（生物物理学专业论文）钝顶节旋藻螺旋手性的变异规律与scar分子标记研究.pdf

摘要 一、节旋藻的螺旋手性及其在理化因子影响下的变异规律 本文以1 2 株具螺旋手性和2 株直线形呈手中性的钝顶节旋藻为材料，通过研究 它们的螺旋手性及其取向等特征，及其在温度、盐度、培养基状态及电离辐射等 理化因子影响下的变异规律，取得了以下主要结果：( 1 ) 1 2 株螺旋形钝顶节旋 藻的螺旋手性取向全为左手，且在理化因子等影响下螺旋手性及其取向具有较高 稳定性；即使变直丧失螺旋手性的藻丝回变成螺旋形藻丝后，其取向仍为左手。 这表明，节旋藻的螺旋手性具有内在的偏向性，即其本征手性取向为左手。( 2 ) 节旋藻手性变异，一类可能是源于生理生态水平、较易回变、不可稳定遗传的变异； 另一类可能是源于d n a 水平、可稳定遗传变异。( 3 ) 节旋藻螺旋手性的缺失与重 建具有不对称性，且回变的时间具有不确定性，回变概率随时间推移变小并渐趋 稳定。( 4 ) 本实验室先前提出的“转座子调控模型 ，可对上述节旋藻手性的 部分变异规律作较好的阐释。 二、不同螺旋手性节旋藻的r a p d 分析与差异d n a 片段克隆 在优化节旋藻r a p d 扩增产物检测方法的基础上，利用r a p d 技术对左手螺 旋的钝顶节旋藻品系s p 1 及其变直呈手中性的藻株s p 1 ( l ) 进行了多态性分析， 并采用二次p c r 法回收了1 0 条多态性d n a 片段，对其克隆测序并作了初步的生 物信息学分析。主要结果如下：( 1 ) 与琼脂糖凝胶电泳相比，聚丙烯酰胺凝胶 电泳的条带更清晰整齐，可分辨的条带数也更多，更能展示出多态性，因此本论 文选用该电泳方法检测节旋藻r a p d 扩增产物的多态性。( 2 ) 1 9 0 组引物( 包括 单引物和引物对) 对s p 1 和s p 。1 ( l ) r a p d 扩增的有效率达n 8 7 9 ，但1 6 7 组有 效引物中只有2 4 组在s p 1 和s p i ( l ) 间呈现出多态性。这些多态性d n a 片段中可 能包含与节旋藻螺旋手性相关的基因信息。( 3 ) 选择1 0 条多态性明显的d n a 电 泳带( 编号0 1 1 0 ) 进行二次p c r 法回收，并通过克隆测序及b l a s t x 等生物信 息学分析显示，0 2 号为未知新序列，0 1 号、0 5 号和0 7 号所对应的蛋白与细胞膜 壁有关，0 3 号与震颤运动相关，0 6 号与核酸代谢相关，0 8 号和1 0 号与氮素代谢有 关，而0 4 号和0 9 号为假想蛋白，无相关的功能信息。 三、基于r a p d 的节旋藻螺旋手性相关s c a r 分子标记的研究 依据上述在s p 1 和s p 1 ( l ) 中1 0 条多态性d n a 片段( 编号0 1 1 0 ) 的序列， 通过p r i m e rp r e m i e r5 0 软件搜索与评价，设计了含全部或部分r a p d 随机引物、 长度为2 0 - 2 5m e r 的s c a r 引物( 对应编号s c 0 1 s o l 0 ) ，进而在原藻株及其它藻 株中进行多态性验证，筛选出与节旋藻螺旋手性相关的d n a 片段或基因，并作 生物信息学分析。主要结果如下：( 1 ) 在用于验证的5 对左手性螺旋和手中性对 应的藻株 s p 一1 和s p - 1 ( l ) 、s p 一3 和s p - 3 ( l ) 、s p - 3 和s p - 3 ( l ) l 、s p - 1 0 和s p - 1 0 ( l ) 、 s p 一1 2 和s p 1 2 ( l ) 】，以及3 株左手螺旋藻株 s p 一8 、s p - 9 $ i s p 一1 ( l 专s ) 】中，只有s e 0 5 保持能区分藻丝为螺旋手性和手中性的多态性，l i i s c 0 5 在螺旋手性藻丝中无扩增 条带，而在手中性藻丝中有。因此，s c 0 5 为从r a p d 标记转化成功的s c a r 标记， 其扩增产物很可能是与节旋藻螺旋手性相关的d n a 片段或基因。( 2 ) s c 0 5 扩增 产物的长度为5 2 7b p ，从3 0 位碱基起有1 个含起始密码子的正向o r f ，对应1 6 5 个 氨基酸，所编码的蛋白质与细菌中硫酸酯酶同源物a t s g 的前1 6 5 位氨基酸具有较 高相似性( 6 3 ) ，且含有1 个硫酸酯酶家族的保守结构域，因而将这一在节旋 藻中的硫酸酯酶同源物a t s g 的类似物记为a t s g s p 。( 3 ) a t s g s p 参与节旋藻细 胞硫酸化多糖合成与代谢等重要生物学过程，而硫酸化多糖是组成节旋藻细胞壁 与外鞘套的主要成分之一，它对节旋藻螺旋手性结构的形成与维持等起着重要作 用，因而a t s g s p 很可能参与节旋藻螺旋手性的形成与调控。 关键词：钝顶节旋藻，螺旋手性，变异规律，r a p d ，s c a r ，分子标记，硫酸 酯酶 a b s t r a c t 1 t h eh e l i c a lc h i r a f i t yi na r t h r o s p i r aa n di t sv a r i a t i o nl a wu n d e rt h ei n f l u e n c eo f p h y s i c a la n dc h e m i c a lf a c t o r s t h eh e l i c a lc h i r a l i t ya n di t so r i e n t a t i o no f12s t r a i n sw i t hs p i r a lf i l a m e n ta n d2 一s t r a i n s 诵廿1l i n e a rf i l a m e n ti na r t h r o s p i r ap l a n t e n s i sw e r es t u d i e d m o r e o v e r ，t h e i r v a r i a t i o nl a w su n d e rt h ei n f l u e n c eo fp h y s i c a la n dc h e m i c a lf a c t o r s ，i n c l u d i n g t e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y ，m e d i u ms t a t u sa n di o n i z i n gr a d i a t i o n ，w e r ei n v e s t i g a t e d t h e m a i nr e s u l bw e r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t h eh e l i xo r i e n t a t i o no ft h e12h e l i c a ls t r a i n so f a r t h r o s p i r ap l a t e n s i sw e r ea l ll e f t - h a n d e da n ds h o w e dh i g h e rs t a b i l i t yu n d e rt h e i n f l u e n c eo fp h y s i c a la n dc h e m i c a lf a c t o r s ；a n de v e ni ft h et r i c h o m ew h i c hb a c a m e l i n e a ra n dl o s th e l i c a lc h i r a l i t yt u r n e db a c ki n t oh e l i x ，t h eh e l i xo r i e t a t i o nw e r es t i l l l e f t - h a n d e d t h e s er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e r ew a sa ni n h e r e n tb i a si nt h eh e l i c a l c h i r a l i t yi na r t h r o s p i r a ，a n di t si n t r i n s i co r i e n t a t i o nw a sl e f t h a n d e d ( 2 ) o n et y p eo f t h ev a r i a t i o no fh e l i c a lc h i r a l i t yi na r t h r o s p i r am i g h tb ed u et op h y s i o l o g i c a la n d e c o l o g i c a lc h a n g e s ，w h i c hw a se a s i e rt or e v e r s ea n dw a sn o ta b l et oi n h e r i ts t e a d i l y ； t h eo t h e rw a sd e r i v e df r o md n av a r i a t i o na n dc o u l di n h e r i ts t e a d i l y ( 3 ) t h el o s so f t h eh e l i c a lc h i r a l i t ya n di t sr e b u i l d i n gi na r t h r o s p i r aw e r eo fa s y m m e t r y ，a n dt h et i m e o fr e v e r s a lw a su n c e r t a i n tw i t l lt h ep r o b a b i l i t yo fr e v e r s a lb e c a m ed e c r e a s ea n dt h e c h i r a l i t ys t a b i l i z e dg r a d u a l l ya st i m ew e n tb y ( 4 ) p a r t so ft h ea b o v ev a r i a t i o nc o u l d b ew e l li n t e r p r e t e db yt h e ”t r a n s p o s o n r e g u l a t i o nm o d e l ”p r e v i o u s l yp r o p o s e db yo a r 2 r a p da n a l y s i so fa r t h r o s p i r as t r a i n sw i t hd i f f e r e n tc h i r a l i t ya n dt h e p o l y m o r p h i cd n as e q u e n c i n g t h e p o l y m o r p h i ca n a l y s i sb e t w e e nl e f t - h a n d e dh e l i c a ls t r a i ns p - 1a n d i t sv a r i a n t l i n e a rs t r a i ns p - i ( l ) w a sp e r f o r m e d 、析mr a p dt e c h n o l o g y ，b a s e do nt h eo p t i m i z e d m e t h o dt h a td e t e c t e dr a p dp r o d u c t si na r t h r o s p i r a t h e n10p o l y m o r p h i cd n a f r a g m e n t sw e r er e t r i e v e db yu s i n gs e c o n d - p c r ，a n dw e r e f u r t h e rc l o n e da n d s e q u e n c e d a n di n i t i a lb i o i n f o r m a t i o na n a l y s i sw a sc o n d u c t e d t h em a i n r e s u l t sw e r e i i i a sf o l l o w s ：( 1 ) c o m p a r e dt ot h ea g a r o s eg e le l e c t r o p h o r e s i s ，t h ep o l y a c r y l a m i d eg e l e l e c t r o p h o r e s i sc o u l do b t a i nc l e a r e r , n e a t e ra n dm o r en u m e r o u sb a n d s ，a n dw a sb e t t e r t os h o wt h ep o l y r n o r p h i s m t h u si tw a sc h o s e nt od e t e c tr a p dp o l y m o r p h i s mi n a r t h r o s p i r ai nt h i ss t u d y ( 2 ) a m o n gt h e 19 0 g r o u p so fp r i m e r su s e di nr a p d a n a l y s i sb e t w e e ns p 一1a n ds p 一1 ( l ) ，t h ee f f e c t i v er a t eo f p r i m e r sw a s8 7 9 ，h o w e v e r , t h e r ew e r eo n l y2 4g r o u p sa m o n gt h e16 7g r o u p so fe f f e c t i v e p r i m e r ss h o w e d p o l y m o r p h i s mb e t w e e ns p - 1a n ds p - 1 ( l ) s o m eo ft h ep o l y m o r p h i cd n af r a g m e n t s m i g h tc o n t a i ng e n e t i ci n f o r m a t i o nr e l a t i n gt oh e l i c a lc h i r a l i t yi na r t h r o s p i r a ( 3 ) 10 s i g n i f i c a n tp o l y r n o r p h i cd n af r a g m e n t s ( n o 0 1 1 0 ) w e r ec h o s e nt ob er e t r i e v e db y u s i n gs e c o n d - p c r , a n dw e r ec l o n e da n ds e q u e n c e d t h er e s u l t so fb i o i n f o r m a t i o n a l a n a l y s i s ，s u c ha sb l a s t x ，s h o w e dt h a t ：t h ep r o t e i n sc o r r e s p o n d e dt ot h en o 01 ，0 5 a n d0 7d n af r a g m e n t sw e r ea s s o c i a t e dw i t he e l lw a l lo rm e m b r a n e ；0 3w i t ht h r i l l m o t i o n ；0 6a n d0 8w i t hn m e t a b o l i s m ；0 4a n d0 9w e r eh y p o t h e t i c a lp r o t e i nw i t h o u t f u n c t i o n a li n f o r m a t i o nr e l a t e d 3 s t u d i e so ns c a rm o l e c u l a rm a r k e r sr e l a t e dt ot h eh e l i c a lc h i r a l i t yo f a r t h r o s p i r ab a s e do nr a p d a c c o r d i n gt ot h es e q u e n c e so ft h ea b o v e10p o l y r n o r p h i cd n af r a g m e n t s ( n o 01 10 ) b e t w e e ns p - 1a n ds p - 1 ( l ) ，s c a rp r i m e r s ( n o s c 01 s cl0c o r r e s p o n d i n g ) w e r ed e s i g n e db yp r i m e rp r e m i e r5 0s o f t w a r e e a c ho ft h e mc o n t a i n e da l lo rp a r to f r a p dr a n d o m p r i m e r sw i t hl e n g t ho f2 0 - 2 5m e t t h e nt h e yw e r et e s t e df o r p o l y m o r p h i s mi nt h eo r i g i n a la n do t h e rs t r a i n st os c r e e no u tt h ed n af r a g m e n t so r g e n e sa s s o c i a t e d 、析t 1 1t h e h e l i c a l c h i r a l i t yi na r t h r o s p i r aw h i c hw e r ef u r t h e r p e r f o r m e db i o i n f o r m a f i o na n a l y s i s t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：( 1 ) a m o n gt h e f i v e p a i r so fl e f t h a n d e dh e l i c a la n dt h ec o r r e s p o n d i n gl i n e a rs t r a i n s 【s p - 1a n d s p 一1 ( l ) ，s p - 3a n ds p - 3 ( l ) ，s p 一3a n ds p - 3 ( l ) 1 ，s p 一1 0a n ds p 一1 0 ( l ) ，s p - 1 2a n d s p 一12 ( l ) 】u s e dt ot e s ts c a rp r i m e r s ，a sw e l la st h et h r e el e f t h a n d e dh e l i c a ls t r a i n s s p 一8 ，s p - 9 ，a n ds p - 1 ( l 专s ) 】，o n l yt h ep r i m e rs c 0 5m a i n t a i n e dt h ep o l y m o r p h i s m b e t w e e nt r i c h o m e sw i t hh e l i c a la n dn e u t r a l c h i r a l i t y t h a ti s ，t h e r ew a sn oa m p l i f i e d p r o d u c to fs c 0 5i nt h eh e l i c a lt r i c h o m e s ，w h i l et h e r ew a si nt r i c h o m e sw i t hn e u t r a l 烈 c h i r a l i t y t h e r e f o r e ，s c 0 5w a sas u c c e s s f u ls c a rm a r k e rt r a n s l a t e df r o mr a p d m a r k e r ，w h o s ea m p l i f i e dp r o d u c tw a sl i k e l yt ob et h ed n af r a g m e n to rg e n er e l a t e d t oh e l i c a lc h i r a l i t yi na r t h r o s p i r a ( 2 ) t h ea m p l i f i e dp r o d u c to f s c 0 5i s5 2 7b p ，a n d c o n t a i n saf o r w a r do r f 、析也i t ss t a r te o d o na tt h e3 0 t hb a s e c o r r e s p o n d i n gt o16 5 a m i n oa c i d s ，t h ee n c o d e dp r o t e i nh a sh i 曲s i m i l a r i t y ( 6 3 ) w i t ht h eb a c t e r i as u l f a t a s e h o m o l o g u ea t s ga tt h ep r e v i o u s16 5a m i n oa c i d sa n dc o n t a i n sac o n s e r v e dd o m a i no f s u l f a t a s ef a m i l y t h e r e f o r e ，t h i sa n a l o g u ei na r t h r o s p i r as i m i l a rt ot h es u l f a t a s e h o m o l o g u ea t s gw a sr e c o r d e da sa t s g s p ( 3 ) a t s g s pw a si n v o l v e di n t h e s y n t h e s i sa n dm e t a b o l i s mo fs u l f a t e dp o l y s a c c h a r i d ea n do t h e ri m p o r t a n tb i o l o g i c a l p r o c e s s e si na r t h r o s p i r ac e l l s ，w h i l et h es u l f a t e dp o l y s a c c h a r i d ew a so n eo ft h em a j o r c o m p o n e n t so f t h ec e l lw a l la n do u t e rs h e a t hs t r i c h o m e si na r t h r o s p i r aa n dp l a y e da n i m p o r t a n tr o l ei nf o r m a t i o na n dm a i n t e n a n c eo ft h es t r u c t u r eo fh e l i c a lc h i r a l i t yi n a r t h r o s p i r a t h e r e f o r e ，a t s g - s pw a sv e r yl i k e l yt ob ei n v o l v e di nt h ef o r m a t i o na n d r e g u l a t i o no f t h eh e l i c a lc h i r a l i t yo f a r t h r o s p i r a k e yw o r d s ：a r t h r o s p i r ap l a t e n s i s ，h e l i c a lc h i r a l i t y , v a r i a t i o nl a w , r a p d ，s c 眠 m o l e c u l a rm a r k e r , s u l f a t a s e v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得一迸望盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年 月日签字日期：年月日 致谢 两年半的研究生生活已接近尾声，回首这近1 0 0 0 个日日夜夜，心中既感慨 又欣喜：感慨于生活的忙碌、学业的繁重，欣喜于它们赋予我积极进取的品性、 乐观稳健的心态和全面提升的素质。在本论文即将付梓之际，真诚的感谢所有伴 我和助我成长的良师益友。 首先要感谢的是我的导师汪志平博士，他严肃的科学态度，严谨的治学精神， 精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从论文题目的选择到论文的撰写 修改，汪老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。两年多来，汪老师不仅在 学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨 向汪老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在学习和论文研究过程中，得到了本所陈子元院士、华跃进所长、沈圣泉书 记、徐步进教授、叶庆富教授、崔海瑞教授、张明龙副教授、黄建中副教授、傅 俊杰副教授、孙志明老师、赵小俊老师、柴立红老师等本所所有老师对我的关心 和支持，在此向他们致以深深的谢意。 感谢本所尹龙飞博士、孙宗涛博士、许光治博士、陆辉明博士、赵海军博士、 洪隽博士、肖鹏硕士、周屹峰硕士、刘继业硕士等学友在学习与工作方面给予的 大力支持。也要感谢室友李振硕士、周禹硕士、王治舟硕士在生活和学习上的照 顾和帮助。 感谢本实验室师兄黄晖硕士、李雪斌硕士、张巧生硕士，以及谢彦广硕士、 董丹丹硕士、邵斌硕士、王景梅硕士、蓝瑾瑾硕士和龙治坚同学，正是由于你们 的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别 感谢党江波同学，在我的研究生生涯中他给予不少精神上和生活上的鼓励和支 持。 最后，特别感谢我的父母亲和两个妹妹一直以来对我的理解与支持，他们的 无私关爱也给了我克服困难的勇气和动力，使我能够顺利完成学业。 谨以此文献给所有关心和帮助过我的老师、同学及亲朋好友，致以我真挚的 谢意! 潘剑用 2 0 1 0 年3 月于华家池 本研究创新之处： ( 1 ) 通过研究发现节旋藻的螺旋手性的本征取向为左手；螺旋手性的缺失 与重建具有不对称性；回变的时间具有不确定性，回变概率随时间推移变小并渐 趋稳定。 ( 2 ) 通过研究得到了一个与节旋藻螺旋手性相关的s c a r 标记s e 0 5 ，其o r f 为硫酸酯酶同源物a t s g 的类似物，参与节旋藻螺旋手性的形成与调控。 v i 浙江大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 手性( c h i r a l i t y , h a n d e d n e s s ) 一词源于希腊词“手 z c t p ( c h e i r ) ，指左手与 右手的差异特征，即左右不对称性。手性及手性物质有两类：左手性和右手性。 有时为了对比，另外加上一种无手性( n oc h i r a l i t y ) 作参照，可称之为“中性手 性 或“手中性 ( 刘华杰，2 0 0 5 ) 。左手性用l e a r u s 或者l 表示，右手性用d e x t e r 或者d 表示，中性手性用m 表示。手性是生命的主要特征之一，与生命有关的许 多分子都具有手性。地球上所发现的天然氨基酸分子多见于左旋，天然蛋白质都 由左旋型氨基酸组成，蛋白质二级结构中的q 螺旋多为右手螺旋结构；而d n a 的二级结构多数也为右手螺旋结构。生命物质的手性差异，会使生物体对不同的 手性物质表现出不同的反应。例如，人的嗅觉系统是由特定手性的受体分子构成， 对努特卡酮两种对映体的柚香感觉相差可达7 5 0 倍之多( 宋心琦，2 0 0 1 ) 。 自然界中的许多生物都具有左右不对称性。异蕊花属植物h e t e r a n t h e r a m u l t i f i o r a 的对生花柱有固定的偏向( j e s s o n & b a r r e t t ，2 0 0 2 a ，2 0 0 2 b ) ；绝大多数 寄居蟹有左旋的盘绕腹部和右侧缩小的不对称尾扇( h a r v e y ，19 9 8 ) ，蜗牛壳通 常是右旋的，而贝壳的螺旋也大多是右手性。脊椎动物在胚胎发育过程中，第三 轴即不对称轴( 又称左右轴) ，始终参照机体另两个基本轴进行定向。胚胎成熟 后便明显地呈现出沿左右轴的不对称性，其心脏、肠胃等内部器官均有特征性的 不对称结构，且不对称地分布于体腔内。通过对小鼠和斑马鱼突变体，以及人类 遗传性偏侧缺陷综合症的研究，发现某些特定基因在左右轴发育过程中起着重要 的控制作用( c a p d e v i l a e ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 1 生物螺旋手性概述 螺旋形结构是一种具有手性的结构，它广泛存在于微观和宏观的生物世界 中。在微观层面，螺旋形结构甚至被誉为“生命的结构 ( 赵玉芬，1 9 9 9 ) ，多 糖、蛋白质、核酸3 种生物大分子中均存在这种结构，且其手性具有明显的偏向 性。淀粉链倾向于形成有规则的左手螺旋构象，并可进一步折叠成双螺旋结构。 蛋白质二级结构中，多肽链可折叠形成仅螺旋和d 折叠结构，大多数o 【一螺旋是右 手性的，最稳定的b 折叠股构象也具有轻度右手扭曲的倾向。组成0 【角蛋白中的 原纤维是由三股右手a 螺旋向左缠绕形成的，而组成胶原蛋白的原胶原分子恰好 浙江大学硕士学位论文第一章文献综述 与之相反，由三股左手螺旋链形成右手螺旋。d n a 的二级结构为双螺旋结构， 其中三种构象a - d n a 、b d n a ( 活性最高的构象) 和c d n a 都是右手螺旋的： 而z d n a 的左手螺旋，但在生物体内并不多见：双螺旋d n a 还可折叠成超螺旋 结构，其中天然环状d n a 一般都以左手螺旋的负超螺旋构象存在( 王镜岩等， 2 0 0 2 ) 。 宏观层面的螺旋形主要表现为生物体的形态特征，如原核生物幽门螺旋杆菌 和螺旋藻、攀缓和缠绕植物的茎蔓及卷须、甲壳纲动物贝壳和蜗牛的外壳等，都 具有螺旋状的形态。除了这些直观的螺旋形态外，在纷繁复杂的自然界中还有很 多隐形的螺旋形态。扭曲排列的花瓣便是一种形式的螺旋现象，如果将这些花瓣 的边缘描绘出来，它们将呈现出顺时针或逆时针方向的扭曲。这种扭曲的方向在 某些种属中是固定的，如白花曼陀罗( d a t u r a s t r a m o n i u m ) 的为逆时针方向，夹 竹桃的为顺时针方向；但同科植物的扭曲方向不一定相同( e n d r e s s ，2 0 0 1 ) 。许 多植物如烟草、拟南芥的叶子从基部到顶端排列成螺旋状。在拟南芥的胚胎发育 过程中，叶序的手性在两片子叶还未完全对称地形成时就己随机地确定 ( w o o d r i c ke ta 1 2 0 0 0 ) 。有些植物的花序也呈螺旋状排列，如芦苇( s p i r a n t h e s a u s t r a l i s ) 。这种花序方向是发育的结果，若一个左旋或者右旋花序的个体白花 授粉，其后代中左旋与右旋花序所占比例将基本相等( c a l l o s & m e d f o r d ，1 9 9 4 ) 。 值得提及的是，关于螺旋手性的判别上世纪7 0 年代曾出现分歧。如对于牵牛 花( p h a r b i t i sn i l ) 茎蔓的螺旋方向，现在人们已一致认为是右旋的，而在当时有 人将它描述成左旋的( k a h a r e k1 9 7 2 ) ，他们是从螺旋内部来观察鉴别螺旋方向 的。如图1 1 a 所示，如果观察者沿着螺旋状楼梯往上爬时是绕着左手旋转的，就 认为这个螺旋是左旋的，反之亦然；而另一部分人从外部来判别便得到与其相反 的手性方向。此后学术界对这个问题达成了共识，对螺旋方向的判断，观察者应 置身于螺旋外，并用手指的握向来判别，即通过左右手来判别( h a s l l i m o t o ，2 0 0 2 ) 。 其判别方法类似于物理学中的“右手定则 ，具体定义为：大姆指沿着螺旋的轴 向伸开，其余四指握住螺旋，如果螺旋前进( 上升) 方向与左手四指旋转方向( 由 手掌到指尖的方向) 一致，则此螺旋为左手性，反之为右手性( 图1 1 b ) 。而直 线形可认为是无手性的，也可称为手中性。 一2 一 浙扛大学砸学位论文 第一章文# 综述 目i l 目 左手螺旋于中性右手螺旋 掣9 f 目l 箩 ； 一7 ， 图1 1 螺旋手性的判断 f i g u r e li t h e j u d g e m e n t o f h e l i c a ic h i r a l i t y a ：错误的螺旋手性判断方法，b ：正确的螺旋手性判断方珐 2 攀缘和缠绕植物螺旋手性的研究进展 2 1 攀缘和缠绕植物螺旋手性的分布特性 自然界中存在许多手性分布不均匀性现象，或称手性优择( c h i r a lp r e f e r e n c e ) ( l u b k i n ，1 9 9 4 ) ，生物世界中的螺旋手性也不例外，如上述3 种生物大分子中的 螺旋结构多为右手性，而攀缘和缠绕植物也以右手螺旋居多。攀缘和缠绕植物的 螺旋手性特征历来就吸引了不少生物学家的关注。早在1 9 世纪，d a r w i n ( 1 8 6 5 ) 就曾描述过4 2 种攀缘植物的手性，发现其中有3 1 种具有左手性，进而推断右手性 缠绕植物比左手性的多些。c o o k ( 1 9 1 4 ) 在为英国皇家植物园丘园( k e w g a r d e n ) 鉴定标本时发现，收集到的2 4 种攀援植物中有1 8 种表现出右手性。然而 对于d a r w i n 的推断，一直以来都缺乏大样本的统计数据。直塑j 2 0 0 7 年，e d w a r d s 等( 2 0 0 7 ) 调查了全球范围的攀援植物的螺旋手性，他们选择了南北半球6 5 咕# 度内的9 个国家的1 7 个地方，记录髓机遇到的f i i f l 0 0 株植物自然生长状态下的螺旋 手性。结果发现：1 4 8 5 株攀援植物中有9 2 为右手螺旋，与随机分布呈极显著差 异( p 00 1 ) ，从而充分地验证了达尔文的推断。 d a r w i n ( 1 8 6 5 ) 还曾推断：( 1 ) 同科的植物偶尔有手性相反者，如豆科和 爵床科：( 2 ) 从未见到同属的两种植物手性相反如果有的话一定罕见；( 3 ) 同种的不同个体有不同的手性，可能是一种反常现象( 如何首乌p o l y g o n u m 浙江大学硕士学位论文第一章文献综述 m u l t i f l o r u m ) 。上述第( 1 ) 、( 3 ) 条推断后来基本上被大家所确证，而第( 2 ) 条中的“罕见 现象，刘华杰( 2 0 0 5 ) 就发现紫藤属有不同手性的种，北京大学、 北京中山公园里的都是右手性的( 中国) 紫藤( w i s t e r i as i n e n s i ) ，而北京新街 口北影厂院内有两株多花紫藤( w i s t e r i a f l o r i b u n d a ) 却是左手性。 有趣的是，同种植物同一个体在茎的不同部位也会有不同的手性。楹藤子 ( e n t a d ap h a s e o l o i d e s ) 的茎同时具有左手螺旋和右手螺旋，因此有个俗名叫“左 右拐”。据“新西兰本地兰花小组”办的兰花杂志第7 1 期专栏文章，兰科绶 草属新西兰绶草( s p i r a n t h e sn o v a e z e l a n d i a e ) 的茎也有两种不同的手性。此外， 也有罕见的随机的手性，如海金沙属蕨类植物的攀缘器官叶子，是不定向 生长的( h a s h i m o t o ，2 0 0 2 ) 。 2 2 攀缘和缠绕植物螺旋手性的形成因素 在漫长的自然进化过程中，螺旋手性的形成也受自然环境的选择。对于攀缘 和缠绕植物螺旋手性形成的自然因素，曾有如下三个假设：( 1 ) 螺旋手性是随 机形成的，不受自然的选择。如果螺旋方向是缠绕植物回旋运动和首次接触到支 持物时的向触应答的一种个体反应，那么它将可能是随机的( d a r w i n , 1 8 7 6 ； d a r w i n & d a r w i n , 1 8 8 0 ) 。( 2 ) 螺旋手性是由植物端顶随太阳运动而形成的。 如果植物的端顶沿着太阳的轨迹运动，那么它的螺旋方向将与该植物所生长的地 理位置直接相关。( 3 ) 螺旋手性是由科里奥利效应( c o r i o l i se f f e c t ) 形成的。 科里奥利效应是指地球表面运动的物体受地球自转偏向力的影响，其运动速度随 纬度增加而减小，表现出北半球所有移动的物体包括气团等向右偏斜，而南半球 的向左偏斜的现象( g i l l ，1 9 8 2 ；p e r s s o n ，1 9 9 8 ) 。这个假设意味着在北半球右旋 的植物生长在南半球后将变为左旋。以上三个假设，均需要以一种较大的尺度在 全球范围进行调查和研究。 为了验证这三个假设，e d w a r d s 等( 2 0 0 7 ) 以地球尺度调查了全球范围的1 4 8 5 株攀援植物的螺旋手性，结果表明9 2 为右手螺旋，与随机分布呈极显著差异( p 0 0 0 1 ) ，因此不支持植物缠绕方向由回旋运动和向触应答所决定的理论，且也 有研究结果表明向触性对此影响很小( k i t a z a w ae ta 1 ，2 0 0 5 ) ；另外与纬度( p = o 3 3 ) 和半球( p = o 6 3 ) 均无相关性，说明其螺旋手性与太阳运动和科里奥利效 4 浙江大学硕士学位论文第一章文献综述 应并无因果关系，故否定了后两个假设。由此e d w a r d s 等得出结论，攀援植物的 螺旋手性现象，不能以植物生长行为及其地理位置来解释，也不是随机形成的。 对于攀缘和缠绕植物的螺旋手性的形成因素，e d w a r d s 等( 2 0 0 7 ) 认为最有可 能的就是其亚细胞水平的微管定向组装功能。对植物根部生长的研究表明，微管 是植物缠绕方向不对称性的可能原因，两项研究显示微管取向的早期发育能够引 起根部以微管阵列倾斜的相反方向螺旋生长( f u r i t a n i e te ta 1 ，2 0 0 0 ；t h i t a m a d e ee t a 1 ，2 0 0 2 ) 。在动物中，结构不对称也与微管的取向与活动有关。微管运动是自然 条件下9 0 以上的蜗牛贝壳为右旋( s c h i l t h u i z e n & d a v i d s o n , 2 0 0 5 ) 和线虫9 9 以 上的内部器官为右旋( w o o d , 1 9 9 8 ) 的基础。因此，从亚细胞和分子水平对微管 和微管蛋白的研究可望从本质上解释攀援植物螺旋手性的成因。而这一方面的研 究近年来在模式植物拟南芥( a r a b i d o p s i st h a l i a n a ) 中取得了突飞猛进的迸展。 3 拟南芥突变体螺旋手性的研究进展 拟南芥是一种理想的分子遗传学研究的模式植物，虽然野生型植株并无螺旋 或卷曲的器官，其花瓣也不像风机叶片那样扭曲排列，但其左右不对称现象可以 通过诱变技术得到。利用快中子、丫射线及e m s 诱变剂等对拟南芥进行诱变处理， 可以获得螺旋状生长的突变植株( 表1 1 ) ，且杂交试验证实这些变异性状能够 稳定遗传，其螺旋状生长的方向或固定或随机，取决于特定的作用基因。 通过研究右手性螺旋生长突变株s p i r a l l 的根及下胚轴细胞各向异性的增大 现象，h a s h i m o t o 课题组( h a s h i m o t oe ta 1 ，2 0 0 2 ；i s h i d ae ta 1 ，2 0 0 7 ) 提出了一个 关于螺旋状生长的模型( 图1 2 ) ：在s p i r a l l 中，芽和根尖的分生细胞通过正常分 裂，进入根和下胚轴的细胞快速伸长区，在中后期伸长区细胞增大速度逐步增加， 突变细胞失去各向异性而辐射状增大，其中内部细胞各向同性的增大程度较强， 以周质细胞为最显著。这种细胞层之间不同程度的各向异性增大导致内层细胞较 短而表皮细胞相对较长。为了抵消突变细胞层纵向长度的差异，最外层的表皮细 胞层并产生扭曲。虽然这个螺旋状生长模式是基于s p i r a l l 细胞不同的增大现象， 但理论上可以延伸至解释任