1 葉綠體DNA的發現
葉綠體是地（dì）球上獨特的（de）將光能轉化為化學（xué）能（néng）的（de）細胞器。在葉綠（lǜ）體中（zhōng）進行（háng）著光能吸收、傳遞、光合（hé）磷（lín）酸化、CO2固定及（jí）放氧等一係（xì）列複雜的過程。本世紀初科倫斯（sī）(Correns)通過對紫茉莉（lì）葉斑現象的遺傳分析，發現一些（xiē）與葉綠體結構（gòu）和發育有（yǒu）關的遺傳因子並不遵照孟德爾定律。同時有（yǒu）人注意到葉綠體具有相當程度的自我繁殖能（néng）力，特別是低等植物，在細（xì）胞生活史（shǐ）的各個階段葉綠體都能自行分裂，分配到子細胞之中，所有這些特征說明了葉綠（lǜ）體具（jù）有一定（dìng）程度的自主性。
1951年Chiba以卷（juàn）柏、白花紫露草、紫萬年等為材料，在它（tā）們的葉綠體中（zhōng）發現福爾根(Fulgan)染（rǎn）色陽性的（de）顆粒，推測其中可能有（yǒu）DNA。但不同作者觀察的結果有異，因此（cǐ）沒有定論。1962年Ris等報告他們用電鏡分別觀察衣藻和玉米等植物葉綠體的超薄切片，發現在基質中電子密度比較低的部分有2.5nm左右的細纖絲存在，當用DNA酶處理時，這種（zhǒng）纖絲就消失了，因此證明葉綠體中確實有DNA存在。後來又在許多植物的葉綠體（tǐ）中都看到DNA纖（xiān）絲。1963年塞傑(Sager)和Ishida從衣藻葉綠（lǜ）體中，Gibor和Izawa從（cóng）傘藻葉綠體中都分離出DNA。這樣，葉綠體中存在DNA(ctDNA)的事實（shí）很快被人們所公（gōng）認（rèn）。
2 葉（yè）綠體基因組的結構（gòu）
現在已（yǐ）知（zhī）道，葉綠（lǜ）體DNA(ctDNA)是雙鏈環狀分子（zǐ），大小約為120～160kb。大多數（shù）植物的ctDNA分子中有兩段反向重複的核苷酸序列，是大多數植物ctDNA所共有的特征，大小約在6～76kb之間，不同（tóng）植物ctDNA大小的差異主要是由於反向重複序列大小的不同而引起的。但在有（yǒu）些植物如（rú）蠶（cán）豆、豌豆並未發現有兩段對稱的（de）反向重複序列，而在眼蟲藻等卻發現有（yǒu）3段正向重複序列。
Shinozaki等於1986年分別（bié）發表了煙草和地錢的ctDNA全序列，Hiratsuka也於1989年報道了水（shuǐ）稻ctDNA的全序列，這些均顯示ctDNA含（hán）有編碼葉綠體rRNA和tRNA的（de）基因以及100個左右（yòu）的蛋白（bái）質結構基因。同（tóng）時發現大多數植物的ctDNA含（hán）有2個rDNA拷貝，眼蟲藻中有3個緊鄰的rDNA拷貝，豌豆和蠶豆卻僅含（hán）有一個rDNA拷（kǎo）貝，所以一般認為rDNA存（cún）在於ctDNA反向重（chóng）複序列中。埃（āi）內亞斯(Eneas Filho)等（děng）發現豌（wān）豆（dòu）葉綠體中核糖體的60種不（bú）同（tóng）蛋白（bái）組分（fèn）中，有1/3是由ctDNA編碼。現在已公認在葉綠體的所有蛋白質中既有葉綠體基因組編碼的(約占總種（zhǒng）類的30％，例如光合作用反應中心的（de）蛋白等)也有核基因組編碼的(約占總（zǒng）種類的70％，例如類囊體膜的一些蛋白等)，還有一些功能性寡聚蛋白質，其組成亞（yà）基分別是由兩個基因組編碼的，例如葉綠（lǜ）體中（zhōng）的可（kě）溶性蛋白Rubisco，其大亞基是（shì）由自身基因組編碼，而小亞基（jī）則由核基因（yīn）組編碼（mǎ）。但也有例外，Reith等就曾在灰藻和紅藻中發現Rubisco的大小亞基（jī）皆由葉綠體自身基因組編碼，且大小亞基的基因共同組成一個操縱子。Turmel等於1978年報道在衣藻ctDNA的23SrDNA中發現有一個（gè）內含子(intron)的存在（zài），這（zhè）是第一次在ctDNA中發現的與真核生物核基因類似的斷裂基因。後來，Koch等在玉米ctDNA的trnI和trnA基（jī）因中（zhōng）也（yě）發現有（yǒu）內含（hán）子。高等植物葉綠體DNA的內（nèi）含子主要在tRNA基因中發現，很少在蛋白質結構基因中發現，但在綠藻中（zhōng）卻發現大量的蛋（dàn）白質結構基因（yīn）也存在有內含子。另（lìng）外，奧羅斯科(Orozco)等在1980年首（shǒu）次報道（dào）了在眼蟲（chóng）藻的葉綠體基因組16SrDNA的先導序列中存在有（yǒu）一個額外的“假”tRNAIle基（jī）因，在單子葉（yè）植物的葉（yè）綠體基因組（zǔ）中（zhōng）至少發（fā）現有（yǒu）5個類似的“假”tRNA基因。
3 葉綠體基因與原核基因表達調控的比較
目前，葉綠體分（fèn）子遺傳學的研究側重於對葉綠體基因表達調控方麵的探索。葉綠體的基因表達類似於原核生物（wù），表現（xiàn）在：(1)用體外（wài）突變實驗(堿基替換、缺失和（hé）插（chā）入（rù）等)證明，葉綠體基因的啟動子與原核生物（wù）的相似（sì），皆是由兩個部分組成（chéng）的，即基因上（shàng）遊-10區的（de）TATAAT和-35區的TTGACA序列。-35區（qū）附近富含AT的順序往往（wǎng）被稱為識別序列，而稱-10區附近的序列為（wéi）“Pribnow”盒。在（zài）-35區的六聚體中（zhōng），三聚體TTG保守性（xìng）最強。在-10區（qū）的TATAAT六聚體中，有4個堿基是高度保守的，用大寫字母表示為TAtAaT。(2)葉綠（lǜ）體基因和原核生物（wù）基因均是以多順反子的形成進行轉錄的（de），在轉錄（lù）形成一個前體RNA之後，再（zài）被剪接（jiē）加工成數個成（chéng）熟的RNA。(3)在E．coli中或在體外用E．coli的抽提物可使克（kè）隆的葉綠體基因轉錄和轉譯以產生相應的蛋白，葉（yè）綠體基（jī）因啟動子的原核性質更直接（jiē）的證據是E．coli RNA聚合酶能與葉綠體DNA特異性（xìng）結合。然而在體外（wài），E．cole RNA聚合酶不（bú）能識別ctDNA的編碼鏈和非編碼（mǎ）鏈。另外，ctDNA基因轉錄的終止也與（yǔ）原（yuán）核生物的相似，即在終止位點處存在有反向重複序列以形（xíng）成“發卡”結構。(4)葉（yè）綠體基因的上遊（yóu）存在有類似於原核生物基因的核糖（táng）體（tǐ）結合序列（liè）。
盡管（guǎn）如此，葉綠體（tǐ）基因的表達（dá）調控也具有自己的特點：(1)利福平可以（yǐ）抑製（zhì）E．coli RNA聚合酶的轉錄（lù）活性，但對葉綠體自身RNA聚合酶的轉錄活性卻沒（méi）有影響。(2)葉綠體RNA聚合酶在體外起始轉錄時，模板必需是超螺旋（xuán）結構，並（bìng）且能被新生黴素識（shí）別和抑製；而E．coli RNA聚合酶（méi）起始轉（zhuǎn）錄無此要求。(3)葉綠體的RNA聚合（hé）酶比（bǐ）E．coli的RNA聚合（hé）酶對ctDNA模板表現為更強（qiáng）的啟動子特異性。(4)葉綠體基因組中編碼與（yǔ）光反應中心有關的（de）蛋白質基因除受內在的因子調控外，還受光調（diào）控，其中有的基因還有光誘導性質。
畢德（dé）魯（lǔ）克(Bedbrook)等於1977年報道克隆了玉米rRNA基因，這（zhè）是第一個葉綠體基因被（bèi）克隆（lóng）。隨（suí）後又許多基因如（rú）玉米的Rubisco大亞基基因(rbcL)、psbA和（hé）psbD基因等相繼被克隆，同時又有許多已克隆的基因（yīn）在大腸杆菌中或在體外得（dé）以表達。
葉（yè）綠（lǜ）體基因組的（de）結構以及表達調控的研究對葉綠體（tǐ）起源問題的探索具有重要意義。關於葉綠體的起源（yuán）問題（tí）有（yǒu）兩種互相對立的（de）學說，即內共生假說和分化（huà）假說。按照內共生假說，葉綠體的祖（zǔ）先是藍藻或光合細菌，它們在（zài）生物進化的早期被（bèi）原始真核細胞捕獲(吞（tūn）噬)，逐步進化為葉綠體（tǐ）。分化假說認為葉綠體是原始的真核細胞內質逐步分化而形成。已有的一些（xiē）研究成果更有利於葉（yè）綠體起（qǐ）源的內共生假說，例如葉綠體DNA的大小（xiǎo）及形狀類似於藍細菌DNA，DNA的（de）組成（chéng）中也都無5-甲基胞嘧啶，它們的DNA都不與組蛋白結合在一起（qǐ）。此外，它們的蛋白質合成都受氯黴素抑製，而對放線菌酮不敏感等。但是葉綠體基因具有內含子（zǐ）以及增強（qiáng）子的現象表（biǎo）明它具有核基因的一些特性，葉（yè）綠（lǜ）體中（zhōng）許多蛋白質也是由核基因編碼的，對此，石田政弘認為在（zài）葉綠體內共生起源進化過程中發生過核基因組和葉綠體（tǐ）基因組之（zhī）間的DNA重組事件。
目前，葉綠體分子遺傳學正被大量用作探討（tǎo）光合（hé）作用結（jié）構功能和反應步驟的（de）手段。例如，光合細菌反應中（zhōng）心色（sè）素蛋（dàn）白質複合體（tǐ）和植物光係統Ⅱ反應中心色（sè）素蛋白複合（hé）體的類似性很大程度上是靠比較編碼它們多肽的基因核苷酸序列而明確的（de）。對於Rubisco大小亞基的生物合（hé）成（chéng）和組裝過程的認識（shí）也有許多是通過葉綠體分子遺（yí）傳學和基因工程的手段而認識（shí）的。