烟草质体分裂相关基因NtFtsZ1和NtFtsZ2对叶绿体分裂和形态的影响

质体作为植物细胞中一类重要的细胞器,控制其分裂的分子机制一直都不清楚。最近的研究表明,植物细胞中与原核细胞分裂基因fisZ类似的同源基因控制着质体的分裂过程。通过正反义转化分析了两个烟草的ftsZ基因（NtFtsZ1和NtFtsZ2)在转基因烟草中的功能。二的反义表达并未对转化烟草细胞中叶绿体的分裂和形态产生明显影响,但二过表达转化植株中叶绿体的数目和形态都发生了明显的变化,在某些转化植株的叶肉细胞中甚至只有1－2个巨大的叶绿体存在。对不同转化植株的电镜观察和叶绿素含量分析认为,NtFtsZs基因可能对叶绿体的正常发育和功能没有影响,叶绿体形态的变化是对其数目减少的一种补偿。正反义转化植株中叶绿体的不同表型暗示高等植物中同一家族的ftsZ基因可能在控制质体分裂方面具有相同的功能。同时,过表达植株中叶绿体形态的变化被认为是高等植物的FtsZ质体骨架功能的体现。     

烟草NtFtsZ2-1基因参与叶绿体分裂和扩大的调节

叶绿体虽然是植物细胞内一种极其重要的细胞器,但其分裂的分子机制尚不很清楚。已经证明FtsZ蛋白作为真核细胞分裂装置的一个关键成分,参与叶绿体的分裂过程。烟草的FtsZ基因属于2个不同的家族,在对NtFtsZ1家族成员研究的基础上,用正义和反义表达技术研究了NtFtsZ2家族成员NtFtsZ2-1基因在转基因烟草中的功能。显微分析结果表明NtFtsZ2-1基因的表达水平异常增强或减弱都会严重干扰叶绿体的正常分裂过程,导致叶绿体在形态和数目上的异常（体积明显增大,数目显著减少）,而单个叶肉细胞中叶绿体的总表面积在正反义转基因烟草和野生型烟草之间保持了相对稳定,没有发生明显的变化。同时还证明NtFtsZ2-1基因表达的变化对叶绿素含量和叶绿体的光合作用能力没有直接的影响。据此我们认为NtFtsZ2-1基因参与叶绿体的分裂和体积的扩大,其表达水平的波动会改变植物中叶绿体的数目和大小,而且在叶绿体的数目与体积之间可能存在一种补偿机制,保证叶绿体能最大限度地吸收光能,从而使光合作用得以正常进行。     

烟草质体分裂蛋白NtFtsZs在大肠杆菌中的定位分析

分别构建了两个烟草(Nicotiana tabacum L.)质体分裂基因NtFtsZ1和NtFtsZ2与编码绿色荧光蛋白的gfpS65A、V68L、S72A基因相融合的原核表达载体,并导入大肠杆菌( Escherichia coli ) JM109菌株中进行表达.全长NtFtsZs∶GFP融合蛋白在菌体中有规律地定位,暗示NtFtsZs能识别大肠杆菌潜在的分裂位点,并能与大肠杆菌的内源FtsZ发生聚合作用;融合蛋白的诱导表达抑制了宿主菌的分裂,形成了明显的丝状菌体,证明真核生物的 ftsZ 基因与大肠杆菌的 ftsZ 基因有相似的作用.同时构建了NtFtsZs不同缺失的原核表达载体,对这两个基因所编码蛋白不同结构域的功能做了初步分析.实验结果表明,烟草FtsZ蛋白的C端结构域与其在大肠杆菌细胞中的正确定位有关;而N端结构域与NtFtsZs∶GFP融合蛋白的聚合有关.     

烟草质体分裂蛋白NtFtsZs在大肠杆菌中的定位分析

分别构建了两个烟草 (NicotianatabacumL .)质体分裂基因NtFtsZ1和NtFtsZ2与编码绿色荧光蛋白的gfpS65A、V68L、S72A基因相融合的原核表达载体 ,并导入大肠杆菌 (Escherichiacoli)JM10 9菌株中进行表达。全长NtFtsZs∶GFP融合蛋白在菌体中有规律地定位 ,暗示NtFtsZs能识别大肠杆菌潜在的分裂位点 ,并能与大肠杆菌的内源FtsZ发生聚合作用 ;融合蛋白的诱导表达抑制了宿主菌的分裂 ,形成了明显的丝状菌体 ,证明真核生物的ftsZ基因与大肠杆菌的ftsZ基因有相似的作用。同时构建了NtFtsZs不同缺失的原核表达载体 ,对这两个基因所编码蛋白不同结构域的功能做了初步分析。实验结果表明 ,烟草FtsZ蛋白的C端结构域与其在大肠杆菌细胞中的正确定位有关 ;而N端结构域与NtFtsZs∶GFP融合蛋白的聚合有关。     

叶绿体分裂相关基因NtFtsZ2-1在大肠杆菌中的表达与定位

FtsZ蛋白在细菌的分裂中担任着重要作用,能够在分裂位点形成一个环状结构而控制细菌的分裂过程。胞内FtsZ蛋白浓度的明显降低或异常升高均可阻断正常的细胞分裂过程进而导致丝状菌体的产生。我们为了研究烟草FtsZ蛋白与大肠杆菌FtsZ蛋白的异同,构建了烟草全长ftsZ2-1与绿色荧光蛋白EGFP的融合表达质粒并转化大肠杆菌JM109。融合表达质粒的过量表达导致宿主菌形成了丝状菌体。通过荧光显微镜观察发现NtFtsZ2-1-EGFP融合蛋白沿着宿主菌体的纵轴方向有规律地聚集成荧光点或荧光带,说明烟草FtsZ2-1蛋白能够识别宿主菌内分裂位点的定位信号并参与其细胞分裂复合物的组装。     

衣藻叶绿体分裂相关基因CrFtsZ3的克隆及其原核表达

FtsZ蛋白在原核细胞以及植物细胞叶绿体的分裂过程中发挥着重要作用。为了研究叶绿体分裂装置的进化 ,运用RT PCR方法从莱茵衣藻中克隆了叶绿体分裂相关基因CrFtsZ3。由于已经从衣藻细胞中克隆了一个ftsZ基因 ,所以CrFtsZ3的克隆表明衣藻中已经存在两类不同的 ftsZ基因 ,这说明 ftsZ基因的复制与分歧发生于绿藻的分化之前。序列分析结果显示 ,CrFtsZ3所编码的蛋白质具有FtsZ蛋白的典型模体。进一步的原核表达与定位分析表明CrFtsZ3 GFP融合蛋白沿着宿主菌体的纵轴方向有规律地聚集成荧光点或荧光带 ,并且CrFtsZ3蛋白过量表达明显干挠了宿主菌正常的细胞分裂过程 ,说明衣藻CrFtsZ3蛋白能够识别宿主细胞内的分裂位点并影响细胞分裂过程 ,从而初步验证了它的生物学功能     

木薯ftsZ基因分离及在原核生物中功能初步鉴定

ftsZ基因是控制细胞分裂的关键基因,其蛋白能够在分裂位点形成一个环状结构而影响细胞分裂.为了研究木薯质体分裂与木薯淀粉品质形成的关系,根据木薯基因组数据库上的预测序列,设计引物,从木薯基因组中分离了与质体分裂相关的ftsZ家族3个新基因(ftsZ1,ftsZ2,ftsZ3).分别将它们与荧光蛋白基因(GFP)融合,构建了3个原核表达载体pET-fisZ1-GFP、pET-fisZ2-GFP、pET-fisZ3-GFP,并转化大肠杆菌BL21(DE3).通过荧光显微镜观察菌体的表型和分裂,初步鉴定了木薯质体分裂相关基因ftsZ家族对细胞分裂的作用.结果显示:尽管木薯与大肠杆菌的亲缘关系较远,ftsZ基因的同源性较低,但是两者表现出相似的功能,木薯ftsZ基因的表达能严重影响大肠杆菌细胞分裂.这一结果为进一步研究木薯ftsZ家族基因的功能奠定了基础.     

衣藻叶绿体分裂基因CrFtsZ1在E.coli中的表达

FtsZ蛋白在细菌的分裂中起着重要作用,能够在分裂位点形成一个环状结构而控制细菌的分裂过程。细胞内FtsZ蛋白浓度的明显降低或异常升高均可阻断正常的细胞分裂过程进而导致丝状菌体的产生。为了研究衣藻叶绿体分裂基因ftsZ的功能,构建了衣藻CrFtsZ1的原核表达重组质粒。试验结果表明,衣藻ftsZ的表达严重影响了大肠杆菌的分裂,初步证明衣藻FtsZ蛋白不仅与E．coli FtsZ蛋白在序列上相似,而且也有着相似的功能,同时这一结果也为真核细胞中质体的内共生起源提供了直接的证据。     

小立碗藓叶绿体分裂相关基因PpMinE的克隆及其功能与进化分析

用RT-PCR技术从小立碗藓中(Physcomitrella patens)克隆了核编码的MinE基因,命名为PpMinE,并克隆了该基因的基因组DNA。序列比对显示该基因编码的蛋白质与真细菌和绿藻叶绿体编码的MinE蛋白具有较高的相似性。pMinE-EGFP融合蛋白在烟草中的瞬时表达证明该蛋白定位于叶绿体内。在大肠杆菌中过量表达PpMinE导致细胞不正常分裂,产生无染色体的小细胞,这表明MinE的功能在进化上是保守的。在系统发育树中,PpMinE和高等陆生植物有较近的亲缘关系。在已知的陆生植物的叶绿体基因组中没有找到MinE的同源蛋白,这暗示在进化过程中MinE从叶绿体到细胞核的水平转移可能发生在陆生植物发生以前。     

叶绿体分裂相关蛋白CrMinD的保守功能

细胞或质体中部正确分裂位点的选择是MinD蛋白与其他Min蛋白（MinC／E）相互作用的结果,MinD蛋白在原核细胞以及植物叶绿体的分裂过程中发挥着重要的作用。细胞中MinD蛋白浓度的明显升高可影响正常细胞的分裂过程而产生丝状体细胞。为了研究叶绿体分裂蛋白CrMinD的保守功能,构建了衣藻CrMinD-gfp的原核表达重组质粒进行了原核功能验证。试验结果表明,衣藻CrMinD蛋白的过量表达严重影响了大肠杆菌的分裂,其在原核细胞中运动和定位与用GFP标记的原核细胞MinD蛋白具有相似性。更进一步证明了叶绿体分裂同源物CrMinD蛋白与原核细胞MinD蛋白有着相似的功能,是一个进化上功能保守的蛋白。同时,这一结果也为研究植物细胞中质体的分裂机制奠定了一定的基础。     

烟草叶绿体分裂基因NtFtsZ1-2的启动子序列

1 Source The sequence was isolated from nuclear genomic DNA of Nicotiana tabacum by polymerase chain reaction.     

衣藻质体分裂相关基因CrFtsZ2的克隆及其进化分析

ＦｔｓＺ(ｆｉｌａｍｅｎｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅ)是一类从大肠杆菌温度敏感型突变体中分离到的基因 .该基因与Ｅ .ｃｏｌｉ细胞分裂密切相关 .突变体由于细胞分裂受阻而呈现“长丝状”[1] .此类基因于 1980年首次被克隆[2 ] .随后的研究表明 ,ＦｔｓＺ蛋白在Ｅ .ｃｏｌｉ分裂细胞的凹陷处形成环状多聚体 ,Ｚ环 ,是Ｅ .ｃｏｌｉ细胞分裂的限制因子[3 ] .衣藻属于绿藻 ,在现存的所有单细胞真核藻类中 ,绿藻是与陆生植物亲缘关系最近的一支[4] .由于衣藻为单细胞真核生物 ,并且仅含有一个巨大的叶绿体 ,因而是研究…     

Exclusion of plastid nucleoids and ribosomes from stromules in tobacco and Arabidopsis

Stromules are stroma-filled tubules that extend from the surface of plastids and allow the transfer of proteins as large as 550 kDa between interconnected plastids. The aim of the present study was to determine if plastid DNA or plastid ribosomes are able to enter stromules, potentially permitting the transfer of genetic information between plastids. Plastid DNA and ribosomes were marked with green fluorescent protein (GFP) fusions to LacI, the lac repressor, which binds to lacO-related sequences in plastid DNA, and to plastid ribosomal proteins Rpl1 and Rps2, respectively. Fluorescence from GFP-LacI co-localised with plastid DNA in nucleoids in all tissues of transgenic tobacco (Nicotiana tabacum L.) examined and there was no indication of its presence in stromules, not even in hypocotyl epidermal cells, which contain abundant stromules. Fluorescence from Rpl1-GFP and Rps2-GFP was also observed in a punctate pattern in chloroplasts of tobacco and Arabidopsis [Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.], and fluorescent stromules were not detected. Rpl1-GFP was shown to assemble into ribosomes and was co-localised with plastid DNA. In contrast, in hypocotyl epidermal cells of dark-grown Arabidopsis seedlings, fluorescence from Rpl1-GFP was more evenly distributed in plastids and was observed in stromules on a total of only four plastids (<0.02% of the plastids observed). These observations indicate that plastid DNA and plastid ribosomes do not routinely move into stromules in tobacco and Arabidopsis, and suggest that transfer of genetic information by this route is likely to be a very rare event, if it occurs at all.     

Efficient and Stable Transformation of Lactuca sativa L. cv. Cisco (lettuce) Plastids

Transgenic plastids offer unique advantages in plant biotechnology, including high-level foreign protein expression. However, broad application of plastid genome engineering in biotechnology has been largely hampered by the lack of plastid transformation systems for major crops. Here we describe the development of a plastid transformation system for lettuce, Lactuca sativa L. cv. Cisco. The transforming DNA carries a spectinomycin-resistance gene (aadA) under the control of lettuce chloroplast regulatory expression elements, flanked by two adjacent lettuce plastid genome sequences allowing its targeted insertion between the rbcL and accD genes. On average, we obtained 1 transplastomic lettuce plant per bombardment. We show that lettuce leaf chloroplasts can express transgene-encoded GFP to ~36% of the total soluble protein. All transplastomic T0 plants were fertile and the T1 progeny uniformly showed stability of the transgene in the chloroplast genome. This system will open up new possibilities for the efficient production of edible vaccines, pharmaceuticals, and antibodies in plants.     

植物叶绿体分裂的分子机制

叶绿体是植物细胞内一种重要的细胞器．它不仅是光合作用的场所,还是其它多种中间代谢的场所．叶绿体起源于蓝细菌,与其原核祖先类似,通过二分裂方式进行增殖．最近的研究表明,叶绿体的分裂装置包含原核起源和真核起源的蛋白质,它们在叶绿体的内膜内侧和外膜外侧协同作用以完成叶绿体的分裂．在过去十几年里,包括丝状温度敏感蛋白Z（FtsZ）、Min系统蛋白、质体分裂蛋白（PDV）和ARC蛋白等在内的多个叶绿体分裂相关组分被分离鉴定．本文简要介绍了叶绿体分裂装置各成员的发现、叶绿体被膜的收缩和叶绿体分裂位点的选择机制．另外,植物发育过程中叶绿体分裂可能受到细胞的控制,但目前对细胞如何调控叶绿体分裂知之甚少．本文对该领域的最新研究进展也进行了综述．     

Arabidopsis FtsZ2-1 and FtsZ2-2 Are Functionally Redundant,But FtsZ-Based Plastid Division Is Not Essential for Chloroplast Partitioning or Plant Growth and Development

FtsZ1 and FtsZ2 are phylogenetically distinct families of FtsZ in plants that co-localize to mid-plastid rings and facilitate division of chloroplasts. In plants, altered levels of either FtsZ1 or FtsZ2 cause dose-dependent defects in chloroplast division; thus, studies on the functional relationship between FtsZgenes require careful manipulation of FtsZ levels in vivo. To define the functional relationship between the two FtsZ2 genes in Arabidopsis thaliana, FtsZ2-1 and FtsZ2-2, we expressed FtsZ2-1 in an ftsZ2-2 null mutant, and vice versa, and determined whether the chloroplast division defects were rescued in plants expressing different total levels of FtsZ2. Full rescue was observed when either the FtsZ2-1 or FtsZ2-2 level approximated total FtsZ2 levels in wild-type （WT）. Additionally, FtsZ2-2 interacts with ARC6, as shown previously for FtsZ2- 1. These data indicate that FtsZ2-1 and FtsZ2-2 are functionally redundant for chloroplast division in Arabidopsis. To rigorously validate the requirement of each FtsZ family for chloroplast division, we replaced FtsZ1 with FtsZ2 in vivo, and vice versa, while maintaining the FtsZ level in the transgenic plants equal to that of the total level in WT. Chloroplast division defects were not rescued, demonstrating conclusively that FtsZ1 and FtsZ2 are non-redundant for maintenance of WT chloroplast numbers. Finally, we generated ftsZtriple null mutants and show that plants completely devoid of FtsZ protein are viable and fertile. As plastids are presumably essential organelles, these findings suggest that an FtsZ-independent mode of plastid partitioning may occur in higher plants.