叶绿体基因组进化的速率和方式
叶绿体系统发育基因组学的研究进展
叶绿体系统发育基因组学的研究进展*张韵洁，李德铢＊＊（中国科学院昆明植物研究所生物多样性与生物地理学重点实验室，云南昆明650201）摘要：系统发育基因组学是由系统发育研究和基因组学相结合产生的一门崭新的交叉学科。
近年来，在植物系统发育研究中，基于叶绿体基因组的系统发育基因组学研究优势渐显端倪，为一些分类困难类群的系统学问题提出了解决方案，但同时也存在某些问题。
本文结合近年来叶绿体系统发育基因组学研究中的一些典型实例，讨论了叶绿体系统发育基因组学在植物系统关系重建中的价值和应用前景，并针对其存在问题进行了探讨，其中也涉及了新一代测序技术对叶绿体系统发育基因组学的影响。
关键词：系统发育基因组学；叶绿体基因组；新一代测序技术；长枝吸引中图分类号：Q75，Q949文献标识码：A文章编号：2095－0845（2011）04－365－11 Advances in Phylogenomics Based on Complete Chloroplast GenomesZHANG Yun-Jie，LI De-Zhu＊＊（Key Laboratory of Biodiversity and Biogeography，Kunming Institute of Botany，Chinese Academy of Sciences，Kunming650201，China）Abstract：Phylogenomics is a new synthesized discipline which combines genomics with phylogenetics．Phylogenom-ics based on chloroplast genomes has shown many great advantages in plant phylogenetic research in recent years，providing resolutions for phylogeny of some taxonomically difficult groups of plants．However，there are some prob-lems coming along with chloroplast phylogenomics as well．In this review，the application prospects and potential problems of chloroplast phylogenomics in plant phylogenetic reconstruction were discussed based on recent phylog-enomic case studies．The influence of next-generation sequencing on chloroplast phylogenomics was also discussed．Key words：Phylogenomics；Chloroplast genome；Next-generation sequencing；Long-branch attraction地球上的生命形式多种多样，它们因有着共同的进化历史而有着或近或远的渊源。
叶绿体基因编辑技术的研究与应用
叶绿体基因编辑技术的研究与应用叶绿体是植物细胞中一种重要的细胞器，其内含有多种基因，与植物细胞的生长和发育密切相关。
近年来，随着基因编辑技术的出现和不断发展，叶绿体基因编辑技术也开始引起科学家们的广泛关注和实验研究。
那么，叶绿体基因编辑技术有哪些优点？其应用将会带来哪些改变？一、叶绿体基因编辑技术优点1. 高效性与其他基因编辑技术相比，叶绿体基因编辑技术具有更高的编辑效率和成功率。
通过叶绿体基因编辑技术，不仅可以实现点突变，还可以通过插入或替换DNA序列来修改植物叶绿体的基因组。
2. 稳定性叶绿体基因组一般不会发生杂合现象，具有很高的稳定性。
此外，叶绿体基因编辑技术也可以实现基因组的整体转移，使转移的基因组稳定地存在于叶绿体中。
3. 生物安全性叶绿体基因组与植物常规基因组相互独立，不会通过杂交等方式传递给其他物种，因此具有很好的生物安全性。
二、叶绿体基因编辑技术应用前景1. 提高农作物的产量和品质随着人口的增长和城市化的加速，粮食安全问题越来越受到全球的关注，而叶绿体基因编辑技术的出现为解决食品安全问题提供了新的途径。
通过利用叶绿体基因编辑技术，可以增强植物光合作用的效率，提高农作物的产量和品质。
例如，利用叶绿体基因编辑技术对水稻叶绿体基因进行编辑，可以增加其光合作用效率，提高水稻的产量。
2. 抗病、抗虫特性的改善叶绿体基因编辑技术可以针对植物抗病、抗虫等方面进行编辑，如将病菌生长所需的基因断裂或删除，从而提高植物的抗病、抗虫特性。
此外，叶绿体还可以通过叶绿体基因的编辑来调节一些植物药用成分的产生，为新药物的研究提供帮助。
3. 抗氧化剂的提取和利用叶绿体中含有大量的抗氧化剂，如维生素E、β-胡萝卜素等。
利用叶绿体基因编辑技术，可以增加和提取抗氧化剂，用于医药和农业等领域。
4. 生态环境修复利用叶绿体基因编辑技术可以实现对植物生物光合和碳循环过程的操作和改变，可以修复环境中的一些有害物质，如重金属污染和有害气体等。
丹参叶绿体基因组进化分析
Medicinal Plant Salvia miltiorr因组全长151,328bp, 编码114个,包含80个 蛋白编码、30个tRNA和4个rRNA基因。共检测到4对正向、3 对反向和7条串联重复序列。 比较基因组研究表明丹参与其他三个唇形目物种的叶绿体基 因组之间整体相似性较好,但基因间区的变异较大。 基于71个叶绿体蛋白编码基因的系统进化研究表明丹参在现 有叶绿体基因组公布的菊分支物种中与芝麻关系最近。
共编码114个基因,蛋 白编码基因80个、 tRNA30个、rRNA4个 。 IR区6个蛋白编码基因、 7个tRNA基因以及4个 rRNA基因。 LSC区蛋白编码基因 61个、tRNA基因22个。 SSC区只有蛋白编码 基因12个和tRNA基因 1个。
丹参的叶绿体基因组共有18个基因含有内含子,其 中3个基因QclpP、rpsl2、yq/3)含有2个内含子(表 3-5)。值得注意的是A77W2是一个反式剪接基因,它 的5’端位于LSC区,3’端在两个IR区各有一个拷贝。 内含子最长,达2,522bp,包含基因
基因组序列比对： MUMmer 正反向重复序列分析： REPuter 串联重复序列分析： Tandem Repeats Finder (TRF) v4.04 简单重复序列分析： MISA 蛋白编码基因序列比对： Kimura’s twoparameter (K2P) model 进化树构建： PAUP4.0b10
系统进化分析
基于71个共有蛋白编码基因的菊分支MP系统进化树
结论
丹参的叶绿体基因组同大多数已公布的被子植物叶绿体基因 组一样，由一对IR区分隔LSC和SSC区，呈典型的四段式结 构。含有4对正向、3对反向和7条串联重复序列,其中大部分 均位于基因间区和内含子序列，但也有一些位于tRNA和蛋 白编码区。 本研究基于71个叶绿体蛋白编码基因的系统进化分析表明丹 参在现有叶绿体基因组公布的菊分支物种中与芝麻关系最近。
基于叶绿体基因组全序列分析真叶植物叶绿体基因的适应性进化
基于叶绿体基因组全序列分析真叶植物叶绿体基因的适应性进化王博;高磊;苏应娟;王艇【摘要】Euphyllophytes comprise fems, gymnosperms, and angiosperms. Relatively abundant chloro-plast genome sequence data has been available for them. In this research, chloroplast gene sequences of 29 euphyllophyte species were extracted from their completely sequenced chloroplast genomes; then an a-daptive evolutionary analysis was performed on the chloroplast genes by running PAML under models allowing w (nonsynonymous/synonymous rate ratio) to vary among sites. Th e results showed that: ①The percentage of chloroplast genes under positive selection in ferns, gymnosperms, and angiosperms were 6. 5%, 7.5% and 19. 2% , respectively. The number of positively selected genes in angiosperms appeared significantly larger than that of ferns and gymnosperms. ②Most positively selected genes were genetic system or photosynthesis-related genes. Their coding proteins often functioned in chloroplast protein synthesis, gene transcription, energy transformation and regulation, and photosynthesis. We infer that the chloroplast functional genes may have played key roles during the adaptation of euphyllophytes to terrestrial ecosystems.%真叶植物包括蕨类、裸子植物和被子植物.迄今已积累有较为丰富的真叶植物叶绿体基因组全序列数据.选取了29种真叶植物的叶绿体基因组全序列,采用PAML软件基于位点间可变ω模型,分别分析了蕨类、裸子植物和被子植物叶绿体基因的适应性进化.结果显示:①蕨类、裸子植物和被子植物各有6.5％、7.5％和19.2％的叶绿体基因受正选择作用；被子植物经历正选择的叶绿体基因明显比蕨类和裸子植物为多；②被正选择作用的叶绿体基因主要是遗传系统和光合系统基因,它们的编码产物涉及叶绿体蛋白质合成、基因转录、能量转化与调节及光合作用等过程.推测叶绿体功能基因可能在真叶植物对陆生生态环境的适应过程中起着重要作用.【期刊名称】《中山大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(051)003【总页数】7页(P108-113,146)【关键词】真叶植物;叶绿体基因;叶绿体基因组全序列;正选择【作者】王博;高磊;苏应娟;王艇【作者单位】中国科学院武汉植物园//中国科学院植物种质创新与特色农业重点实验室,湖北武汉430074;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院武汉植物园//中国科学院植物种质创新与特色农业重点实验室,湖北武汉430074;中山大学生命科学学院,广东广州510275;中国科学院武汉植物园//中国科学院植物种质创新与特色农业重点实验室,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】Q349;Q949近年来，随着分子生物学，尤其是大规模测序技术的不断革新，叶绿体基因组学研究正被日益推进。
叶绿体基因工程的特点
叶绿体基因工程的特点叶绿体基因工程是一种重要的生物技术，通过对叶绿体中的基因进行改造和调控，可以实现对植物的遗传特性的改变。
叶绿体作为植物细胞中的一个重要器官，具有自主复制、高表达能力和遗传稳定性等特点，因此成为了基因工程的理想载体。
叶绿体基因工程在农业、生物能源和药物生产等方面具有广泛的应用前景。
1.高表达能力叶绿体中存在着大量的基因副本，因此可以实现高水平的基因表达。
相比之下，细胞核基因工程常常受到基因拷贝数的限制，表达水平较低。
叶绿体基因工程能够通过调控叶绿体基因的表达来实现高效率的蛋白质合成，从而提高产量和纯度。
2.遗传稳定性叶绿体具有自主复制的能力，其遗传物质在细胞分裂中能得到保持和传递。
相比之下，细胞核中的基因常常存在较高的突变率和体细胞重组现象。
叶绿体基因工程利用叶绿体自身的复制机制，能够确保外源基因的稳定遗传，从而增加了转基因植物的可靠性。
3.耐药性叶绿体基因工程通常利用了植物叶绿体中的耐药基因作为筛选标记。
通过引入耐药基因，可以在培养基中加入相应的选择剂，筛选出获得外源基因的转基因植株。
这种筛选方式相对简便，有效地排除了无法转化的植株，提高了基因转化的效率。
4.转基因传播叶绿体基因工程可以通过杂交或胚胎转移等方式将转基因特性传递给后代。
基因在叶绿体中的稳定遗传性质确保了转基因特性在后代中的稳定表达。
通过这种方式，可以实现对某一物种或品系的大规模遗传改良，从而在农业生产和种质资源的保存等方面具有重要意义。
叶绿体基因工程以其独特的特点和应用前景成为了生物技术领域的研究热点之一。
随着技术的不断发展和完善，叶绿体基因工程有望在农业生产、生物能源和医药领域等方面发挥重要作用，为人类的生活和健康带来更多的福祉。
叶绿体基因工程是通过改变叶绿体中的基因组来实现特定目的的一种遗传工程技术。
以下是叶绿体基因工程的几个主要特点：叶绿体基因工程具有高效的特点。
由于叶绿体在细胞中的丰富数量和进行自我复制的能力，叶绿体基因工程可以在较短的时间内实现目标基因的稳定表达。
浅析植物系统学中叶绿体基因组分析技术的应用
浅析植物系统学中叶绿体基因组分析技术的应用植物系统学的发展离不开基因组学技术的应用，其中叶绿体基因组分析技术在研究植物进化、分类及基因功能等方面有着重要的应用价值。
本文将探讨叶绿体基因组分析技术在植物系统学中的应用。
叶绿体基因组是细胞质基因组之一，是一种环形DNA分子，长度约为120-160 kb，在细胞色素源和光合作用等方面发挥着重要作用。
叶绿体基因组中包含约100种基因，编码叶绿体内膜体、核糖体、载体蛋白等功能蛋白质，同时还编码产生光合色素和辅助色素的基因。
由于叶绿体基因组中基因序列在不同物种之间存在差异，因此可以通过叶绿体基因组分析技术揭示植物不同层次的系统学信息。
在植物系统学中，叶绿体基因组分析技术主要包括PCR扩增、序列分析和系统发育分析三个步骤。
其中，PCR扩增是最基本的步骤，常用的引物包括通用引物trnL-F、rbcL和matK等，通过扩增叶绿体基因组的特定片段来获取基因序列。
序列分析主要包括序列编辑、比对和注释等步骤，通过比对来确定物种分类地位以及在物种群体中基因变异的系統演化和保守性位点。
系统发育分析是目前最常用的植物系统学建树方法，主要包括最大似然法、最大简约法和贝叶斯法等方法，通过分析不同物种之间的相似性和差异性来构建物种间的系统树。
一、系统发育重建叶绿体基因组分析技术可以用来重建不同植物类群之间的系统发育关系，例如被子植物、裸子植物和蕨类植物等分类关系。
例如，通过分析不同类群之间rbcL、matK和trnL-F等基因区段序列的变异情况，可以确定物种的系统进化关系并建立系统进化树。
二、物种鉴定叶绿体基因组分析技术可以用来快速精准地进行物种鉴定。
通过分析物种的特定鉴定位点序列，可以快速鉴定物种分类地位，例如legume、木兰属、蕨类植物和松科等。
该技术可以非常方便地鉴定不同物种之间的生物形态差异，这对于物种分类、资源保护和生态研究具有重要意义。
三、种群遗传结构研究叶绿体基因组分析技术可以用于研究不同种群之间的遗传结构及基因流情况。
辣椒属叶绿体基因组特征及进化
热带作物学报2022, 43(3): 447 454 Chinese Journal of Tropical Crops收稿日期 2021-12-06；修回日期 2021-12-22基金项目 国家自然科学基金项目（No. 32060710，No. 31860005）。
作者简介 刘 潮（1980—），男，博士，副教授；研究方向：植物逆境生物学。
*通信作者（Corresponding author ）：韩利红（HAN Lihong ），E-mail ：*********************。
辣椒属叶绿体基因组特征及进化刘 潮，韩利红*，代小波，刘宸语曲靖师范学院生物资源与食品工程学院云南省高校特色果酒技术创新与应用工程研究中心，云南曲靖 655011摘 要：辣椒（Capsicum L.）属于重要的蔬菜和香料作物，在世界范围广泛栽培。
种质资源是育种和生产的基础，开展辣椒属叶绿体基因组特征研究对阐明辣椒种质资源遗传多样性、培育和改良栽培品种具有重要的理论和实践价值。
本研究从NCBI 数据库下载13个辣椒属物种叶绿体基因组序列，利用REPuter 、MISA 和mVISTA 等软件，对辣椒属叶绿体基因组特征、序列重复、结构变异和系统发育进行分析。
结果显示：辣椒属叶绿体基因组均具有保守的四分体结构，一对反向重复区（IRs ）将大单拷贝区（LSC ）和小单拷贝区（SSC ）分开，基因组全长介于156 583~158 077 bp 之间，包含113个unique 基因，其中蛋白编码基因、tRNA 基因和rRNA 基因数分别为79、30和4；含有60~127对长重复序列，其中正向重复序列和回文重复序列比例较高，30~39 bp 的重复序列含量较高；发现150~164个SSR 位点，以单核苷酸和二核苷酸重复为主，多为A 或T 碱基重复；基因组序列同源性较高，未发现基因重排现象，非编码区序列变异高于基因编码区，LSC 和SSC 的多样性位点多于IR ；发现rps18-rpl20、rps4-trnT 、ndhF -rpl32-trnL 和ycf1等4个核苷酸多态性热点，LSC 和SSC 的序列多样性高于IR ；主要栽培种辣椒（C. annuum ）与多花辣椒（C. tovarii ）亲缘关系较近，中华辣椒（C. chinense ）与灌木状辣椒（C. frutescens ）和紫绿花辣椒（C. eximium ）亲缘关系较近。
植物叶绿体转化的基因枪法研究进展
ｓａｔｉｖａ Ｌ．），结果表明转化莴苣叶绿体表达ＧＦＰ的量可 达到叶绿体可溶性蛋白的３６％，并且所有Ｔｏ代均可 育，Ｔｌ代表现稳定。实验转化叶用蔬菜叶绿体的成 功，为利用植物生产可食用疫苗、抗体、药物提供了新 的途径。
高等植物叶绿体基因工程是植物基因工程发展的 新领域。１９８８年Ｂｏｙｎｔｏｎ等…人以莱茵衣藻 （Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ ｒｅｉｎｈａｒｄｉｔｉ）为材料，用基因枪成功进 行了外源基因ｘＣｎｔ－绿体的转化。其后Ｓｖａｂ等Ｌ２ｊ将此 项技术成功用于高等植物。目前为止已有多种植物， 如烟草、马铃薯、油菜等，实现了叶绿体基因转化。近 年来叶绿体基因转化技术的进步，更加显示出其巨大 的应用前景。研究证实它是一个能散状辐射到农艺性 状改良以及用植物生物反应器生产各种药物、疫苗抗 体、功能食品及工业、环保产品的通用核心技术一Ｊ。
近年来，各国科学家大量尝试叶绿体基因转化方 法方面的工作，这些工作借鉴核基因转化，主要有以下 四种：①花粉管导入法。如刘博林等Ｍ Ｊ将含有龙葵ａｔ— ｒａｚｉｎｅ基因ｐｓｂＡ的质粒ｐＢＲ３２２转化大豆，获得了抗 ａｔｒａｚｉｎｅ的大豆植株。经分子检测证实，ｐＢＲ３２２质粒 ＤＮＡ整合到大豆叶绿体基因组。②ＰＥＧ介导法。该 法属原质生体转化方法。Ｗｅｎｄｙ Ｃ…５等用ＰＥＧ法将脂
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植物叶绿体转化的基因枪法研究进展
张彦桃 （内蒙古大学生命科学学院实验教学中心呼和浩特０１００２１）
摘要叶绿体基因组转化由于具有独特的优越性，逐渐成为植物基因工程研究的热点．而基因枪转化法是目前较为成熟的叶绿 体基凶转化技术。本文简述了基因枪转化的原理、方法及优缺点，并重点阐述了叶绿体转化的优点及实践应用的研究进展。 关键词 植物基因枪叶绿体转化