樊守金 郭秀秀

(山東師范大學生命科學學院，250014，濟南)

葉綠體是植物細胞中承擔能量轉(zhuǎn)換的重要細胞器.葉綠體內(nèi)進行的光合作用是自然界最重要的化學反應.地球上的綠色植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為生物能源的產(chǎn)量高達2 200億t/年，相當于全球能耗的10倍.葉綠體及光合作用為地球上的大多數(shù)生物提供了必需的能源[1].除了光合作用，葉綠體還提供了大量合成具有生物活性的天然產(chǎn)物所需的能量和碳骨架，具有潛在的藥物用途，例如氨基酸和UDP-葡萄糖的生物合成就發(fā)生在葉綠體中[2].葉綠體DNA最先是由Ris和Plaut[3]在觀察衣藻時發(fā)現(xiàn)的.而早在1909年兩位德國科學家就發(fā)現(xiàn)紫茉莉和天竺葵的花色和葉色遺傳不符合孟德爾遺傳定律，并且認為這種遺傳和葉綠體有關[4,5].第一個發(fā)表的葉綠體基因組序列是Shinozaki等人[6]在煙草(Nicotianatabacum)中獲得的.同年，Ohyama等人[7]又發(fā)表了地錢(Marchantiapolymorpha)葉綠體基因組的完整序列.過去的幾十年，由于高純度葉綠體DNA獲取較為困難，且受到測序技術(shù)和測序成本的局限，葉綠體基因組研究較為緩慢.近年來，隨著測序技術(shù)的發(fā)展和測序成本的降低，葉綠體基因組研究迅速加快.截止到2021年4月11日，NCBI數(shù)據(jù)庫已公布了5 379個葉綠體基因組數(shù)據(jù)，其中也包含了一些常見作物的不同品種的葉綠體基因組數(shù)據(jù).

自20世紀80年代以后，分子生物學快速發(fā)展，以前基于形態(tài)學數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分類學逐漸轉(zhuǎn)向結(jié)合形態(tài)和分子數(shù)據(jù)的研究，即開始利用DNA或氨基酸的序列信息，解析生物的進化歷史[8].葉綠體基因組結(jié)構(gòu)簡單，基因組較小，但包含大量的遺傳信息.其次，葉綠體基因組核苷酸置換率適中，且編碼區(qū)和非編碼區(qū)的分子進化速率差異顯著，分別適用于不同分類階元的研究[9].因此，葉綠體基因組廣泛應用在系統(tǒng)發(fā)育學[10，11]，居群遺傳學[12，13]，譜系地理學[14，15]等領域.

Boynton等人[16]借助基因槍法實現(xiàn)了葉綠體的轉(zhuǎn)化，是葉綠體轉(zhuǎn)化成功的首次報道.1990年，外源cat基因在煙草葉綠體的瞬時表達，是高等植物葉綠體遺傳轉(zhuǎn)化的開端[17].葉綠體基因工程與核基因組基因工程相比，外源基因表達量高，不存在基因沉默現(xiàn)象并且環(huán)境安全性更高[18].此外，葉綠體的雙層膜結(jié)構(gòu)將葉綠體區(qū)隔化出獨立的空間，可以作為生物反應器，實現(xiàn)對細胞質(zhì)有害物質(zhì)的表達，而不傷害植物細胞[19,20].目前，葉綠體基因工程已經(jīng)在提高植物的除草劑抗性和抗蟲性，提高植物抗逆性及合成某些生物制劑領域得到應用.

1 葉綠體研究進展

1.1葉綠體起源關于葉綠體的起源，目前普遍接受的是內(nèi)共生起源假說，該假說是由Mereschkowsky[21]最先提出的.該假說認為大約在10億年前，原始的真核細胞吞噬了具有光合能力的古藍細菌，古藍細菌與宿主細胞形成共生關系，并逐漸失去了自身的大部分基因，被吞噬的古藍細菌形成了現(xiàn)在的葉綠體[22].普遍認為，葉綠體多數(shù)基因通過與核內(nèi)共生基因轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移到核基因組中，葉綠體基因組本身只保留了少數(shù)基因[23，24].支持該假說的證據(jù)有以下五方面[1]：①葉綠體有獨立的DNA，且與原核生物的DNA更為相似；②葉綠體的蛋白合成機制類似于細菌，蛋白質(zhì)合成從N-甲酰甲硫氨酸開始；③葉綠體的DNA和RNA可以被原核生物DNA/RNA聚合酶抑制劑所抑制；④葉綠體具有雙層膜結(jié)構(gòu)，其內(nèi)層膜與原核生物細胞膜十分相似；⑤某些葉綠素和藍細菌的蛋白質(zhì)相似.

1.2葉綠體DNA的遺傳方式Ris和Plaut[3]借助電子顯微鏡首次在衣藻葉綠體中發(fā)現(xiàn)了DNA纖絲，這是葉綠體含有自主遺傳物質(zhì)的直接證據(jù).Baur[4]和Correns[5]的研究發(fā)現(xiàn)紫茉莉(紫茉莉科)和天竺葵(牻牛兒苗科)花色和葉色遺傳，不符合孟德爾遺傳定律，并且認為葉綠體與葉色遺傳有關，并表現(xiàn)出隨機的遺傳方式.隨后，Grant等人[25]和Stubbe[26]在衣藻和月見草屬也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，并將這種隨機分離，子代總是表現(xiàn)出母本性狀的遺傳現(xiàn)象稱為葉綠體母系遺傳.葉綠體DNA是由細胞內(nèi)膜包被的獨立基因組，屬于細胞質(zhì)遺傳，以非孟德爾遺傳方式遺傳給下一代.目前的研究認為葉綠體DNA有三種不同的遺傳模式，分別是母系遺傳、父系遺傳和雙親遺傳.不同進化地位植物類群的葉綠體DNA遺傳方式表明，雙親遺傳可能是最原始的遺傳模式[27].大部分被子植物的葉綠體DNA遵循母系遺傳[28, 29]，但也有一些類群葉綠體DNA是父系遺傳，例如傘形科胡蘿卜屬[30]，旋花科番薯屬[31]，獼猴桃科獼猴桃屬[32]，蒺藜科蒺藜屬[33]和豆科甘草屬[34]等.裸子植物葉綠體DNA一般為父系遺傳[35，36]，如松柏類[37].

1.3葉綠體基因組的基本結(jié)構(gòu)葉綠體DNA一般為雙鏈環(huán)狀分子，大多數(shù)高等植物的葉綠體基因組是高度保守的四分體結(jié)構(gòu)，包括大單拷貝區(qū)(Large Single Copy，LSC，長約81～90 kb)，小單拷貝區(qū)(Small Single Copy，SSC，長度介于18～20 kb之間)和兩個反向重復區(qū)(Inverted Reapet Sequence，IRa和IRb，長度約為20～30 kb)[38](圖1).也有少數(shù)植物，如牻牛兒苗屬植物[39]，蒺藜苜蓿、鷹嘴豆、三葉草等豆科植物[40]，因為丟失了一個反向重復區(qū)而不具有四分體結(jié)構(gòu).

圖1 被子植物無油樟(Amborella trichopoda)的葉綠體基因組結(jié)構(gòu)圖示[46]

植物葉綠體基因組長度一般為107～218 kb，而葉綠體基因組長度的變化主要是由IR區(qū)的收縮和擴張導致的[41].目前已知的葉綠體基因組最大的被子植物是牻牛兒苗科的天竺葵(Pelargoniumxhortorum)，其葉綠體基因組大小為217 942 bp(NC_008454).天竺葵的反向重復區(qū)發(fā)生了明顯的擴張，其IR區(qū)達到了75 kb[42].由于猴耳環(huán)屬植物Pithecellobiumflexicaule葉綠體基因組IR區(qū)(長度達到41 503 bp)向LSC區(qū)的擴張，使其成為目前已報道的豆科植物最大的葉綠體基因組[43].黑松Pinusthunbergii葉綠體基因組長度僅有119 707 bp(NC_001631)，主要是因為黑松葉綠體基因組的反向重復區(qū)發(fā)生了嚴重的收縮，其IR區(qū)的長度僅有495 bp[44].此外，葉綠體基因的插入缺失或重復序列的數(shù)量也會影響葉綠體基因組的大小.例如單子葉植物葉綠體基因組普遍比雙子葉植物的葉綠體基因組小15 kb左右，這主要是由于單子葉植物中丟失或部分丟失了ycf1(約5～7 kb)和ycf2(約5 kb)這兩個較長的基因片段[45].在天竺葵葉綠體基因組中發(fā)現(xiàn)了大量大于100 bp的重復序列，占葉綠體基因組的17.5%～26.9%.

葉綠體基因組大約編碼110～130個基因，按照基因功能不同可以分為四大類[38].第一類是光合作用相關的基因，包括與光系統(tǒng)I相關的psa基因家族、ycf3和ycf4，與光系統(tǒng)II相關的psb基因家族，NAD(P)H脫氫酶類基因ndh基因家族，細胞色素b/f復合體類基因pet基因家族，ATP合成酶類基因atp基因家族和核糖體大亞基基因rbcL.第二類是與葉綠體基因表達相關的基因，包括編碼核糖體大亞基蛋白類基因rpl基因家族，編碼核糖體小亞基蛋白類基因rps基因家族，RNA聚合酶類基因rpo基因家族，核糖體RNA類基因和轉(zhuǎn)運RNA類基因.第三類是與葉綠體中生物合成相關的基因，包括成熟酶基因matK，蛋白酶基因clpP，包膜蛋白基因cemA，乙酰輔酶A羧化酶基因accD，細胞色素酶合成基因ccsA和翻譯起始因子infA.第四類是一些功能未知的開放閱讀框，如ycf1，ycf2和ycf15等.

1.4葉綠體基因組進化被子植物葉綠體基因組的結(jié)構(gòu)高度保守，分子進化速率適中，約是核基因進化速率的1/3，是線粒體進化速率的3倍[47].反向重復區(qū)對于維持葉綠體基因組結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要意義，IR基因的堿基替代率僅為單拷貝區(qū)基因的1/4[48].

自葉綠體起源演化至今，被子植物葉綠體基因組僅保留了其祖先5%的基因含量，而且這一過程還在繼續(xù)[39].基因丟失最明顯的例子是寄生植物，列當科(Orobanchaceae)[49，50]，蘭科地下蘭植物(Rhizanthellagardneri)[51]，旋花科菟絲子屬(Cuscuta)[52]等植物丟失了大部分與光合作用相關的基因，全寄生植物大花草的葉綠體基因甚至完全丟失[53]，體現(xiàn)了與寄主的協(xié)同進化.NAD(P)H脫氫酶復合體編碼基因是一類參與光系統(tǒng)I電子傳遞過程的重要基因，通常由11個ndh基因組成，然而該基因家族在澤瀉目(Alismatales)[54]，蘭科(Orchidaceae)[55]，牻牛兒苗科(Geraniaceae)[56]等多個類群中普遍存在缺失現(xiàn)象.禾本科植物accD、ycf1、ycf2基因和clpP、rpoC1基因內(nèi)含子也發(fā)生了丟失[57].除了基因丟失，還發(fā)現(xiàn)了一些葉綠體基因向核基因或線粒體基因組的轉(zhuǎn)移.擬南芥的比較基因組分析顯示，核基因組中由葉綠體基因組起源的基因比例至少占到18%[24].在線粒體基因組中，葉綠體基因組起源的基因比例達到了1/3[58].

葉綠體基因組的重排往往發(fā)生在大單拷貝區(qū)的基因間隔區(qū)，大片段的重排是進化事件，具有一定的系統(tǒng)發(fā)育意義[59].類群特異性的重排常見于桔?？芠60]，牻牛兒苗科[61，62]，豆科[40]，菊科[63]和禾本科[57，64]，例如禾本科葉綠體基因組在trnR至trnfM，trnG至psbD以及trnT區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了3次倒置[65].

2 葉綠體基因組應用

2.1葉綠體基因組在系統(tǒng)發(fā)育研究中的應用葉綠體基因組具有以下優(yōu)點：①葉綠體基因組較小，但其拷貝數(shù)多，全基因組序列更容易獲得；②葉綠體基因組一般為單親遺傳，不存在基因重組等問題；③進化速率適中，約為基因組進化速率的1/3，同時葉綠體基因組中基因編碼區(qū)和非編碼區(qū)的進化速度差異顯著.因此葉綠體基因組適合于不同分類階元的系統(tǒng)發(fā)育研究[66].基于全葉綠體基因組序列信息位點重建不同階元的系統(tǒng)發(fā)育關系得到了廣泛的應用并較好地解決了被子植物目級、科間、屬間甚至屬下種間的關系.Jansen等人[67]基于64個葉綠體基因組重建了被子植物目級水平的系統(tǒng)發(fā)育框架，結(jié)果表明Amborella是被子植物中最早分化的類群；Li等人[68]選擇被子植物全部64目，利用2,881個質(zhì)體基因組的80個基因，重建了目前為止取樣最廣泛的、高分辨率的被子植物葉綠體基因組系統(tǒng)發(fā)育樹.在科或亞科水平上，Wu等人[69]基于22個葉綠體基因組的76個蛋白編碼基因序列重建了禾本科內(nèi)部BEP分支亞科間的系統(tǒng)發(fā)育關系；Zhang等人[70]基于質(zhì)體基因組學數(shù)據(jù)重建了被子植物重要類群薔薇科的系統(tǒng)發(fā)育樹，研究包含了薔薇科79屬132種，成功解析了薔薇科各亞科、族和屬間的系統(tǒng)發(fā)育關系；Zhai等人[71]利用葉綠體基因組對毛茛科的系統(tǒng)發(fā)育關系進行了研究；Zhang等人[72]選取豆科全部6個亞科和97%族的葉綠體基因組數(shù)據(jù)進行全面分析，獲得了豆科具有強統(tǒng)計支持且基本一致的系統(tǒng)樹.此外，葉綠體基因組還用于研究榆科[73]、蕓香科[74]等的系統(tǒng)發(fā)育研究.

Liu等人[11]基于葉綠體基因組數(shù)據(jù)對畫眉草族下畫眉草屬、鐮稃草屬及九頂草屬的關系進行了研究，結(jié)果不支持鐮稃草屬的成立，鐮稃草應為畫眉草屬下的一個種；Bruunlund等人[75]基于葉綠體基因組重建了榕屬屬下組間的系統(tǒng)發(fā)育關系，獲得了高支持的系統(tǒng)發(fā)育樹，解決了無花果及其主要類群之間的關系，并且很大程度上支持了基于核基因序列的結(jié)果.Asaf等人[76]將野生稻與其近緣種的葉綠體基因組進行比較，并基于葉綠體基因組數(shù)據(jù)解析了野生稻與其近緣種的親緣關系.Asaf等人[77]比較了Nicotianaotophora及其近緣種的葉綠體基因組結(jié)構(gòu)并基于葉綠體基因組數(shù)據(jù)重建了煙草屬下種間關系.Wang等人[10]基于葉綠體基因組數(shù)據(jù)探討了隱子草屬屬下種間關系，雖然沒有完全解析該屬下所有種的關系，但是質(zhì)體數(shù)據(jù)高度支持Cleistogenessquarrosa是該屬的基部類群.此外，葉綠體基因組也在山茶屬[78]、蔥屬[79，80]、松屬[81]等系統(tǒng)發(fā)育研究中得到了應用.

雖然葉綠體基因組數(shù)據(jù)目前已經(jīng)廣泛用于系統(tǒng)發(fā)育研究[82-85]，但仍存在一些問題.近年來，基于葉綠體系統(tǒng)發(fā)育基因組學研究比較有爭議的問題就是由系統(tǒng)誤差導致的長枝吸引效應.長枝吸引效應(Long Branch Attraction，LBA)是指基于有限的數(shù)據(jù)集進行系統(tǒng)發(fā)育研究過程中，由于高頻率的平行突變、回復突變或進化速率較快等因素存在，使原本親緣關系較遠的類群序列達到相似，而系統(tǒng)發(fā)育分析過程中會錯誤地把這些不是來自共同祖先的類群聚在一起的現(xiàn)象[86].在利用組學進行系統(tǒng)發(fā)育研究的過程中，LBA效應會被顯著放大，對精確重建系統(tǒng)發(fā)育關系產(chǎn)生不利影響[87-89].目前，在柏木亞科[90]等類群中研究了質(zhì)體系統(tǒng)發(fā)育基因組學中的LBA效應.引起長枝吸引效應的原因有很多，最常見的原因是取樣不全或取樣不當.一個典型的例子就是關于被子植物基部類群的研究[46，91-93].許多系統(tǒng)發(fā)育研究工作者提出了幾種避免長枝吸引效應的方法，主要包括：①模型優(yōu)化，在構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹之前，將比對好的數(shù)據(jù)矩陣通過設定gamma分布參數(shù)進行最優(yōu)模型選擇[94, 95]；②去除快速演化的基因或位點，如第三位密碼子等[96, 97];③增加代表類群取樣，尤其是增加與長枝分類單元較近對的類群[98].此外，僅僅依靠葉綠體基因組數(shù)據(jù)重建的系統(tǒng)發(fā)育關系不能解釋網(wǎng)狀進化、雜交和多倍化等現(xiàn)象.因此，想要反映物種的真實的系統(tǒng)發(fā)育關系仍需要結(jié)合更多的分子、細胞和形態(tài)等數(shù)據(jù).

2.2葉綠體基因組在居群遺傳學研究中的應用居群遺傳學(Population genetics)主要研究生物居群等位基因頻率及居群的相互關系，主要有自然選擇、遺傳漂變、基因突變和基因流四個過程.目前居群遺傳學主要研究種內(nèi)居群間或近緣物種之間的進化歷史，其研究內(nèi)容主要集中在遺傳多樣性、遺傳分化和物種進化方式等方面[99].遺傳多樣性指的是種內(nèi)遺傳多樣性或遺傳變異，是生物多樣性的重要組成部分.遺傳多樣性實質(zhì)是內(nèi)在遺傳物質(zhì)的變異[100].DNA序列的多態(tài)性為遺傳分析奠定了基礎，單親遺傳且一般沒有重組使得葉綠體基因組序列成為研究植物居群遺傳的得力工具[101].SSR位點在真核生物基因組分析中普遍存在，多態(tài)性高，可通過PCR快速分型.葉綠體基因組中的SSR位點可以為植物居群遺傳結(jié)構(gòu)的分析提供重要的信息.在松屬植物中，葉綠體基因組是通過花粉遺傳的，借助PCR方法可以檢測該屬植物的基因流[102].利用跨越葉綠體基因組不同區(qū)域并且可以擴增編碼區(qū)和非編碼區(qū)的100對引物(72對引物位于LSC區(qū)，13對引物位于SSC區(qū)，15對引物位于IR區(qū))，對13種單子葉植物進行擴增和測序，發(fā)現(xiàn)薯蕷屬、馬唐屬和狼尾草屬植物的多樣性主要表現(xiàn)為單核苷酸多態(tài)性.棕櫚科(Arecaceae)植物的多樣性還包括可變數(shù)目的串聯(lián)重復序列，最容易發(fā)生變異的基因座(rps15-ycf1、rpl32-ccsA、ndhF-rpl32、ndhG-ndhI和ccsA)位于SSC區(qū)[13].Zhao等人[12]基于葉綠體全基因組、轉(zhuǎn)錄組和基因分型測序(GBS)研究了中國胡桃屬植物的居群遺傳、系統(tǒng)發(fā)育關系和雜交物種形成.

2.3葉綠體基因組在譜系地理學研究中的應用譜系地理學是生物地理學的一個分支，主要研究近緣物種之間及種內(nèi)不同居群間的親緣關系，探究物種演化與地質(zhì)歷史的關系，并結(jié)合多學科推斷種群動態(tài)、進化歷程及物種現(xiàn)有分布格局的成因[103].葉綠體基因組為單親遺傳且進化速率適中，在譜系地理學領域應用較為廣泛.目前，多以葉綠體分子標記進行植物譜系地理學研究[104-106].隨著測序技術(shù)的發(fā)展，基于比較葉綠體基因組研究開發(fā)特異性標記已經(jīng)成為趨勢，對紫薇屬六個物種全葉綠體基因組比較分析，鑒定到12個高可變區(qū)，為紫薇屬的居群遺傳學和譜系地理分析提供了可用的質(zhì)體標記[107].對紫檀屬五個物種葉綠體基因組比較分析鑒定到8個高度可變區(qū)，可以作為特異性標記進行紫檀屬的譜系地理學研究[14].Xu等人[15]基于葉綠體基因組數(shù)據(jù)對風毛菊屬的分類、物種分布和地理歷史進行了研究，表明青藏高原及周邊地區(qū)如橫斷山脈的景觀異質(zhì)性對風毛菊屬的演化具有重要的作用，青藏高原及周邊地區(qū)的持續(xù)抬升和全球變冷可能導致風毛菊屬的地理擴張和擴散.

2.4葉綠體基因工程Daniell等人[108]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過EDTA處理后的黃瓜黃化質(zhì)體可以吸收外源DNA，并在體內(nèi)表達.基因槍轟擊法極大地簡化了葉綠體遺傳轉(zhuǎn)化體系，Boynton等人[16]首次利用基因槍法將atpB基因?qū)朐摶蛲蛔円略迦~綠體中，獲得了光合作用恢復的衣藻；Svab等人[109]獲得了高等植物煙草的葉綠體穩(wěn)定遺傳植株.Ruf等人[110]結(jié)合CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，開發(fā)了新的高效穩(wěn)定的葉綠體遺傳轉(zhuǎn)化方法.與傳統(tǒng)的以核基因組為受體的遺傳轉(zhuǎn)化相比，葉綠體遺傳轉(zhuǎn)化具有很多優(yōu)勢[18]：目的基因表達效率高，不存在轉(zhuǎn)化后基因沉默現(xiàn)象；葉綠體基因表達方式與原核生物相似，可以進行多順反子表達；葉綠體是一個生物反應器，能夠在葉綠體中積累任何的外來蛋白和其他生物產(chǎn)物，尤其是在細胞質(zhì)中有害的生物產(chǎn)物；多為母系遺傳，外源基因不會隨花粉擴散，環(huán)境安全性高.除煙草外，小麥[111]、水稻[112]、大豆[113]、棉花[114]、番茄[115]、馬鈴薯[116]、胡蘿卜[117]、萵苣[118]和擬南芥[119]等植物的葉綠體遺傳轉(zhuǎn)化研究也取得了成功.

通過葉綠體基因工程將抗性基因?qū)肴~綠體基因組中，可以增強植物對除草劑的耐受性或增強植物抗蟲性.在植物中表達對草甘膦不敏感的epsps基因是培育耐除草劑作物的主要方式[120].將epsps基因?qū)霟煵萑~綠體基因組后，得到的轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出了高草甘膦抗性[121].類似的，通過葉綠體基因工程獲得的轉(zhuǎn)Bar基因植株，也表現(xiàn)出了對草銨膦類除草劑的抗性[122].McBride等人[123]將抗蟲基因cry1Ac導入煙草葉綠體基因組中，轉(zhuǎn)基因植株中Bt蛋白的表達量顯著高于核基因轉(zhuǎn)化得到的轉(zhuǎn)化植株的表達量，這是葉綠體基因工程對農(nóng)藝性狀改良的首次應用.Zhang等人[124]利用質(zhì)體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)在煙草和馬鈴薯中高效表達了馬鈴薯葉甲蟲的雙鏈RNA，在提高植物抗蟲性上取得了突破性進展.

滲透保護劑在植物應對干旱和鹽脅迫等非生物逆境過程中起重要作用，將編碼滲透保護劑相關基因在植物體內(nèi)過表達，可以有效提高植物的耐鹽和耐旱能力.Kumar等人[117]將編碼甜菜堿脫氫酶的BADH基因?qū)牒}卜葉綠體基因組中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株BADH基因的表達量顯著提高，明顯提高了轉(zhuǎn)基因植物的耐鹽能力.將編碼阿拉伯糖醇脫氫酶的ArDH基因?qū)霟煵萑~綠體基因組中，獲得了能夠在含350 mmol/L NaCl的土壤中正常生長的轉(zhuǎn)基因植株[125].在煙草葉綠體中表達脫氫抗壞血酸還原酶、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽還原酶提高了植物對非生物脅迫的耐受性[126].

由于葉綠體數(shù)目龐大，葉綠體基因組的拷貝數(shù)多，其整合的外源基因表達效率高，所以葉綠體轉(zhuǎn)基因植株是生產(chǎn)生長激素、抗體和蛋白質(zhì)最好的生物反應器，其表達量比核基因組轉(zhuǎn)化系統(tǒng)高300倍[127].此外，有些在細胞質(zhì)中可能是有害的物質(zhì)，不能通過核基因轉(zhuǎn)化獲得[128].例如，霍亂β亞基(CTB)基因，通過核基因組在葉片中表達時，即使表達水平很低，仍會對葉片造成毒害，但當該基因?qū)肴~綠體基因組并大量表達積累時是無毒的[19，20].海藻糖是一種醫(yī)藥工業(yè)的防腐劑，當它在細胞質(zhì)中積累時，對植物細胞毒性很大，但當其在葉綠體中區(qū)隔時，對細胞是無毒的[129].不同于在核基因組的轉(zhuǎn)化和表達，木聚糖酶在葉綠體中高表達不會導致細胞壁降解也不會影響植物生長[130].

3 展 望

葉綠體是植物進行光合作用的場所，是植物特有的細胞器.與核基因組相比，葉綠體基因組具有拷貝數(shù)高、進化速率適中等優(yōu)點.隨著測序技術(shù)的快速發(fā)展，葉綠體基因組測序開始變得簡單.葉綠體基因組數(shù)據(jù)已經(jīng)在系統(tǒng)發(fā)育、居群遺傳和譜系地理研究中得到了廣泛的應用.但是對于一些特殊植物的葉綠體基因組結(jié)構(gòu)變異機制的研究還不夠深入，對于葉綠體基因的RNA編輯、水平轉(zhuǎn)移、核質(zhì)互作等進化方面的研究仍需要廣泛開展.對葉綠體基因組的深入研究將會促進我們更好地應用葉綠體基因組.