植物反转录转座子及其分子标记

植物反转录转座子及其分子标记王子成1，2李忠爱2邓秀新1（1华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室，湖北武汉，4300702 河南大学生命科学学院，河南开封，475001）摘要：反转录转座子（retrotransposon）是真核生物中一类可移动因子，可分为LTR反转录转座子和非LTR反转录转座子。

反转录转座子以高拷贝在植物界广泛分布，可以通过纵向和横向分别在世代之间和不同种之间进行传递，同一家族的反转录转座子具有高度的异质性. 在一些生物的和非生物的逆境条件下，反转录转座子的转录可以被激活。

由于反转录转座子的特点，使其作为一种分子标记得以应用。

S-SAP，IRAP，REMAP和RBIP等分子标记相继发展起来，在基因作图、生物遗传多样性与系统进化、品种鉴定等方面具有广泛的应用前景。

关键词反转录转座子，分子标记Plant retrotransposons and their molecular markersWang Zicheng1，2Li Zhongai2Deng Xuixin11 National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, Huazhong Agriculture university HubeiWuhan, 4300702 College of life science ,Henan University, Henan Kaifeng, 475001Abstract: Retrotransposons are a class of eukaryotic transposable elements, consisting of the long terminal repeat (LTR) and non-LTRretrotransposons. Retrotransposons are ubiquitous in the plant kingdom by high copy number and can be transmitted between generations by vertical transmission and between species by horizontal transmission. The same family retrotransposons presented highly heterogeneous populations in all higher plant genomes. Many of the plant retrotransposons are transcriptionally activated by various biotic and abiotic stress factors. Retrotransposons are used as molecular markers for their traits. S-SAP, IRAP, REMAP and RBIP are developed and will be applied widely in gene mapping, genetic biodiversity and phylogeny studies, and cultivar certification.Key words: retrotransposons molecular markers反转录转座子是广泛分布于真核生物中的一类可移动因子，因其转座需经过由RNA介导的反转录过程而得名。

自从1984年第一例植物反转录转座子报道(Shepherd,1984) 以来，大多数的植物中都已发现有反转录转座子的分布(Price et al,2002; Linares et al, 2001; Hernandez et al,2001; V erries et al,2000; Asins et al,1999)。

反转录转座子在植物基因组中占有相当大的比例，但国内关于这方面的研究相对较少，本文就近年来植物反转录转座子的研究进展进行综述，并对基于反转录转座子的分子标记及其应用进行初步的介绍，以引起大家对这一领域的关注。

1 植物中的反转录转座子类型与结构在真核生物中，根据是否包含有LTR而将反转录转座子分为两大类，即LTR反转录转座子和非LTR反转录转座子。

LTR是研究较多的反转录转座子，根据它们序列的相似程度王子成，男，1974年12月生，华中农业大学00级博士生，主要从事植物生物技术方面的研究。

E－mail:wangzichengainuo@.导师简介：邓秀新，男，1961年11月生，华中农业大学长江学者特聘教授，主要从事植物生物技术研究。

E-mail:DXXWWLJ@国家自然科学基金资助项目：编号（30170472）以及编码基因的排列顺序，又进一步分为Ty1-copia 和Ty3-gypsy 两大类；而非LTR 反转录转座子的两侧没有LTR 存在，而以Poly(A)或A-rich 序列结尾（Gabriel and boeke ,1993），根据其结构，又可分为LINEs （longinterspersed repetitive elements 长散布元件）和SINEs(short interspersed repetitive elements 短散布元件)两类。

LTR 反转录转座子两侧翼具有长末端重复序列（long terminal repeats, LTRs ），其长度从100 bp 到5 kb 不等。

LTRs 不编码蛋白质，但包含有对转座起重要作用的起动子和终止子。

LTRs 以短的反向重复为末端，通常为5`-TG-3`和5`-CA-3`。

反转录转座子编码很多的蛋白质，其中主要的有三个基因, 即gag （种属特异抗原）、pol （聚合酶）和int （整合酶）。

gag 基因编码的蛋白质参与反转录转座子RNA 的成熟与包装，使反转录转座子的RNA 适合于整合入基因组。

Pol 基因编码反转录酶和RNase H ，这是反转录转座子的复制和转座所必需的。

Int 所编码的整合酶DNA 状态的反转录转座子整合入染色体上新的位点。

Ty1-copia 和Ty3-gypsy 两类反转录转座子的明显不同之处在于Int 和Pol 基因的排列顺序(Kumar and Bennetzen,1998)。

LTR 反转录转座子Ty1-copia 家族Ty3-gypsy 家族非LTR 反转录转座子LINESINE图1 四种类型的反转录转座子结构Figure 1 The structures of 4 types of retrotransposons注：CP(capsid-like proteins), EN(edonuclease), INT(integrase), PR(protease), RT(reverse transcriptase), PBS(primer binding sites), PPT(polypurine tracts), NA(nucleic acid binding moiety),IR(inverted terminal repeats),DR(flanking target direct repeat),5`UTR(5`untranslated region),3`UTR(3`untranslated region),Pol3A and Pol3B (RNA polymerase Ⅲ recognition sites)(参考Kumar and Bennetzen,1999)5 3` DRNACP RT PPT PR U3 PBS RNASE H INT GagPol IRU5 R LTRGag Pol DR IR NA CP RNASE H RTPR INT LTRLTR 3` NA RNASE H RT ENNA 5`GagPol 3`非LTR反转录转座子是比LTR反转录转座子简单的转座因子。

其中的LINES也包含有和LTR反转录转座子相同的蛋白质。

LINES有gag和pol基因，但是缺乏确定的整合酶基因。

通过序列分析发现，LINEs可能是真核生物中最古老的一类反转录转座子，第一个LTR 反转录转座子可能是由LINE获取LTR而产生（Xiang and Eickbush,1990）。

SINEs是一类很小的反转录转移因子，和其它类型的反转录转座子明显不同, 它们不编码任何反式作用的具有转座功能的基因(Yasui et a l,2001)。

所有已知的SINEs都来源于tRNAs(Lenoir et al,2001)，具有高效复制能力，并且可以被LINES和LTR反转录转座子所编码的蛋白质整合入基因组。

关于该类反转录转座子的复制和整合，目前研究的还不是很清楚。

2 植物中的反转录转座子的特点2.1分布特点反转录转座子广泛分布于植物基因组中。

在整个植物界，从单细胞的藻类植物到裸子植物和被子植物，都有Ty1-copia类反转录转座子的存在。

Ｔy3-gypsy类反转录转座子同样广泛存在于包括裸子植物和被子植物在内的植物界中。

并且，这两类反转录转座子在大基因组植物中都是以高拷贝存在(Meyers et al, 2001)。

LINEs同样以高拷贝存在于已研究的植物中, 并且和LTR反转录转座子一样广泛分布于植物界(Nishimura et al, 2000;Noma et al, 1999)。

SINES目前在几种被子植物中发现，在其他植物中的分布还需要进一步的研究(Lenoir et al,2001)。

迄今，在植物核基因组和线粒体基因组中都发现有反转录转座子的分布（Imsande et al,2001; Unseld et al，1997; Knoop et al,1996），而在叶绿体基因组中还未发现有反转录转座子存在。

通过原位杂交发现，反转录转座子在染色体上的分布因其种类和宿主不同而不同。

有的分布比较均匀，而有的很不均匀。

有的只在某些特定的区域较多，而在另外的区域则缺乏（Presting et al,1998）。

在植物染色体的核仁组织区，还没有发现反转录转座子的存在。

在雌雄异株大麻中发现，LINE-like 反转录转座子只在Y染色体长臂末端有100~200个copy 存在（Sakamoto et al,2000）。

在很多反转录转座子在常染色区分布较多，而这些区域是基因较为集中的地带,最近在小麦上的研究表明，反转录转座子的插入多集中在基因的临近区域或富基因区域的侧翼（Sandhu and Gill,2002）。