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第1页，课件共112页，创作于2023年2月二、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第2页，课件共112页，创作于2023年2月启动子上游调节区起点

外显子1

外显子2外显子3RNA-5′DNA一个结构基因终点单顺反子

①真核基因是单顺反子（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。第3页，课件共112页，创作于2023年2月启动子上游调节区起点

基因1

基因2基因3RNA-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条多肽链第4页，课件共112页，创作于2023年2月真核生物rRNA基因结构ETSITS不转录间隔18S5.8S28S45SrNA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。18S5.8S28S第5页，课件共112页，创作于2023年2月核小体DNA核小体螺线管超螺线管染色单体

②真核基因组是以染色体（质）形式存在，小部分DNA是裸露的。第6页，课件共112页，创作于2023年2月DNA(基因)mRNA编码区尾部区起始密码终止密码extronintron前导区

③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。

④真核基因属于断裂基因，编码序列中存在有内含子。第7页，课件共112页，创作于2023年2月

⑤

真核基因转录调控区很大，可远离启动子上千个碱基。

⑥真核基因的表达——转录和翻译存在着时间和空间间隔。

⑦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。第8页，课件共112页，创作于2023年2月原核生物基因表达第9页，课件共112页，创作于2023年2月真核细胞基因表达第10页，课件共112页，创作于2023年2月

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。第11页，课件共112页，创作于2023年2月

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。第12页，课件共112页，创作于2023年2月

基因可分为：

①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；

②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；

③没有翻译产物的基因：RNA基因，转录成为tRNA和rRNA基因；

④不转录的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。第13页，课件共112页，创作于2023年2月基因组：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。第14页，课件共112页，创作于2023年2月

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（structuralgenomics）以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functionalgenomics)第15页，课件共112页，创作于2023年2月

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：6.3×107bp；百合单倍体基因组：1.0×1011bp；第16页，课件共112页，创作于2023年2月

物种碱基对数目/物理长度/cm

（×108bp/细胞）

拟南芥(Arabidopsisthaliana)1.253.8

栽培稻(Oryzasativm)4.313.1

普通小麦(TriticumAestivum)160493

一粒小麦(Triticum

Monococcum)57173

玉米(Zeamays)2370

贝母（Fritillariaassyriaca）10003039

人类(Hemosapiens)31102

大肠杆菌(E.coli)0.0420.14

玉米叶绿体0.00160.006

玉米线粒体0.00570.02一些物种细胞核基因组(二倍体)大小第17页，课件共112页，创作于2023年2月

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（singlecopysequence）和重复序列（repetitivesequence）第18页，课件共112页，创作于2023年2月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10bp的片段；

中度重复序列：几十到上千次，约300~500bp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（tandemlyrepeatedsequences）：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（dispersedRepeatedSequence）：主要是一些可移位的遗传因子：转座子和逆转录转座子。第19页，课件共112页，创作于2023年2月rRNA基因：ETSITS不转录间隔18S5.8S28S45SrNA前体rRNA基因串联重复，簇之间由不转录间隔分开；18S5.8S28S卫星DNA（satelliteDNA）：动物的卫星DNA富含AT；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第20页，课件共112页，创作于2023年2月叶绿体基因组（chloroplastgenome）：

多数被子植物cpDNA在120~160kb之间；含有87~183个已知基因；烟草86684253391848225339LSCSSCIRAIRBrRNArRNA

4rRNA基因、30tRNA基因、4RNA聚合酶基因、21核糖体蛋白质基因、31光合作用相关基因、40其它蛋白质基因。拟南芥84170262641778026264第21页，课件共112页，创作于2023年2月

植物长度/bpP基因数R基因数GenBank编号拟南芥1544788845NC-000932烟C-001897月见草16395311846NC-002693水C-001320菠C-002202小麦1345458450NC-002762玉C-001666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10~20个类核体（每个可有2~20个DNA分子）。第22页，课件共112页，创作于2023年2月线粒体基因组（mitochondrialgenome）

植物mtDNA长度变异很大，195~2600kb；动物mtDNA为15~18kb；真菌在18~78kb；基因组的大小并不表示基因数量的多少：

拟南芥mtDNA376kb，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。第23页，课件共112页，创作于2023年2月

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。第24页，课件共112页，创作于2023年2月

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 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。第25页，课件共112页，创作于2023年2月

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（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；第26页，课件共112页，创作于2023年2月拟南芥：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3～5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。

第27页，课件共112页，创作于2023年2月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。第28页，课件共112页，创作于2023年2月

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；第29页，课件共112页，创作于2023年2月

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GeneBank：

http///“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/第30页，课件共112页，创作于2023年2月基因的命名：

植物基因命名委员会：

CommissiononPlantGeneNomenclature，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，细胞质基因组基因第31页，课件共112页，创作于2023年2月

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：ABCABC是该基因的产物

Abc+指ABC基因的表型（野生型）；

Abc-指abc基因的表型（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；第32页，课件共112页，创作于2023年2月

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：

①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(complementaryDNA)文库中分别钓出编码该蛋白质的基因与cDNA克隆。第33页，课件共112页，创作于2023年2月克隆与基因组文库的构建第34页，课件共112页，创作于2023年2月文库的构建cDNA第35页，课件共112页，创作于2023年2月

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“钓出”目的基因。

两条来源不同的具有一定同源性（即具有碱基互补关系）的DNA单链分子或DNA单链与RNA分子经退火形成双链DNA分子或DNA-RNA异质双链分子的过程称为核酸分子杂交。第36页，课件共112页，创作于2023年2月核酸分子杂交电泳分离转膜探针杂交放射显影第37页，课件共112页，创作于2023年2月核酸分子杂交操作程序第38页，课件共112页，创作于2023年2月第39页，课件共112页，创作于2023年2月

②根据蛋白质测序结果，合成一对或数对PCR引物，以植物总DNA为模板，扩增出目标基因片段。

以此片段为探针，从基因组文库与cDNA文库中分别钓出编码该蛋白质的基因与cDNA克隆。第40页，课件共112页，创作于2023年2月

③基因产物不明，但知道基因突变后的表型，可用转座子标签法分离基因。

×显性纯合子隐性纯合子

杂合子显性表型

杂合子突变表型隐性突变株正常未突变株基因组文库I基因组文库II转座子探针带转座子DNA片段完整目的基因亚克隆探针第41页，课件共112页，创作于2023年2月

④利用RFLP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。

AB已知基因未知基因步行探针间隔100Kb第42页，课件共112页，创作于2023年2月

⑥核DNA减法克隆。利用缺失突变体与同源亲本1~2DNA片段的差异克隆目的基因。

⑤如果该基因受某种因素诱导表达，可用mRNA差异显示法找到所要克隆的基因。第43页，课件共112页，创作于2023年2月

克隆到基因与cDNA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因结构相似，主要由4个结构区域组成。

5’上游区、5’非翻译区、编码区、3’非翻译区第44页，课件共112页，创作于2023年2月5’上游区5’非翻译区编码区3’非翻译区高等植物基因结构增强子启动子CAATTATACapATG信号肽内含子AATAAA外显子1外显子2多聚腺苷酸终止序列+1第45页，课件共112页，创作于2023年2月

3.15’上游区:

转录起点5’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。

NNNNNNCTCATCANNN+1+78该区域结构特点是：①基因启动区序列中，在转录起点附近有一一致序列（consensussequence）：CTCATCA，其中的一个A为转录起始核苷酸，此A编为+1，转录本中为正数，此A

的上游用负数表示。第46页，课件共112页，创作于2023年2月

在–75附近处常有GC（T/C）CAATCT一致序列，简称CAATbox，确定RNA聚合酶结合部位，具有增强基因转录的作用。

②在上游–327有一段TCACTATATAG一致顺序：简称：TATAbox。

该序列是RNA聚合酶II准确起始转录所必需的。增强子启动子CAATTATACapATG信号肽内含子AATAAA外显子1外显子2多聚腺苷酸终止序列第47页，课件共112页，创作于2023年2月

③在5’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作用的序列——

顺式作用元件（cis-actingelement）

转录起点到CAATbox附近这一区段称为启动子。

GCbox：–110附近的GGGCGG保守序列，确定RNA聚合酶结合部位。第48页，课件共112页，创作于2023年2月

3.25’非翻译区:5’非翻译区增强子启动子CAATTATACapATG信号肽内含子AATAAA外显子1外显子2多聚腺苷酸终止序列

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mRNA加帽位点。第49页，课件共112页，创作于2023年2月

3.3编码区:

起始密码到终止密码之间的序列。有时专指外显子（extron）部分。

①多数植物基因转录本5’有一个起始密码AUG，少数植物5’有4个AUG，但真正起始密码是第四个。

翻译起点的共有序列：植物：C（G）AANNATGG

动物：A（G）----NNATGG

第50页，课件共112页，创作于2023年2月转录的基本原则——碱基互补：A=TG=CA=U第51页，课件共112页，创作于2023年2月

也称“GT-AG法则”

③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···AG

GTAAGT

···内含子···

TCNAG

G···外显子

②外显子中4种碱基比例：

单子叶植物：AT

含量43%；双子叶植物：AT

含量54%；CapATG信号肽内含子AATAAA外显子1外显子2多聚腺苷酸AGGTAAGTNCAGG第52页，课件共112页，创作于2023年2月

内含子共有4种，具有核酶性质：

I类内含子：主要存在于rRNA和质体tRNA基因中，中间部分高度保守；

II类内含子：主要存在于线粒体和质体mRNA基因中，拼接点的序列高度保守；

III类内含子：主要存在于核mRNA基因中；

IV类内含子：存在于核tRNA基因中；第53页，课件共112页，创作于2023年2月

3.43’非翻译区:3’末端有转录本mRNA的加尾信号：AATAAAA98A86T98A98A95A96

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。

3种终止密码使用的频率为：

单子叶植物：TGA46%，TAA28%，TAG26%

双子叶植物：TAA46%，TGA36%，TAG18%第54页，课件共112页，创作于2023年2月前导区编码区尾部区DNA+1起始密码终止密码信号肽序列加尾信号mRNA5’端帽子结构m7G5’PPP5’NP3’端polyA尾巴

20~200base真核细胞mRNA的结构第55页，课件共112页，创作于2023年2月

4植物基因的表达调控

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因，从而实现“预定”的、有序的、不可逆的分化、发育过程;

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。

第56页，课件共112页，创作于2023年2月大肠杆菌乳糖操纵子结构

根据调控的性质可分：

①瞬间调控——可逆调控。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，对细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。第57页，课件共112页，创作于2023年2月

②生长发育调控——不可逆调控。真核基因调控的精髓部分，基因按“预定”的时、空顺序表达，从而实现生长、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（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。

持家基因（管家基因）；时、空专一性表达基因；环境因素诱导表达基因；第58页，课件共112页，创作于2023年2月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，因此常存在于生物细胞核的常染色质中。

持家基因(house-keepinggenes)：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处于活性转录状态的基因。第59页，课件共112页，创作于2023年2月

持家基因的表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而不受其他机制调节。在组成型启动子调控下，不同组织器官和发育阶段的基因表达没有明显差异。

目前使用最广泛的组成型启动子是花椰菜花叶病毒（CaMV）35S

启动子、来自根癌农杆菌Ti质粒T-DNA区域的冠瘿碱合成酶基因启动子（Nos、Ocs启动子），后者虽来自细菌，但具有植物启动子的特性。第60页，课件共112页，创作于2023年2月

由于组成型启动子驱动的基因在各组织中均有一定程度表达，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，以更好地调控植物基因表达。第61页，课件共112页，创作于2023年2月

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、物理信号为基础，通过组织特异性启动子活动实现的。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累，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，组织特异性启动子成为近年研究的热点。第62页，课件共112页，创作于2023年2月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。

环境因素诱导表达基因是在某些特定的物理或化学信号的刺激下，通过诱导型启动子活动实现的。天然诱导型启动子包括光、温度、激素应答启动子等。

目前已经分离了光诱导表达基因启动子、热诱导表达基因启动子、创伤诱导表达基因启动子、真菌诱导表达基因启动子和共生细菌诱导表达基因启动子等。

第63页，课件共112页，创作于2023年2月确定某种基因在何种组织专一表达的方法：

①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mRNA，进行Northern杂交。

Northern杂交技术用于检测特异性mRNA的存在。mRNA样品经电泳分离后，转移到硝酸纤维素膜上，与DNA探针进行杂交，即可检测特异性mRNA分子在样品中存在与否，量的多少。第64页，课件共112页，创作于2023年2月

限制性酶切

电泳

同位素探针杂交

放射自显影

转膜mRNA

第65页，课件共112页，创作于2023年2月mRNA电泳DNAprobe

转膜

Northern杂交技术广泛用于研究特异性mRNA分子在细胞处于不同条件下发生量和质的变化，或不同组织器官中基因表达的差异。第66页，课件共112页，创作于2023年2月

②Northern原位杂交

指在细胞、组织切片上直接进行分子杂交，通过检测细胞内特异mRNA

的存在与否来了解哪些细胞中有特异基因的表达。

整个过程包括材料的预处理、细胞固定、细胞的DNase酶解（降解DNA，减少非特异性杂交）杂交、检出。第67页，课件共112页，创作于2023年2月

③将待测基因的启动子序列与一报告基因的编码区及3’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，检测报告基因在何种组织与细胞中表达。常用的报告基因有：GUS基因、Nos、Ocs基因等。葡萄糖苷酸酶；X-Glucuionicacid（5-bromo-4-chloro-3-indoyl—glucuronicacid）第68页，课件共112页，创作于2023年2月GFP荞麦细胞色素的可溶区段（红色）第69页，课件共112页，创作于2023年2月

④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。（

Western蛋白质杂交技术)第70页，课件共112页，创作于2023年2月4.1器官、组织专一性表达的基因②HRGP基因：

编码富含羟脯氨酸糖蛋白(Hydroxyproline-richglycoproteinHRGP)，主要在茎栅状细胞、表皮细胞中表达。①rbcS

基因：

编码Rubisco小亚基，在叶肉细胞、保卫细胞、中脉与绿色组织细胞中表达。

第71页，课件共112页，创作于2023年2月

③P2基因：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。

④PAL2基因：编码PAL，参与花色素形成，只在花瓣中表达。

⑤Gy4基因：

编码大豆贮藏蛋白，只在胚乳组织中表达。

⑥

Amyl基因：

编码-淀粉酶，种子萌发时，在糊粉层表达。第72页，课件共112页，创作于2023年2月4.2受环境影响而表达的基因①HSP基因：

编码80~90、65~75、15~30kD几种热激蛋白。热胁迫时，HSF单体在核内组装成三聚体，与DNA的HSE（热激元件）结合，刺激HSP-mRNA转录，翻译成HSP。HSP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。

HSP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。第73页，课件共112页，创作于2023年2月热激因子（HSF）循环激发热激蛋白（HSP）mRNA的合成第74页，课件共112页，创作于2023年2月双子叶：20单子叶：11低温诱导基因低温超量表达基因；不包括低量、瞬时表达基因。同工蛋白（isoform）抗冻蛋白（antifreezeproteinAFP）类脂转移蛋白（lipidtransferproteinLTP）胚胎发育晚期丰富蛋白（LEA）②低温诱导基因：

植物经低温诱导能使某些特定的基因活化，表达合成一组新蛋白(Coldacclimationprotein)。

第75页，课件共112页，创作于2023年2月

低温诱导基因品种

基因编码蛋白其他逆境拟南芥

cor

6.6AFP干旱，ABAcor

78NK干旱

cor47D-11LEA干旱，ABAlti

30D-11LEA干旱，ABA油菜

rab18D-11LEA干旱，ABA

Bn115NK

Bn

28AFP大麦

blt4LTP干旱，ABA

blt63EF-laNK

HVA1D-7LEAABA小麦cor39D-11LEA干旱，ABAWcor410D-11LEA干旱，ABA第76页，课件共112页，创作于2023年2月

拟南芥中的冷调节蛋白COR6.6、油菜的BN28蛋白与鱼类抗冻蛋白有同源性，体外实验表明冷调节蛋白能减少冻融过程对类囊体膜伤害。拟南芥叶绿体的CORl5蛋白在体外能有效地防止乳酸脱氢酶因冰冻而失活，其效率较蔗糖高出106倍，较其它蛋白高102倍～103倍。

抗冻蛋白（AFP）:

一种能降低细胞间隙体液冰点的糖蛋白。第77页，课件共112页，创作于2023年2月

③水分逆境诱导的基因：

水分胁迫会诱导一些特定的基因表达，合成新蛋白质——水分胁迫蛋白(waterstressprotein)。这类蛋白质多数是高度亲水的，能增强原生质的水合度，起到抗脱水的作用。

水分胁迫蛋白的功能可能还包括对膜结构的保护、恢复一些蛋白质的活性和形成特定的水、离子通道(如水孔蛋白)，改变或调节液泡和细胞质中的ψs等。第78页，课件共112页，创作于2023年2月

⑤病菌感染诱导的基因：

病原物侵染能刺激植物致病相关基因表达，合成与正常组织不同的新蛋白，称为“病程相关蛋白”（PR）。几丁质酶基因、葡聚糖酶基因、PAL基因、CHS基因等。

④创伤诱导的基因：

植物受伤后一些基因往往被诱导表达，如土豆中的蛋白酶抑制剂II基因，其表达产物抑制多种微生物和昆虫蛋白酶活性。第79页，课件共112页，创作于2023年2月4.3植物基因表达调控机理

（1）调控的特点（方式）：染色质水平的调控；以正调节为主，具有多个调控序列；调控区很大，远离启动子几百至上千个bp；存在多种转录后的调控机制；具有细胞特异性或组织特异性表达；第80页，课件共112页，创作于2023年2月第81页，课件共112页，创作于2023年2月（2）顺式作用元件与基因表达调控

植物基因的调控主要在转录水平上进行，受特定顺式作用元件（cis-actingelement）和反式作用因子（trans-actingfactor）影响。

基因转录所需的顺式作用元件主要是：启动子（promoter）和增强子（enhancer）；第82页，课件共112页，创作于2023年2月启动子：

核心启动子(corepromoter)：

是决定转录起始位置的关键序列，也是普通转录因子TFⅡD的结合位点。①TATAbox：位于转录起始点上游25～

30bp。②起始子(initiator，Inr)：是与转录起始位点重叠的短的较保守序列．

与基因转录启动有关的一组DNA序列，位于转录起始点上游

100~200bp以内，其功能是决定转录的起始位点和调控转录频率。第83页，课件共112页，创作于2023年2月

上游启动子元件：（UpstreamPromoterelement，UPE）位于较上游(30~

110bp)，能较强影响转录起始的频率，如CAATbox和GCbox。其中GC盒是转录因子SPl的结合位点。

组成型启动子(constitutivepromoter)：是指在该类启动子控制下，结构基因的表达大体恒定在一定水平上，在不同组织、部位表达水平没有明显差异。花椰菜花叶病毒（CaMV）35S启动子；胭脂碱合成酶基因Nos启动子（具有植物启动子特性）启动子的分类：第84页，课件共112页，创作于2023年2月

组织特异启动子(tissue-specificpromoter)：又称器官特异性启动子。在这类启动子调控下，基因往往只在某些特定的器官或组织部位表达，并表现出发育调节的特性。

例如烟草的花粉绒毡层细胞中特异表达基因启动子TA29，豌豆的豆清蛋白（leguimin）基因启动子可在转化植物种子中特异性表达，马铃薯块茎储藏蛋白（patatin）基因启动子在块茎中优势表达。

第85页，课件共112页，创作于2023年2月

根特异启动子：根特异表达系统可用于研究转基因植物的高渗胁迫耐受、植物修复和根际分泌等问题。

茎特异启动子：茎中特异表达基因的启动子，不仅可从分子水平了解茎的发生、分化过程，更重要的是利用这些启动子调节植物代谢可满足人类需求，如人们对木质素生物合成及其调控的研究。

叶特异启动子：花特异启动子：果实、种子特异性启动子：第86页，课件共112页，创作于2023年2月

诱导型启动子(induciblepromoter)：是指在某些特定的物理或化学信号的刺激下，该种类型的启动子可以大幅度地提高基因的转录水平。如、热、创伤、真菌诱导表达基因启动子和共生细菌诱导表达基因启动子等。

天然诱导型启动子

包括光、温度、激素应答启动子等。在进化过程中，植物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。利用这些环境应答基因的启动子与抗逆基因融合，从而使转基因植物更好地适应逆境。第87页，课件共112页，创作于2023年2月人工构建的诱导型启动子

目前研究最多的是化学诱导表达系统。一个理想的化学诱导表达系统应具备以下特点：

（1）外源基因在植物体自身不表达或低水平表达，当添加诱导物后，高效诱导基因表达；（2）诱导物需要有较强的专一性；（3）诱导物可快速启动基因表达的“开”与“关”；而且诱导物对植物无毒或低毒。第88页，课件共112页，创作于2023年2月①增强效应十分明显；可使基因转录频率增加10~100倍，有的可达上千倍；

②增强效应与其位置和取向无关；

增强子提高同一条DNA链上基因转录效率，可以远距离起作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。增强子的作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用。

增强子（enhancer）：

能显著提高基因转录效率的一类顺式调控元件（其核心序列常为8~12bp)，其作用特点：

第89页，课件共112页，创作于2023年2月

③增强子没有基因专一性；

增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性。但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录。

当增强子移位时，能提高新位置周围基因的转录。使某些癌基因转录表达增强，可能是肿瘤发生的因素之一。

第90页，课件共112页，创作于2023年2月

第91页，课件共112页，创作于2023年2月

④增强效应有组织和细胞专一性；

增强子必须与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用。增强子一般具有组织或细胞特异性，许多增强子只在某些细胞或组织中表现活性，是由这些细胞或组织中具有特异性蛋白质因子所决定的。

⑤许多增强子还受外部信号的调控；

如热激蛋白基因的表达。金属硫蛋白基因上游增强子能对环境中的锌浓度做出反应。第92页，课件共112页，创作于2023年2月应答元件(responsiveelements)

真核细胞中对某些特定的环境作出应答的基因，常具有相同的顺式元件—应答元件。RNAPolⅡ的诱导型转录因子结合部位。沉寂子(silencer)：负调控元件——是能抑制基因表达的序列，使基因沉默。第93页，课件共112页，创作于2023年2月（3）反式作用因子与基因调控反式作用因子(trans-actingfactor)

是通过识别和结合顺式调控元件的核心序列而调控靶基因转录效率的一组蛋白质。反式作用因子对基因表达的调控可正（激活）可负（阻遏）。

所有顺式作用元件都要与相应的反式作用因子结合，并通过蛋白质之间的作用才能实现对基因转录的调控。第94页，课件共112页，创作于2023年2月

RNA