蓝藻和叶绿体基因组的比较研究

　　

新生命网站全国首届生物信息学大会报道：原核的蓝藻和真核植物（包括其他藻类）中的叶绿体，都同样进行放氧的光合作用，这为人类和整个生物界提供了赖以生存的食物、氧气、能源和原料。对叶绿体和蓝藻的细胞结构和分子生物学特性作分析，证明真核生物的叶绿体可能起源于蓝藻祖先的内共生。这使蓝藻在20多年来已成为光合作用研究的模式生物。15年前开始测得真核生物中叶绿体基因组的全序列，5年前又开始测得蓝藻基因组的全序列，这使我们有可能在基因组水平上比较蓝藻和叶绿体，并探讨叶绿体蛋白质组的起源和进化。

蓝藻基因组的作图和测序由日本Kazusa DNA研究所以S. Tabata博士领导的研究组，于1994年开始对集胞藻(Synechocystis sp. PCC6803)作分析，已于1996年完成。最近他们又基本完成了对鱼腥藻(Anabaena sp. PCC7120)的全序列测定。集胞藻6803的基因组大小为3,573,470bp，含有3168个编码蛋白的潜在基因，占全基因组87%。它的基因密度为1.1kb/基因，一个基因表达的产物平均长度为326个氨基酸残基，这些都是细菌基因组的典型数据。在3168个潜在基因中，1416个基因（45%）与已知的相似，尚有1752个基因（55%）需要鉴定。1416个已知基因中，按生物学功能可分成15类，其中与光合和呼吸有关的有131个，与转录有关的为24个，与翻译有关的144个。

从1986年后，已测得了地钱、烟草、水稻、Epifagus virginiana、细小裸藻、黑松、玉米、Odentella sinesis、Cyanophora paradoxa、紫菜、椭圆小球藻和拟南芥等十几种真核生物叶绿体基因组的全序列。它们的大小在50-400kbp范围中，叶绿体的平均分子量为1x108kDa，它们编码蛋白的基因为54-194个，只有4-14类不同生物功能的基因：与光合和呼吸有关的基因减少到26-54个，与转录有关的基因减少到3-5个，与翻译有关的只剩19-54个。

把10种叶绿体的光合器蛋白和光合代谢中蛋白与蓝藻比较同一性发现，进化上差异越大，它们的同一性越差；在不同基因的同一性也有不同，如编码光合器的同一性较高，编码光合代谢的基因同一性差些。在编码光合器的蛋白中，光系统I和II反应中心的蛋白同一性较好。现在要做的是如何解释从蓝藻进化到叶绿体失去了绝大部分基因及为何在叶绿体进化中保留下来的蛋白在同一性上有这样的差异，从这些差异上能否得到启示来改造基因来提高光合作用效率。