烟草线粒体DNA的研究进展

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1、烟草线粒体DNA的研究进展07生物高静静摘　要：植物线粒体DNA研究是生命科学研究的热点之一，有关植物线粒体DNA方面诸多问题的阐明对于了解烟草及植物细胞质雄性不育（CMS）等方面提供重要理论帮助。植物细胞线粒体基因组很大，基因表达系统相当独特，同时线粒体和质体（或叶绿体）两种半自主性细胞器存在着相互作用，因此对烟草及其它植物线粒体DNA的深入研究有助于烟草育种工作相关问题的解决。关键词：烟草　线粒体DNA（mtDNA）　细胞质雄性不育1线粒体与线粒体DNA。1．1线粒体是真核生物进行呼吸作用的细

2、胞器，不同种类细胞中的线粒体数目差异较大，一般为100～3000个，在一个植物细胞中含有50-100个线粒体，而在一个动物细胞中线粒体数目变动范围比较大，少的仅有50个，多的可达到1000个。在植物细胞中的线粒体参与一系列的代谢过程，如植物体内的线粒体能将细胞合成和吸收的脂肪，糖类等储藏的能量氧化成二氧化碳与水释放出来，再将其存储的太阳能转换成细胞维持自身生理活动的能量-ATP分子。1962年Ris和Plant在衣藻叶绿体中发现DNA，1963年M.　Nass和S.　Nass在鸡胚肝细胞线粒体中发

3、现DNA，以后又从植物细胞线粒体中发现了DNA。线粒体DNA（mitochondrial　DNA/mtDNA），又叫线粒体基因组，与细菌DNA相似，也是双链的超螺旋环状分子，一般来说，动物的mtDNA较小，约为16kb，植物的mtDNA较大，在200　kb（油菜）到2500　kb（西瓜）之间变动。1．2线粒体DNA可以自我复制，既可以按照半保留方式进行，也可以按照θ型复制方式或滚环复制方式进行。值得注意的是mtDNA的D-loop复制方式，即二条DNA链不同时开始复制，而是一条在前，一条在后，因而

4、在复制进行中生成D环，它是线粒体DNA的非编码区，是线粒体DNA分子中突变率最高的部分。2　线粒体DNA（mtDNA）与核DNA（nDNA）现在人们基本了解了线粒体DNA（mtDNA）与核DNA（nD-NA）之间的区别与联系：第一，与内共生起源一致，线粒体DNA（mtDNA）具有半自主性，并且如果能够重组或至少可以互补的情况下，mtDNA还可以进行合成和分裂功能。第二，线粒体DNA（mtDNA）具有多拷贝的继承性。第三，与核DNA不同，线粒体DNA是裸露的，没有结合组蛋白。第四，复制分离导致了在细

5、胞血统之间的单元型与分配方面有了改变，甚至在相同的双胞胎之间也存在着不同的mtDNA。第五，线粒体病又称线粒体细胞病，是指线粒体DNA的缺陷所造成的疾病，包括线粒体DNA重复、缺失以及突变。线粒体为细胞内提供能量的细胞器，如果线粒体DNA发生突变，由于突变的线粒体数量增加，导致细胞不能产生足够的ATP，从而造成细胞功能减退甚至坏死。第六，线粒体DNA大小相对其编码能力显得大大冗余，其中含有大量的非编码序列、重复序列，甚至其它来源的序列。第七，线粒体DNA的变异速度是细胞核DNA的5-10倍以上。据

6、报导，任何两个mtDNA平均有70个碱基不同。这是由于线粒体基因不象细胞核DNA那样有必要的修复系统，故很容易被自身合成能量时的氧化反应损伤。虽然DNA受损通常导致线粒体机能的丧失，但也促使其产生出许多变异的后代。又因为线粒体DNA可以快速复制，线粒体DNA出现的任何突变都可能迅速扩散开来，其中不乏变异幅度很大，能力超群的个体，有利于加快遗传育种的进程。第八，线粒体由600种以上的蛋白质组成，它可以利用自己的核糖体独立合成蛋白质，并自行分裂繁殖。但事实上线粒体内超过90%的蛋白质（包括线粒体繁殖时

7、复制DNA所需要的酶）必须由细胞核编码，再由细胞质内的核糖体合成后传送到线粒体中。1987年Green在线粒体基因组中找到了核DNA基因片段；而在核基因组中Nawa等也发现了线粒体和叶绿体基因片段。高等植物细胞内的三大遗传系统之间存在遗传物质的交换，因此，片面地运用三个遗传系统中某一系统的遗传功能去解释错综复杂的生命现象（如细胞质雄性不育性），显然是不适当的。3植物线粒体DNA与细胞质雄性不育（CMS）。3．1雄性不育性分成细胞核雄性不育　、细胞质雄性不育和细胞核质互作雄性不育。高等植物细胞质遗传

8、研究的最重要的实践应用就是细胞质雄性不育（CMS），它在高等植物界普遍存在，是作物杂种优势利用的基础。早在1970年，Edwardson就利用原始的基因分析办法指出了保持系和不育系线粒体DNA存在着差异。1991年Han-son指出线粒体DNA的某些突变与细胞质雄性不育存在一定的关系。从理论上讲，细胞质雄性不育系经多代回交转育后同保持系在核基因组成上是一致的，雄性不育系和保持系育性的表达差异应该是集中在细胞质中遗传物质的携带者叶绿体DNA（cpDNA）或植物线粒体DNA（mtDNA