这样，每个叶绿体所含的DNA总量，大约相当于10—30个基因的大小。换言之，每个叶绿体中大约含有10—30个基因。当然，这里应该说明，文献中有关这一问题的报道并不是一致的。 从高等植物叶绿体中最早成功地分离出核糖体也是在1962年。当时就发现植物细胞中有两类核糖体：70S与80S。70S核糖体位于叶绿体中，分子量为3×106；80S核糖体位于细胞质中，分子量为4—5×106。在碱基成份方面，叶绿体核糖体RNA与细胞质核糖体RNA也不同。对于抗生素的作用，两种核糖体也表现出特异的反应。例如，氯霉素可抑止70S核糖体中蛋白质的合成却无碍于80S核糖体。相反，环己胺抑止80S核糖体蛋白质的合成却无妨于70S核糖体。利用这个原理，可以研究离体叶绿体的体外活性。 在低浓度的Mg++离子作用下，70S核糖体分解为50S及35S两个亚基，当Mg++浓度恢复时，又可组成70S核糖体；80S核糖体在没有Mg++情况下，需要延长透析分解为亚基60S及40S，当Mg++恢复后则不能再重新组成80S核搪体。 叶绿体核糖体RNA(rRNA)是由叶绿体DNA编码的；同一细胞的细胞质核糖体RNA，则是由核DNA编码的。 除rRNA以外，叶绿体也具有自己的mRNA及tRNA，且各自具有转录、翻译功能。叶绿体mRNA的功能可以通过离体叶绿体合成蛋白质来鉴定，已经证明，豌豆的离体叶绿体能将S35标记的放射性甲硫氨酸掺入到