禾本科主要農(nóng)作物葉綠體基因組研究進(jìn)展

李裕華 任永康 趙興華 劉江 韓斌 王長(zhǎng)彪 唐朝暉

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，太原 030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，太原030031；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究中心，太原 030031；4.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，太原 030031）

作為光合作用的主要場(chǎng)所，葉綠體被視為推進(jìn)早期生命進(jìn)化的能量起源。此外，葉綠體在植物生理學(xué)和發(fā)育的其他方面也起著至關(guān)重要的作用［1］，包括氨基酸、核苷酸、脂肪酸、植物激素、維生素和大量代謝產(chǎn)物的合成以及硫和氮的同化等重要的生理生化活動(dòng)［2］。葉綠體基因組研究不僅有助于通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化體系改良葉綠體功能和選育新品種，而且有利于增強(qiáng)對(duì)植物生物學(xué)和生物多樣性的理解。全面了解葉綠體基因組及其在生物進(jìn)化中的作用，能夠?yàn)橹参锟茖W(xué)的系統(tǒng)發(fā)育研究提供關(guān)鍵信息，同時(shí)也為探索核基因組、線粒體基因組以及葉綠體基因組3個(gè)基因組之間的關(guān)系提供新的思路。

禾本科作物是人類(lèi)糧食和牲畜飼料的主要來(lái)源，如小麥、水稻、玉米、大麥及高粱等。研究發(fā)現(xiàn)，與其他植物相比，禾本科作物葉綠體基因組在進(jìn)化過(guò)程中的速度加快［3］，同時(shí)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了一系列變化［4］，因此，禾本科植物為葉綠體基因組的進(jìn)化研究提供了很好的條件。

1 禾本科作物葉綠體基因組的特征

1962年，通過(guò)電子顯微鏡觀察衣藻（Chlamydomonas）葉綠體，發(fā)現(xiàn)了DNA纖絲，由此得出葉綠體內(nèi)存在DNA分子［5］。此后，在很多植物中先后發(fā)現(xiàn)葉綠體DNA。1986年，植物葉綠體基因組——煙草（Nicotiana tabacum）全序列最先被發(fā)表［6］，同年Ohyama又測(cè)得地錢(qián)（Marchantia polymorpha）葉綠體基因組的完整序列［7］。隨后，葉綠體基因組數(shù)據(jù)庫(kù)迅速增加充實(shí)。

1.1 主要禾本科作物葉綠體基因組序列特征

目前，在NCBI（National Center for Biotechnology Information）上公布的禾本科葉綠體完整基因組序列有1 219個(gè)，其中稻屬（Oryza L.）有104個(gè)，玉米屬（Zea L.）有9個(gè)，小麥屬（Triticum L.）有41個(gè)。小麥（Triticum aestivum）［8］、水稻（Oryza sativa）［9］、玉米（Zea mays）［10］、大麥（Hordeum vulgare）、高粱（Sorghum bicolor）［11］、黑麥（Secale cereale）［12］等主要禾本科作物的葉綠體全基因組序列也已隨之公開(kāi)（表1）。

表1 完成測(cè)序的部分禾本科作物葉綠體基因組序列分析

從這些完成測(cè)序的主要禾本科作物葉綠體基因組的大小來(lái)看，一般在115 kb-150 kb［13-14］，表1中最大的是高粱（140 752 bp），最小的是黑麥（114 843 bp），小麥、水稻、燕麥、大麥、二穗短柄草之間葉綠體基因組大小相差不多。禾本科作物葉綠體基因組中GC含量均在37.1%（黑麥）-38.9%（水稻）。LSC區(qū)的長(zhǎng)度約80 kb，SSC區(qū)的長(zhǎng)度約13 kb，IR區(qū)的長(zhǎng)度約20 kb［15］。水稻葉綠體基因組中基因數(shù)量最多，為162個(gè)，小麥、高粱、燕麥、大麥、二穗短柄草之間葉綠體基因組中基因數(shù)目差異不大。tRNA在各物種之間數(shù)目和種類(lèi)存在差異，但rRNA的數(shù)目和種類(lèi)在各物種之間保持穩(wěn)定。

1.2 主要禾本科作物葉綠體基因組結(jié)構(gòu)特征

禾本科作物葉綠體基因組一般為共價(jià)閉合環(huán)狀DNA，在細(xì)胞中以多拷貝的形式存在［13］。除環(huán)狀外，有極少數(shù)植物的葉綠體基因組為多環(huán)型或線型，如雙鞭甲藻（Crypthecodinium cohnii）的葉綠體基因組為多環(huán)型結(jié)構(gòu)［16］，傘藻（Acetabularia）的葉綠體基因組為線型結(jié)構(gòu)［17］。以禾本科模式作物水稻為例（圖1），從NCBI上下載水稻葉綠體全基因組序列（登錄號(hào)為NC_031333.1），并通過(guò)OGDRAW（http：//chlorobox.mipmpgolm.mpg.de/OGDraw.html）繪制工具繪制。在圖1中可以看出，葉綠體基因組由4個(gè)基本部分組成，分別是大單拷貝區(qū)（LSC），小單拷貝區(qū)（SSC），反向重復(fù)區(qū)A（IRA）和反向重復(fù)區(qū)B（IRB），2個(gè)片段的反向重復(fù)序列被大單拷貝和小單拷貝所隔開(kāi)，2個(gè)IR區(qū)域的序列相同，但方向相反。葉綠體基因組上存在高的基因轉(zhuǎn)換能力［18］，確保了2個(gè)IR序列的一致與穩(wěn)定。禾本科植物在進(jìn)化過(guò)程中，反向重復(fù)區(qū)是葉綠體基因組進(jìn)化過(guò)程中延展或縮小的區(qū)域?；蚪M在進(jìn)化的過(guò)程中，IR區(qū)序列邊緣區(qū)也發(fā)生了變化［19］，隨著IR邊界的擴(kuò)張與收縮，有些基因進(jìn)入IR區(qū)，有些基因進(jìn)入單拷貝區(qū)，導(dǎo)致不同物種間的基因數(shù)量發(fā)生變化。

因此，葉綠體基因組的大小變化在進(jìn)化過(guò)程中主要受到反向重復(fù)區(qū)的長(zhǎng)度變異所影響［20］。禾本科作物在進(jìn)化過(guò)程中，其葉綠體基因組的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化［4，19］。在禾本科作物與煙草的葉綠體基因組比對(duì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，基因排列的順序及轉(zhuǎn)錄方向存在差異。禾本科作物葉綠體基因組中基因的排列從trnR至trnfM、trnG至psbD以及trnT區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了3次倒置［19，21］。其他物種中暫未發(fā)現(xiàn)此種現(xiàn)象，說(shuō)明倒置發(fā)生在禾本科植物的共同祖先中［4，19，22］。

2 禾本科葉綠體基因組中的基因類(lèi)型分布

圖1 水稻（Oryza sativa）葉綠體基因組結(jié)構(gòu)圖

禾本科植物葉綠體基因組含有許多功能基因，大約編碼110-130個(gè)基因［13］，主要分為4大類(lèi)：第一類(lèi)是與光合作用有關(guān)的基因，包括光系統(tǒng)Ⅰ類(lèi)基因、光系統(tǒng)Ⅱ類(lèi)基因、NAD（P）H脫氫酶類(lèi)基因、細(xì)胞色素b/f復(fù)合體類(lèi)基因、ATP合成酶類(lèi)基因、Rubisco大亞基類(lèi)基因，這些基因散布在LSC區(qū)域；第二類(lèi)是與自我復(fù)制相關(guān)的基因，包括核糖體RNA類(lèi)基因、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA類(lèi)基因、RNA聚合酶類(lèi)基因、編碼核糖體大亞基蛋白類(lèi)基因、編碼RNA聚合酶類(lèi)的亞基基因、編碼核糖體小亞基蛋白類(lèi)基因；第三類(lèi)是參與葉綠體中生物合成有關(guān)的基因，包括成熟酶基因、乙酰輔酶A羧化酶基因、蛋白酶基因、包膜蛋白基因、細(xì)胞色素C合成基因和翻譯起始因子基因等；第四類(lèi)為開(kāi)放式閱讀框（Open reading frame，ORF）即一些功能未知的基因。ycf3和ycf4的產(chǎn)物充當(dāng)光系統(tǒng)Ⅰ復(fù)合物的裝配因子［23-26］，Wicke建議將這兩個(gè)基因重命名為pafI和pafII，即光系統(tǒng)Ⅰ的組裝因子I和II［15，26］，所以表中將這個(gè)基因劃分到編碼光系統(tǒng)Ⅰ的基因中（表2）。

表2 葉綠體基因組中的基因類(lèi)型分布

3 禾本科葉綠體基因組中的基因序列解析

隨著禾本科作物的葉綠體基因組測(cè)序數(shù)據(jù)的不斷公布，與基因序列相關(guān)的工作已經(jīng)逐步開(kāi)展，通過(guò)基因序列比對(duì)，進(jìn)一步從基因缺失退化、RNA編輯位點(diǎn)預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行研究，為系統(tǒng)發(fā)育組學(xué)的研究奠定了基礎(chǔ)。

3.1 禾本科葉綠體基因組中的基因缺失退化現(xiàn)象

禾本科植物葉綠體基因組的基因差異較少，參與編碼光系統(tǒng)Ⅰ、光系統(tǒng)Ⅱ、NAD（P）H脫氫酶、細(xì)胞色素b/f復(fù)合體、ATP合成酶、核糖體RNA、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA、RNA聚合酶、編碼核糖體蛋白的基因，以及參與葉綠體生物合成的基因都是高度保守的。但是，在不同作物中一些基因在進(jìn)化過(guò)程中存在退化缺失現(xiàn)象。如在禾本科植物中ycf1和ycf2序列發(fā)生了逐漸退化缺失［27］。小麥、玉米、大麥、高粱及黑麥中的accD序列逐漸退化缺失［19］，但水稻中仍然存在。ycf2和ycf15序列在黑麥中依然存在，但在小麥、玉米、水稻、大麥赫爾高粱中都已缺失。ycf15序列由于其高度保守且含有豐富的變異位點(diǎn)［28］，使得ycf15在系統(tǒng)發(fā)育學(xué)和分子標(biāo)記領(lǐng)域存在巨大的研究空間和潛力［29-30］，但在禾本科植物中由于ycf15結(jié)構(gòu)變異大，存在3種基因結(jié)構(gòu)，限制了其發(fā)展［8，31］。葉綠體基因組中還存在內(nèi)含子丟失的情況，禾本科植物最初分化產(chǎn)生的物種發(fā)生clpP內(nèi)含子的丟失，隨后又發(fā)生了rpoC1內(nèi)含子丟失［19］。

3.2 禾本科作物葉綠體基因組RNA編輯

作為高等植物葉綠體基因轉(zhuǎn)錄后表達(dá)調(diào)控的一種重要方式，RNA編輯是指在基因轉(zhuǎn)錄后mRNA中發(fā)生的核苷酸堿基的插入、缺失或替換，導(dǎo)致核苷酸序列的改變，從而改變?cè)瓉?lái)遺傳信息的過(guò)程，導(dǎo)致同一基因翻譯出多種氨基酸序列不同的蛋白質(zhì)［32-34］。RNA編輯一般通過(guò)改變蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中氨基酸的組成最終影響蛋白質(zhì)的功能。RNA 編輯主要以胞嘧啶轉(zhuǎn)換成尿嘧啶的形式存在，且主要發(fā)生在密碼子的第一、二位堿基［32，35］，但在二穗短柄草（Brachypodium distachyon）［36］中檢測(cè)到19個(gè)編輯位點(diǎn)發(fā)生在密碼子的第三位堿基，在小麥［37］中也存在1個(gè)編輯位點(diǎn)發(fā)生在第三位堿基上。自1991年，Hoch等［38］首次發(fā)現(xiàn)在玉米葉綠體蛋白編碼基因rpl2發(fā)生RNA編輯后，即蘇氨酸密碼子ACG轉(zhuǎn)變?yōu)槠鹗济艽aAUG，人們便對(duì)高等植物葉綠體的RNA編輯現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究。通過(guò)對(duì)小麥［37］、水稻、黑麥、甘蔗（Saccharum officinarum）、玉米、野生二粒小麥（Triticum dicoccoides）［39］、粗山羊草（Aegilops tauschii）［40］及大麥［41］等8種禾本科作物葉綠體的RNA編輯位點(diǎn)進(jìn)行了比較分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ndhA-158、ndhA-188、ndhB-156、ndhB-196、ndhB-204、ndhB-246、ndhB-277、ndhB-494、ndhD-295、rpoB-156、rpoB-182和rpoB-187等12個(gè)位點(diǎn)在8個(gè)物種中均發(fā)生了編輯；atpA-383、ndhA-357、rpl2-1、rps8-61和ycf3-62等5個(gè)位點(diǎn)在7個(gè)物種中發(fā)生編輯，表明這些位點(diǎn)容易發(fā)生編輯［39］。并且發(fā)現(xiàn)ndhB在這幾個(gè)葉綠體基因組中的編輯位點(diǎn)都最多［10，42］。研究發(fā)現(xiàn)RNA編輯的缺失可能會(huì)引起植物黃化，白化甚至幼苗致死［43-45］。例如，在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中，RNA編輯位點(diǎn)rpoA-67和clpP-187的缺失導(dǎo)致植株黃化，幼苗致死［43］；玉米綠色幼苗中ndhB第3個(gè)編輯位點(diǎn)發(fā)生編輯，而黃化幼苗中此位點(diǎn)不發(fā)生編輯［45］。

除此之外，通過(guò)對(duì)RNA編輯位點(diǎn)進(jìn)行比較來(lái)分析物種間的進(jìn)化關(guān)系，從而為禾本科物種的起源和進(jìn)化研究奠定基礎(chǔ)。在ndhB-50、ndhB-235和ycf3-15 3個(gè)位點(diǎn)，二穗短柄草、黑麥和大麥都發(fā)生了編輯，而二穗短柄草和水稻只有在ndhB-235一個(gè)位點(diǎn)發(fā)生編輯，說(shuō)明與水稻相比，二穗短柄草與黑麥和大麥的進(jìn)化關(guān)系較近［36］。隨后，一些物種特異發(fā)生的編輯位點(diǎn)也被鑒定到，atpA-383只在野生二粒小麥和普通小麥中發(fā)生編輯；rpl2-1只在烏拉爾圖小麥（Triticum urartu）和野生二粒小麥中發(fā)生編輯；rps14-27只在普通小麥中發(fā)生編輯［46］；atpF-47、atpF-127、atpB-1487、rpoA-386、rpoA-1009和rpoC2-2003的RNA編輯只發(fā)生在大麥中，表明葉綠體RNA編輯位點(diǎn)也存在一定的物種特異性［41］。

4 禾本科葉綠體基因組在系統(tǒng)發(fā)育組學(xué)中的應(yīng)用

系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)的研究是圍繞著系統(tǒng)發(fā)育學(xué)和基因組學(xué)展開(kāi)的，主要研究?jī)?nèi)容包括在基因組水平上通過(guò)大量的分子數(shù)據(jù)研究生物之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系以及通過(guò)物種之間進(jìn)化關(guān)系來(lái)進(jìn)行基因組進(jìn)化機(jī)制的研究［47-49］。由于線粒體基因組大小在各植物類(lèi)群中變異很大，基因組中存在很多外源基因插入，且線粒體基因組中分子內(nèi)重組的現(xiàn)象廣泛存在。所以目前，進(jìn)行植物系統(tǒng)發(fā)育研究主要是利用葉綠體基因組和核基因組的基因組結(jié)構(gòu)及變化進(jìn)行分析。然而，在植物中由于核基因組的復(fù)雜性使得低拷貝基因的篩選比較困難。葉綠體基因組由于大小適中，基因組結(jié)構(gòu)較為保守，易于測(cè)序。且各植物類(lèi)群葉綠體基因組之間具有良好的共線性，便于比較分析。葉綠體基因組堿基替換率適中，近年來(lái)基于葉綠體基因組的系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)得到了較快的發(fā)展，完整的葉綠體基因組序列對(duì)于破譯密切相關(guān)的類(lèi)群之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系以及增進(jìn)對(duì)植物物種進(jìn)化的理解非常有價(jià)值［50］。

4.1 DNA條形碼在系統(tǒng)發(fā)育分析中的應(yīng)用

DNA條形碼技術(shù)是利用生物體DNA中一個(gè)或幾個(gè)保守片段對(duì)物種進(jìn)行快速準(zhǔn)確鑒定的新興技術(shù)。葉綠體上的DNA序列片段（如matK、rbcL、trnH-psbA、rpoC1、rpoB、accD、ycf5和ndhJ等）在植物DNA條形碼被廣泛應(yīng)用。Bieniek等［51］使用matK、rbcL和trnH-psbA 3個(gè)DNA條形碼對(duì)禾本科的小麥屬的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)行研究，目的是評(píng)估由上述DNA條形碼標(biāo)記（matK和rbcL）和候選標(biāo)記（trnHpsbA）提供的系統(tǒng)發(fā)育信息的價(jià)值，并評(píng)估這些序列的物種識(shí)別效力。李永青等［52］通過(guò)對(duì)8種禾本科牧草DNA條形碼通用序列篩選得到matK（matK1、matK2和matK3）和rbcL基因的4個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)，并建立了相對(duì)應(yīng)的特異DNA識(shí)別碼。研究可為混合禾本科牧草飼料中的高粱屬、玉蜀黍?qū)佟④杠覆輰?、針茅屬、黑麥草屬、羊茅屬和早熟禾屬?種牧草準(zhǔn)確識(shí)別提供分子水平上的科學(xué)依據(jù)。Song等［53］通過(guò)對(duì)4個(gè)高梁屬的葉綠體基因組之間的比較分析，得到651個(gè)可變位點(diǎn)，137個(gè)Indel和9個(gè)小倒位。并檢測(cè)到4個(gè)存在差異的DNA區(qū)域（rps16-trnQ、trnG-trnM、rbcL-psaI和rps15-ndhF），它們適合于系統(tǒng)發(fā)育和物種鑒定。系統(tǒng)發(fā)育分析得出高粱族是蜀黍族中的一個(gè)單族群。

4.2 葉綠體分子標(biāo)記在系統(tǒng)發(fā)育分析中的應(yīng)用

分子標(biāo)記廣泛應(yīng)用于遺傳育種、基因組作圖、基因定位、物種親緣關(guān)系鑒別、基因庫(kù)構(gòu)建、基因克隆等方面的研究。目前，基于葉綠體DNA的分子標(biāo)記主要有：非編碼區(qū)分子標(biāo)記、cpSSR標(biāo)記、SNP和cpInDel標(biāo)記等。葉綠體基因組中的SSR對(duì)于解決緊密相關(guān)的類(lèi)群之間的遺傳多樣性非常有用，因此，增加種間研究的能力，可與核基因組開(kāi)發(fā)的SSR標(biāo)記結(jié)合使用，以解決關(guān)系緊密的物種之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系［53］?；跍y(cè)定的葉綠體基因組序列，Qiu等［54］為5種優(yōu)質(zhì)羊茅物種組裝了葉綠體基因組，并鑒定了結(jié)構(gòu)變異和突變熱點(diǎn)，開(kāi)發(fā)確定了cpSSR標(biāo)記，以促進(jìn)優(yōu)良羊茅物種的鑒定。并結(jié)合羊草屬和黑麥草屬中其他物種的葉綠體基因組，重建了羊茅屬和黑麥草屬?gòu)?fù)合體的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。

4.3 葉綠體基因組在系統(tǒng)發(fā)育分析中的應(yīng)用

同種中，不同亞種的葉綠體基因組序列的不同，反映了它們?cè)谶M(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生了差異。葉綠體基因組數(shù)據(jù)庫(kù)的迅速充實(shí)為揭示葉綠體基因組進(jìn)化理論的研究提供了更充足的條件。通過(guò)比較野生稻與栽培稻的葉綠體基因組序列，發(fā)現(xiàn)野生稻葉綠體全基因組中存在插入和缺失現(xiàn)象，多發(fā)生在 IR區(qū)域的編碼區(qū)，堿基的置換則發(fā)生在LSC和SSC區(qū)域［55］。Cheng等［56］對(duì)412份水稻種質(zhì)包括野生稻、粳稻、秈稻的葉綠體基因組進(jìn)行分析，揭示出亞洲水稻（秈稻和粳稻）與野生稻的分離簇，并結(jié)合中國(guó)［57］和印度［58］亞洲水稻的考古證據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，兩個(gè)結(jié)果都表明秈稻和粳稻在葉綠體基因組水平上可能具有獨(dú)特的背景，即亞洲水稻（Oryza sativa L.）至少被馴化了2次。

通過(guò)以煙草為對(duì)照，對(duì)玉米、水稻和小麥的106個(gè)葉綠體基因的核苷酸序列進(jìn)行比較分析，表明玉米、水稻和小麥的葉綠體基因組的大多數(shù)基因區(qū)域進(jìn)化速率相似，但RNA基因具有高度保守的進(jìn)化速率，并通過(guò)葉綠體基因的可變核苷酸位點(diǎn)來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，從而得出支持水稻和小麥之間的關(guān)系更加緊密的論點(diǎn)［59］。Givnish等［60］基于545個(gè)單子葉植物和22個(gè)亞群中的77個(gè)葉綠體基因組，對(duì)系統(tǒng)發(fā)生率進(jìn)行了最大似然分析。研究表明物種多樣化經(jīng)歷了4次大規(guī)模加速，禾本科（Poaceae）、多葉菊科（Danyanthaceae）、蘭亞科（Orchidoideae）的樹(shù)蘭亞科（Epidendroideae）和傘形科（Lemnoideae）的天南星科（Araceae），它們均與特定的生態(tài)/形態(tài)變化有關(guān)。單子葉植物的分支確定和支持隨著基因數(shù)目和分支長(zhǎng)度的增加而增加，并隨著相對(duì)分支深度的增加而減少。

Mondal等［61］通過(guò)對(duì)短粒野生稻，對(duì)組裝的葉綠體基因組以及其他11個(gè)測(cè)序的稻屬物種的葉綠體序列進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育分析，推斷該新組裝的葉綠體基因組與稻屬中的粳稻亞組接近。Moner等［62］對(duì)58個(gè)野生和馴化的水稻樣品進(jìn)行了完整的葉綠體基因組序列分析，以研究它們的系統(tǒng)發(fā)育，從而提供了有關(guān)全球主要野生A基因組水稻主要群體的生物地理學(xué)的更多信息。通過(guò)在AUS稻和粳稻進(jìn)化枝中鑒定AUS（一種主要產(chǎn)于孟加拉國(guó)的水稻）種質(zhì)，提出了栽培的AUS組水稻的多系母本基因組起源。當(dāng)前葉綠體類(lèi)型的分布似乎與核基因組多樣性的分布明顯不同，表明水稻祖先的復(fù)雜進(jìn)化歷史導(dǎo)致了水稻的馴化。竹亞科作為禾本科的一個(gè)分支，由于其很少開(kāi)花和無(wú)性繁殖的原因使得它不論從形態(tài)上還是分子水平上，都被認(rèn)為是分類(lèi)學(xué)中的一個(gè)困難群體。通過(guò)對(duì)24個(gè)完整的葉綠體基因組進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，為證實(shí)由竹亞科（Bambusoideae）與稻亞科（Ehrhartoideae）、早熟禾亞科（Pooideae）共同構(gòu)成了BEP分支中竹亞科和早熟禾亞科為姊妹關(guān)系提供了有力支持［63］。

5 展望

白、疫苗、生物材料等，將為葉綠體基因組轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用前景。

隨著基于高通量的第三代測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，禾本科作物葉綠體全基因組研究將不斷深入，測(cè)序?qū)?huì)更快速、更便宜，這有利于構(gòu)建完整的植物DNA條形碼數(shù)據(jù)庫(kù)和公共序列數(shù)據(jù)庫(kù)，使DNA條形碼技術(shù)越來(lái)越實(shí)用［64］。不僅如此，新一代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，將促進(jìn)葉綠體系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)在較低級(jí)分類(lèi)階元中的應(yīng)用。這將極大推動(dòng)葉綠體系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)的發(fā)展，從而為植物的系統(tǒng)發(fā)育研究提供更多的條件支持。對(duì)葉綠體基因組的深入研究也將會(huì)為物種鑒定、轉(zhuǎn)基因、基因編輯及近緣物種的劃分等方面提供一定的理論依據(jù)。同時(shí)，也為禾本科作物的定向遺傳改良，創(chuàng)制新資源提供理論支撐。

葉綠體基因組結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，含有大量遺傳信息，被視為探索植物間進(jìn)化關(guān)系的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。禾本科植物中含有較多的糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物，故其在葉綠體基因組學(xué)的研究較為密集。但禾本科植物在進(jìn)化時(shí)葉綠體基因組中基因、內(nèi)含子丟失的機(jī)制暫不明了；小麥、水稻、玉米等主要禾本科作物葉綠體基因組RNA編輯機(jī)制仍未明確；對(duì)已完成測(cè)序的物種，需要對(duì)其序列進(jìn)行整合分析，對(duì)葉綠體基因組的結(jié)構(gòu)和基因功能進(jìn)行深入研究。

由于植物的遺傳信息更為復(fù)雜，物種間的雜交和進(jìn)化可能會(huì)使不同物種帶有相同的cpDNA，同一物種也可能攜帶有不同的cpDNA，從而影響DNA條形碼的鑒定結(jié)果［64］。DNA條形碼技術(shù)應(yīng)與生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)和分子系統(tǒng)學(xué)相結(jié)合，在實(shí)際應(yīng)用中，范圍維持在對(duì)某一科或某一屬的植物進(jìn)行鑒定，才能減少誤差。運(yùn)用葉綠體上的DNA序列片段所形成的DNA條形碼，不僅可以為作物近緣種屬親緣關(guān)系的判斷提供依據(jù)，也可以在作物育種中的品種或育種材料的衍生系鑒定等方面提供很大的幫助。在未來(lái)的育種工作中，一方面基于葉綠體基因組序列的DNA條形碼與基于核基因組序列的DNA條形碼相結(jié)合，用于品種保護(hù)、新品種選育和物種鑒定，這將大大降低成本，提高育種效率。另一方面，通過(guò)葉綠體遺傳轉(zhuǎn)化來(lái)提高作物產(chǎn)量，培育抗蟲(chóng)、抗旱、抗鹽轉(zhuǎn)基因植物，以及利用植物葉綠體生產(chǎn)藥用蛋