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植物生理学与分子生物学PlantPhysiologyandMolecularBiology生命科学学院邱枫qiufeng@gucas.ac.cn植物生理与分子生物学课程安排第一篇分子与细胞生物学基础第二篇光合作用第三篇营养与水分第四篇呼吸与代谢第五篇生长发育第六篇植物信号与信号转导第七篇植物与环境第一篇分子与细胞生物学基础第1章植物基因组第2章植物遗传与功能基因第3章植物蛋白质组学第4章叶绿体的分子生物学第5章细胞全能性和细胞工程第二篇光合作用第1章光合作用效率及其调节第三篇营养与水分第1章营养元素吸收与运输第2章植物水分运输与水孔蛋白第四篇呼吸与代谢第1章植物次生代谢第2章植物代谢组学第五篇生长发育第1章高等植物光控发育的分子基础第2章叶形态建成的控制第3章激素的生物合成第六篇植物信号与信号转导第1章植物细胞信号感受和转导第2章植物G蛋白信号转导第3章激素的作用与信号传导第七篇植物与环境第1章植物耐盐性及其遗传转化第2章植物对重金属胁迫的响应和适应性第一篇分子与细胞生物学基础第1章植物基因组内容1什么是基因组1.1基因组的概念1.2基因组研究方法1.3植物基因组2基因组作图2.1遗传学方法进行的基因组作图2.2物理图方法进行的基因组作图3基因组测序3.1克隆步移法（BAC-by-BACstrategy）3.2全基因组鸟枪法（wholegenomeshotgunstrategy）3.3水稻（粳稻）第4号染色体的测序4基因组序列的解读4.1基因组注释概述4.2核苷酸水平上的分析4.3蛋白质水平上的分析4.4代谢调控过程层次的序列分析4.5水稻（粳稻）第4号染色体序列分析的一些结果4.6功能基因组学研究植物基因组的研究方法：结构基因组研究、功能基因组研究和基因组研究成果的应用。主要研究目标：以模式植物物种拟南芥和水稻为主的基因组测序，开展主要农作物和经济作物的结构基因组研究，开展以植物产量基因为重点的功能基因组研究，进行植物基因组学研究工具的开发等等。基因组学概述1什么是基因组1.1基因组的概念基因组（genome）:又称为染色体组，是指细胞或生物体中一套完整的单倍体遗传物质，是生物体全部遗传物质的总和。基因组研究内容：•基因表达研究，即比较不同组织和不同发育阶段、正常状态与疾病状态，以及体外培养的细胞中基因表达模式的差异。•基因产物-蛋白质功能研究，包括单个基因的蛋白质体外表达方法。•蛋白质-蛋白质功能研究。基因组学概念的由来：最早是由ThomasRoderick在1986年提出的，内容包括基因组作图、测序和分析等。基因组学基因组学基因组学基因组学(Genomics)(Genomics)(Genomics)(Genomics)：：：：对生物体所有基因进行基因组作图(包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱)、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门科学。基因组学的分类：结构基因组学结构基因组学结构基因组学结构基因组学(StructuralGenomics)比较基因组学比较基因组学比较基因组学比较基因组学(ComparativeGenomics)功能基因组学功能基因组学功能基因组学功能基因组学(FunctionalGenomics)药物基因组学药物基因组学药物基因组学药物基因组学(MedicalGenomics)营养基因组学营养基因组学营养基因组学营养基因组学(NutritionalGenomics)生物信息学生物信息学生物信息学生物信息学(Bioinformatics)蛋白质组学蛋白质组学蛋白质组学蛋白质组学(Proteomics)结构基因组学结构基因组学结构基因组学结构基因组学（（（（structuralgenomicsstructuralgenomicsstructuralgenomicsstructuralgenomics）：）：）：）：概念：通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、进行基因定位的科学。遗传信息在染色体上,但染色体不能直接用来测序,将基因组分解成小的易操作的结构区域，构建高分辨率的遗传图、物理图、转录图。一个生物体基因组的最终图就是它的全部DNA序列。1.是功能基因组学的基础；2.主要包括遗传图、物理图的绘制和基因组序列的测定三方面内容；3.最终目标是建立高密度的遗传图、高分辨率的物理图和转录图，最终完成全基因组序列测定和注解。意义：功能基因组学（functionalgenomics）：概念：利用结构基因组所提供的信息和产物，研究基因组功能表达的一门分支学科。主要研究内容主要研究内容主要研究内容主要研究内容::::基因的识别、鉴定和克隆。包括新策略、新技术、新方法的创立和各种基因组数据的建立；基因结构与功能及其相互关系的研究。包括基因变异体的系统鉴定和目录的绘制；基因表达谱的编制、基因结构与功能关系的鉴定、基因相互作用网络图的编制；基因表达调控的研究。目标目标目标目标：：：：利用结构基因组提供的信息，在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使生物学研究从对单一基因或蛋白质研究转向对多个基因或蛋白质同时进行系统的研究工作，是在基因组静态清楚后转入对基因组动态的研究过程。任务任务任务任务：：：：是进行基因组功能的注释；了解基因的功能；掌握基因的产物及其在生命活动中的作用，从基因组的整体水平上来理解基因的功能与进化之间的关系。比较基因组学（comparativegenomics）概念:是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组的结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。概念的含义：克隆新基因；揭示基因功能；阐明物种进化关系、基因组内部结构。比较基因组学的应用：1.揭示非编码功能序列；2.发现新基因；3.发现功能性SNP；4.阐明物种间的进化史；5.阐明人类疾病过程的分子机制。目前从模式生物基因组研究中得出一些规律：模式生物基因组一般比较小，但编码基因的比例较高，重复顺序和非编码顺序较少；其G+C%比较高；内含子和外显子的结构组织比较保守，剪切位点在多种生物中一致；DNA冗余，即重复；绝大多数的核心生物功能由相当数量的orthologous蛋白承担；Synteny连锁的同源基因在不同的基因组中有相同的连锁关系等。研究意义：模式生物基因组的研究揭示了人类疾病基因的功能；利用基因顺序上的同源性克隆人类疾病基因；利用模式生物实验系统上的优越性，在人类基因组研究中的应用比较作图分析复杂性状，加深对基因组结构的认识。药物基因组学药物基因组学药物基因组学药物基因组学(MedicalGenomics)：根据不同个体间的基因组差异与基因多态性，阐明个体间在药物代谢和效应方面发生差别的遗传基础。不同的个体间药物的疗效和副作用存在差异。促使新药的发现。根据个体的遗传背景来优化药物治疗方案，即“个体化治疗”。营养基因组学(NutritionalGenomics)：研究对人类营养有重要作用的植物次级代谢途径的相关基因。与铁吸收转运有关的基因与生物素、维生素B1和维生素E合成有关酶的基因生物信息学生物信息学生物信息学生物信息学(Bioinformatics)：以计算机为工具以计算机为工具以计算机为工具以计算机为工具，，，，用数学和信息科学的观点用数学和信息科学的观点用数学和信息科学的观点用数学和信息科学的观点、、、、理论和方法去理论和方法去理论和方法去理论和方法去研究生命现象研究生命现象研究生命现象研究生命现象，，，，对生物信息进行储存对生物信息进行储存对生物信息进行储存对生物信息进行储存、、、、检索和分析的科学检索和分析的科学检索和分析的科学检索和分析的科学。。。。以基因组以基因组以基因组以基因组DNADNADNADNA序列信息分析作为源头序列信息分析作为源头序列信息分析作为源头序列信息分析作为源头，，，，破译隐藏在破译隐藏在破译隐藏在破译隐藏在DNADNADNADNA序列中序列中序列中序列中的遗传语言的遗传语言的遗传语言的遗传语言，，，，发现新的基因和新的功能发现新的基因和新的功能发现新的基因和新的功能发现新的基因和新的功能，，，，进行蛋白质空间进行蛋白质空间进行蛋白质空间进行蛋白质空间结构模拟和预测结构模拟和预测结构模拟和预测结构模拟和预测。。。。认识生命的起源认识生命的起源认识生命的起源认识生命的起源、、、、进化进化进化进化、、、、遗传和发育的本质遗传和发育的本质遗传和发育的本质遗传和发育的本质。。。。揭示人体生理和病理过程的分子基础揭示人体生理和病理过程的分子基础揭示人体生理和病理过程的分子基础揭示人体生理和病理过程的分子基础，，，，为人类疾病的预测为人类疾病的预测为人类疾病的预测为人类疾病的预测、、、、诊断诊断诊断诊断、、、、预防和治疗提供合理有效的方法预防和治疗提供合理有效的方法预防和治疗提供合理有效的方法预防和治疗提供合理有效的方法。。。。依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计……基因是遗传信息的携带者,而全部生物功能的执行者却是蛋白质,仅仅从基因的角度来研究是远远不够的。研究细胞内蛋白质组成及其活动规律。旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式,内容包括鉴定蛋白质表达、存在方式、结构、功能和相互作用方式等。蛋白质组学蛋白质组学蛋白质组学蛋白质组学(proteomics)(proteomics)(proteomics)(proteomics)最终目标最终目标最终目标最终目标：：：：获得生物体全部基因组序列，注解基因组所含的全部基因，鉴定所有基因的功能及基因间相互作用关系，并阐明基因组的复制及进化规律。生物生物生物生物基因组大小基因组大小基因组大小基因组大小（（（（bp））））T4噬菌体噬菌体噬菌体噬菌体T4phage2.0××××105大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌Escherichiacoli4.2××××106酵母酵母酵母酵母Sccharomycescereviside1.5××××107拟南芥拟南芥拟南芥拟南芥Arabidopsisthaliana1.0××××108线虫线虫线虫线虫Caenorhbditiselegans1.0××××108果蝇果蝇果蝇果蝇Drosophilamelanogaster1.65××××108水稻水稻水稻水稻Oryzasativa4.3××××108小鼠小鼠小鼠小鼠Musmusculus3.0××××109人类人类人类人类Homosapiens3.3××××109玉米玉米玉米玉米Zeamays5.4××××109小麦小麦小麦小麦Triticumaestivum1.6××××1010不同生物基因组大小不同生物基因组大小不同生物基因组大小不同生物基因组大小基因组学的发展1.人类基因组计划弹计划、阿波罗登月计划并称的人类科学史上的重大工程。于1990年首先在美国启动，后有德、日、英、法、中等国的科学家先后正式加入。美国从70年代起启动了“肿瘤计划”，但是，不惜血本的投入换来的是令人失望的结果。人们渐渐认识到，包括癌症在内的各种人类疾病都与基因直接或间接相关。测出基因的碱基序列，则是基因研究的基础。1986年3月，杜伯克在美国《科学》杂志上发表了一篇题为《癌症研究的转折点：测序人类基因组》的文章，这篇文章后来被称为人类基因组计划的“标书”。1990年，美国国会批准美国的“人类基因组计划”在10月1日正式启动。其总体规划是准备在15年内（1990－2005）至少投入30亿美元，分析人类的基因组30亿个碱基对。2003年，6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，HGP的所有目标全部实现。覆盖人类基因组所含基因区域的99%，精确率达到99.99%，比原计划提前两年多，耗资27亿美元。基因组计划？获得全基因组序列---为基因组的全面测序提供工作框架构建基因组图