1、植物线粒体 DNA 质料研究进展0 斗口卜舢 6植物学通报 2OOO,17(5):401406ChilleseofBotany植物线粒体 DNA 质粒研究进展付娟高才昌(南开大学分子生物学研究所天津 30007,阜 3523摘要本文列出了已发现的高等植物中的线粒体 DNA 质粒,按分子形状分为线粒体环状 DNA 质粒和线粒体线状 DNA 质粒,环状线粒体 DNA 质粒的特征是分子较小.序列中有正向/ 反向重复序列,ORF 一般较小:线状线粒体 DNA 质粒的特征是分子较大,末端有重复序列,5端与蛋白质共价结台,有较长的ORF.还分另 4 介绍了它们的复制机制,转录和起源.质粒问及质粒与桉基因组
2、,线粒体基因组,叶绿体基因组的同源性也作了介绍.最后,综述了植物线粒体 DNA 质粒与植物的细胞质雄性不育(cMs) 之间的关系关键词遭塑些笪,毯些堡堕,塑垦雄育CurrentAdvanceinPlantMitochondrialPiasmidDNA(叫虹如 rBogybutiuaeGAOCai-Changbh/ts.Tumjln30007I)AbstractThisD8tcr1istsmitoehondrialplasmidDNAswhichhavebeenfndinhigherplantsand出 videsthemintomitochondrialcircularpasmidDNAsan
3、dmltochondriallinearplasmidDNAs.MitoehondfialcireularplasmidDN:Laresmaller.Theyusuallycontalndireetand/orinvertedrepeatsandsanaller0RFs.MitochondriallinearplmidDNAsarelal,andtheyeontainrenninalinvertedrepeats.proteinscovalen vboundat5terminus,andlongerORFs.Replication,transcriptionandoriginofthetwok
4、indsofmitoehondrialplasmidDNAsareintroducedrespectivelyetmolo 一盯amongplaidsanddiehomoloDrbeplasmidsandnucleargenoffe,mitoehondrialgenome,chloroplastgenomearealsointroduced.Therelationshipbetw.enplantmltoehondrialplasmidDNAsandcoplasmicmalesterility(CMS)isdiscussed.KeywordsPlantmitochondria.Mitochond
5、rialplasmidDNA,Cytoplasmicmalesterility(CMS)自线粒体发现以来,对线粒体的起源及线粒体基因组与核基因组的关系一直是研究的热点.线粒体基因组结构复杂,除了线粒体主基因组外,Pring 等 1977 年在 CMS-S 型玉米中发现了线粒体基因组外可自我复制的小分子 DNA,这种小分子称为线粒体DNA 质粒.后来发现在多种植物中存在线粒体 DNA 质粒.按分子形状将它们分为环状线粒体DNA 质粒和线状线粒体 DNA 质粒.环状线粒体 DNA 质粒的特征是分子较小,一般只有 13kh,序列中正向/反向重复序列,ORF 一般较小.线状线粒体 DNA 质粒的特征是
6、分子较大,可达 11.3kb,末端有重复序列,5端与蛋白质共价结合,有较长的 ORF.以往关于植物线粒体 DNA 质粒的综述(Newton,1988;Levings 等,1989;Bo,m 等,1995)较为简略国家自然科学基金资助项目(39770414)联系Authorforc0 珊 da 口睫.作者简介:付娟,南开大孛丹子生物学研究所硕士研究生 ;高吕,南开大学舟子生物学研究所教授,主要从事功能质粒和载体质粒的研究,主持过三项国家自然科学基金项闷,一项国家教委重点课题.收稿日期:199937.28 接受日期 :19999-24 责任编辑: 程红矗植物学通报 7 卷1 环状线粒体 DNA 质
7、粒环状线粒体 DNA 质粒首先是在玉米线粒体中发现的(Kemble 等,1980),后来在其他种植物中也发现了环状线粒体 DNA 质粒.已发现的环状线粒体 DNA 质粒的性质见表(1).表 1 已发现的环状线粒体 DNA 质粒的性质1.1 环状线粒体 DNA 质粒的结构特征及质粒间同源性环状线粒体 DNA 质粒有共价闭环,超螺旋,开环等形式.其结构的一个重要特征是含有正向/反向重复序列.正向重复序列几乎在所有线粒体 DNA 质粒中存在.重复序列长度从 9bp(D0l 等,1991) 到 60bp(Perez 等,1989)不等,甚至在一个质粒中有 7 个串联重复序:1(Wahleither 等
8、,1987).反向重复序列是环状线粒体 DNA 质粒的一个普遍特征在甜菜的环状线粒体 DNA 质粒 Mec,Mcd(MuIlk 等,1984;Thomas,1986)和蚕豆的环状线粒体 DNA 质粒 mpl,mp2(Wahleither 等,1987)中反向重复序列存在于正向重复序列中推测正向重复序列与环状线粒体 DNA 质粒的重组有关,而反向重复序列则参与了环状线粒体 DNA 质粒的复制过程.研究中还发现一个环状线粒体 DNA 质粒可以和同种植物甚至不同种植物的环状线粒体 DNA 质粒存在同源性.如蚕豆的 mp1 和 mp3 之间有 10%的同源性,mp2 和rap3 有25%的同源性,而
9、mpl 和 mp2 则有 60%的同源性(Wahleither 等,1987;Flamand 等,1992).向日葵的 P1,P2 质粒中有一段 437bp 的序列有 99.1%的同源性(Dela 等,1991)5 期付娟等:植物线粒体 DNA 质粒研究进展1.2 环状线粒体 DNA 质粒韵复制环状线粒体 DNA 质粒的复制仅在蚕豆和自藜中有报道.Wableither 等 f1988)研究蚕豆中环状线粒体 DNA 质粒的复制,发现 rap2 和 rap3 都有特定的复制起始位点,反向重复序列折叠成发卡结构作为起始位点,两个质粒都自起始位点单向复制.Backert 等(1997)报道了白藜中环状
10、线粒体 DNA 质粒 13kb 质粒的滚环复制机制.双向凝胶电泳结果显示复制体中除了单体外还有十聚体的分子存在.复制是不对称的,仅以其中一条链为模板进行复制.确定了复制起始位点是先导链上 735 位附近的 TAAG/GG 序列.环状线粒体 DNA 质粒复制的生化基础还不清楚,但目前已在白藜的 1.3kb 质粒的复制复合体中发现有 7 一 DNA 聚合酶和拓扑异构酶 I.1.3 环状线粒体 DNA 质粒韵转录目前已发现多种环状线粒体 DNA 可以转录(Chase 等,1985;Flammd 等,1992;Dela 等,1991;Thomas,1986).但转录物不大 ,不足以编码有功能的蛋白质.
11、目前为止,还没有检测到翻译产物.研究中还发现一个奇怪的现象:向日葵的 Pl 质粒 ORF 仅为 141bp,杂交检测到680m和 550m 的转录物(Dela 等,1991)蚕豆的 mp-2 的 ORF 仅为 81bp,却检测到 441nt的转录物(Flamand 等,1992),提示转录中或转录后可能有编辑作用或其他作用机制使核苷酸数目激增.1.4 环状线粒体 DNA 质粒韵起源环状线粒体 DNA 质粒与线粒体基因组,叶绿体基因组都没有同源性,而大多与核基因组具有同源性(高粱的 CMSIII2 株中 1.7kb,2.3kb 质粒与核基因组无同源性,是例外).推测环状线粒体 DNA 质粒起源于
12、核基因组.但 Fukucifi(1991)报道水稻 B4 质粒与核基因组的同源性,B4 在核基因组上的同源序列散在分布,把核基因组中与 B4 同源的序列连接起来也不能形成完整的 B4 序列.另外在核基因组中与 B4 同源的序列附近有 5个与叶绿体,线粒体同源的区域.B4 质粒中有许多反向重复序列,转录 RNA 时形成茎环,该结构是 RNA 逆转录酶的底物 Fukuchi 由此推测 B4 质粒是通过线粒体向核基因组转移的种间及种内线粒体 DNA 质粒间的同源性说明不同的线粒体 DNA 质粒可能起源于同一祖先,质粒间的重组造成了质粒的多样性.由甜菜 Mca,Ned,Mce 的同源性,Thomas(
13、1986)推测 Mcd 是由 Mca,Mcc 同源重组产生的.2 线状线粒体 DNA 质粒目前为止,研究较多的线状线粒体 DNA 质粒是玉米中的线粒体 DNA 质粒.线状线粒体 DNA 质粒在不同玉米类型中的分布是限制性的.例如 s1 和髓质粒仅在 s 型细胞质的 CMS 株中存在,与其同源性很强的 R1,R2 质粒则在可育的墨西哥种的 RU型细胞质的植株和雄性可育的拉丁美洲玉米的线粒体中存在.在玉米 Zeadiploperenns 中有序列和大小与 Rl,R2 相似的 Dl,D2 质粒.玉米的 2.3kb 大小的线粒体 DNA 质粒在所有玉米中都能检测到(Kemble 等,1983).目前已
14、发现的线状线粒体 DNA 质粒的性质见表(2).2.1 玉米韵线状线粒体 DNA 质粒玉米中的三种线粒体 DNA 质粒 sl,S2,2.3kb 质粒都已测序 DNA 序列中都有 ORF,植物学通报 7 卷把已推测有功能的多肽基因产物的 ORF 称为 uff,还没有确定功能的多肽基因产物的 ORF称为 ORF.52 中有 208 的末端重复序列(_rIR),两个 ORFS2-uffl 和 ORV2,可能分别编码1098 和339 个氨基酸的多肽 s1 中有 1462 的区域与 s2 高度同源,这段区域包括 ORV2和 TIR此外 s1 中还有两个 ORF:S1 一 url3 和 ORF4,可能分
15、别编码 929 和 256 个氨基酸的多肽.还有一段 420bp 的区域与叶绿体中 ps 基因同源(Sedemff,1986).2.3kb 质粒中有tRN.Mro 和 tKNATrp 基因.2.3kb 质粒与叶绿体基因组有同源性 ,在其他植物中,这段同源区不是在 2.3kb 质粒上而是位于线粒体基因组上(Leon 等,1989).推测的 s2 一 urfl 的多肽的氨基酸序列与噬菌体和线粒体的 RNA 聚合酶有同源性.(Kuzmin,1988;Oeser,1988).同样,推测的 s1 一 urf3 的多肽序列与动物病毒,线状质粒及噬菌体的 DNA 聚合酶的序列同源(Ktmmin,1987;C
16、ourt,1992)推测 s2 一 urfl 和 S1一 urf3 分别编码 KNA 聚合酶和 DNA 聚合酶.因而推测 s2 一 uffl 和 S1 一 urf3 编码的蛋白质与线状线粒体 DNA 质粒的转录和复制有关,Leon 等(199“2) 提出 2.3kb 质粒的 ORF 可能编码与线状线粒体 DNA 质粒末端结合的蛋白._表 2 已发现的线状线粒体 DNA 质粒的性质2.2 线状线粒体 DNA 质粒的复制与起源Levings 等(1983)分析了 s2 质粒的全序列,发现 s2 中有 208bp 的末端反向重复序列,Kemble 等揖道了 s1,s2 的 5末端与蛋白质共价结合,这
17、种蛋白作为引物引发 s1,S2DNA 的复制.还发现 s2 末端有 9bp 与29 的末端序列同源 .Meints(1989)发现复制的中间体包括一个长的单链区,提出了替换复制模型.由于 s1,s2 的复制机制与病毒相似,Meihardt 等(1990)提出线粒体 DNA 质粒起源于感染到内共生细菌中的噬菌体另外由于 s1,s2 与相应的线粒体基因组有同源性:线粒体基因组中有与 s1,s2 的5 期付娟等:植物线粒体 I)NA 质粒研究进展208bp 末端反向重复序列(TIR)同源的序列,且 s1,s2 町以依靠 TIR 整合到线粒体基因组中,因而提出 s1,s2 是由线粒体基因组切除或重排产
18、生的3 植物线粒体 DNA 质粒与细胞质雄性不育(CMS)之间的关系细胞质雄性不育(cMs) 是由许多原因造成的 .不少学者研究了环状线粒体 DNA 质粒与 CMS 的关系Yamaguehi(1983)发现水稻酣型不育系中存在 B1,B2 质粒,而可育系中不存在.Nawa(1987)研究了 B1型不育系的育性恢复系后,发现 Bl,B2 的插入和游离与CMS 有关,Mignoma 在 Indies1.wA 型的不育系和可育系中都发现三种线粒体 DNA 质粒,不育系比可育系多一个 2.1kb 的线粒体质粒,并认为线粒体 DNA 质粒的这种变化与 CNS 有关,但Salech 等(1989)发现野败
19、型 V41 的可育系和不育系线粒体 DNA 质粒并无差异,认为线粒体 DNA 质粒与 CMS 并无必然的联系 .最初认为玉米中的 sl,s2 质粒的游离与整合与玉米的 CNS 有关: 在 CNS-S 株中有游离的 sl,s2 质粒 ,在其育性恢复系中 sl,s2 整合到线粒体主环上 .但后来发现在不同的核背景下,S 质粒的游离与整合并非都与育性有关( 刘良式等,1997).目前多数学者认为线粒体 DNA 质粒与 CVlS 并不存在简单的联系,但线粒体DNA 质粒的存在增加了线粒体 DNA 的多态性(涂碍等,1997).4 展望对植物线粒体 D,NA 质粒的研究已有二十多年,积累了许多的知识,但
20、还有很多问题有待进一步研究.例如它们的起源和功能.文献中报道转录出的 RNA 远远大于ORF 现象,提示在转录中是否有编辑或其他的机制使 PLqA 的数目激增?对植物线粒体DNA 质粒的研究可能加深对基因表达过程的了解,也有助于线粒体的起源研究.参考文献刘良式.李菁菁,1997 植物分子遗传学,北京科学出版社,15 一儿 6涂罐,朱英国.遗传,1.19(5):4548BadS. 轴町 K.h 埘阿 T,1Eniefeuresoflhel0ch0nrollingiIc1p【枷 dmplfromhp【Chen 叩【枷 albumfL)AcidsRes,25582589BGC,zhMD.1.1,le
21、adarBi.ofPIatli 衄曲 a.Nd9:umAeMlePbli 幽 619】蛳 CD,唱 DR,】985CilarpI 踟胡 DhAsrmumaofs0 唧 bieolor.胁 Mo/B/d,5:31)33llC 叫 nDA,BeardIt,】992Cenczm 帆 andslmeturalafL鹃 of【哟 mlar,一inducinglinearml1 吨 h 册由 iplsmid0fNeutrora(州.385397CmllatD,Gen 出 itelL,Delac 叽 L,Vauc,PedtA.【鹧 P.【0c,1989Pmwm叭dnueleelide 唧呲-eamiI 瑚
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