Chloroplast DNA
Presented By
Dr. T,Ugandhar
Asst. Prof of Botany
GDC MAHABUBABAD

 Structural organization of chloroplast is signified by the
presence of double membrane envelope and soluble
phase, the stroma, and an internal membrane system, the
thylakoids.
 Both thylakoid and stromal systems are committed for
light reaction and carbon dioxide fixation respectively.
 Chloroplast attains diversified shapes. Higher plants
exhibit lens shaped chloroplasts in their cytosol.
 The size measures anywhere between 5 and 10 pm long
Chloroplast

Chloroplast
 క్లో రోప్లో స్ట్ యొక్క నిరలాణ సంసథ ద్వంద్వ ప్ొ ర ఎన్వలప్
మరియు క్రిగే ద్శ, స్ట్్ో మా మరియు అంతరగత ప్ొ ర
వ్యవ్సథ, నీలైయిడ్ో ఉనిక్ి ద్వవరల గురితంచబడంద్ి.
నీలాక్లయయిడ్ మరియు స్ట్్ో మల్ వ్యవ్సథలు వ్రుసగల
క్లంతి సపంద్న్ మరియు క్లరబన్ డ్యాక్్సైడ్ స్థథరీక్రణక్ు
క్ట్ట్ బడ ఉంట్ాయి.
 క్లో రోప్లో స్ట్ విభిన్న ఆక్ృతులన్ు ప్ొంద్ుతుంద్ి. హయయర్
ప్లో ంట్టో వలరి స్ైట్ోస్ట్ ల్ లో లన్ై ఆక్లరపు క్లో రోప్లో స్లన్ు
పరద్రిిస్టలత యి. పరిమాణం 5 న్ుండ 10 నిమిషలలు
ఎక్కవ్ మధ్యలో క్ొలుసుత ంద్ి

•Stroma contains soluble enzymes known as
rubisco (ribulose bisphosphate carboxylase-
oxygenase), accountable for upto 50% of the total
leaf proteins.
•Its molecular weight of 500,000 consists of eight
large subunits and eight small subunits and it is
credited with one of the most abundant available
protein in nature.
•It executes photosynthesis by accepting carbon
dioxide as its substrate and reduces this to
carbohydrate status.

Chloroplast
•స్ట్రా మస్ రుబిక్స్ (రిబ్యులోస్ బిస్ట్ాస్ఫాట్ క్ర్ాకసిలేజ్-
ఆకసిజనేజ్) అని పిలిచే కరిగే ఎంజైమల ను కలిగి ఉంట ంది,
•మొత్తం ఆకు ప్రో టీనలలో 50% వరకు జవ్బ్యదారీగ్ ఉంట ంది.
500,000 దాని మాలికుులర్ బ్రువు ఎనిమిది పెద్ద ఉపభాగ్లు
మరియయ ఎనిమిది చినన ఉపభాగ్లను కలిగి ఉంది మరియయ
పోకృతిలో అత్ుంత్ విస్తృత్మైన అంద్ుబ్ాట లో ఉనన ప్రో టీనలలో
ఒకటిగ్ ఇది గయరితంపు ప్ందింది.
•క్రాన్ డయాకసిడనన దాని ఉపరిత్లంగ్ ఆమోదించడం దాార్
ఇది కసరణజను స్ంయోగకసియను అమలు చేస్ుత ంది మరియయ దీనిని
క్రబాహైడ్ేోట్ స్ట్ా యికస త్గిగంచవచుు.

•Several members of monocots show marginal
deviation in their CO2fixation process, generally known
as C4 plants.
•The maize, for example, is a C4 plant in which initial
carbon dioxide fixation occurs in leaf mesophyll cells
containing chloroplasts, which lack rubisco and
ultimately devoid of starch.
•మోనోకోటల యొకక అనేక స్భ్యులు వ్రి CO2 ఫికేిషన్ పోకసియలో
ఉప్్ంత్ విచలనానిన చూపిస్ట్త రు, దీనిని స్ట్ధారణంగ్ C4
ప్్ల ంటల గ్ పిలుస్ట్త రు.
•మొకకజొనన ఉదాహరణకు, ఒక C4 ప్్ల ంట్, దీనిలో ప్్ో రంభ్
క్రాన్ డయాకసిడ్ స్ిారీకరణ, ఆకుపచు మస్టర ఫిల్ కణాలలోని
కోల రబప్్ల స్్లను కలిగి ఉంట ంది, ఇవి ర్బిస్ట్కనిన కలిగి ఉండవు
మరియయ చివరికస పిండ్ి పదారధం లేకుండ్ా ఉంటాయి.

•The enzyme PEP carboxylase (phospho enol pyruvate
carboxylase) acts as a major enzyme, catalyses first half
of the reaction by forming four carbon oxaloacetate,
which is then converted into aspartic acid and malic
acid which are exported to bundle sheath cells, where
they are decarboxylated and CO2 is refixed by bundle
sheath due to the rubisco and operate the Calvin cycle.
•In addition to their role in performing photosynthesis
and carbon metabolism, chloroplasts are involved in
other vital functions such as the synthesis of amino acids
and nucleotides, protein synthesis, pigments and
hormones

•ఎంజైమ్ PEP క్ర్ాకసిలేస్ (ఫ్స్టర ా ఎయోల్ పెైరువేట్
క్ర్ాకసిలేజ్) ఒక పోధాన ఎంజైమాగ పనిచేస్ుత ంది, నాలుగయ క్రాన్
ఎడ్ాప్్ల స్ెట న ఏరపరుస్ుత ంది, త్ర్ాత్ ఆస్ట్పరిిక్ ఆమల ం మరియయ
మాలిక్ యాస్ిడ్ాగ మారుడం దాార్ స్పంద్న యొకక మొద్టి స్గం
ఉత్పేరేరణ చేస్ుత ంది,
•ఇవి డ్ెర్ర్ాకసిలేటెడ్ మరియయ CO2 ను రుబిస్టర క క్రణంగ్
కటిరంగ్ కోశం దాార్ రిమోట్ చేస్ట్త రు మరియయ క్లిాన్ చకిం
పనిచేస్ుత ంట ంది.
•కసరణజను మరియయ క్రాన్ జీవకసియలను నిరాహంచడంలో వ్రి
ప్్త్ోకు అద్నంగ్, అలోనో ఆమాల లు మరియయ నూుకసలయోటెైడ్ి,
ప్రో టీన్ స్ంశ్లలషణ, వరణద్ోవుం మరియయ హారబోనుల స్ంశ్లలషణ వంటి ఇత్ర
మయఖ్ుమైన క్రుకిమాలలో కోల రబప్్ల స్ు్ల ప్్ల్గ ంటాయి.

•Chloroplast DNA is comparatively large, circular in
nature, commonly denoted as ctDNA.
•The presence of DNA in chloroplast was first identified
in 1962.
•The size of chloroplast DNA is usually 140 kb in higher
plants and less than 190 kb in lower eukaryotic plants.
However, the size of the ctDNA is generally between 120
and 155 kb.
•By employing DNA-binding flourescent dye several
copies of the plastid genome have been visualized.
•The size of the chloroplast genome can be comparable
to bacteriophage T4 (165 kb). There are many copies of
circular DNA in chloroplast, i.e., between 20 and 100
copies per chloroplast in higher plants.

•కోల రబప్్ల స్ర DNA పోకృతిలో వృత్పాత క్రంలో పెద్దది, స్ట్ధారణంగ్
ctDNA గ్ స్ూచించబ్డనత్ ంది.
•కోల రబప్్ల స్టర ్ల DNA యొకక ఉనికస మొద్టిస్ట్రి 1962 లో
గయరితంచబ్డ్ింది. కోల రబప్్ల స్ర DNA యొకక పరిమాణం స్ట్ధారణంగ్
140 కస.మీ. అధిక మొకకలు మరియయ త్కుకవ ఎకయురియోటిక్
మొకకలలో 190 kb కంటే త్కుకవగ్ ఉంట ంది.
•అయిత్పే, ctDNA యొకక పరిమాణం స్ట్ధారణంగ్ 120 మరియయ
155 kb మధ్ు ఉంట ంది. DNA-binding flourescent dye ను
ఉపయోగించడం దాార్ ప్్ల స్ిరడ్ జనుువు యొకక అనేక క్పీలు
ద్ృశుమానమయాుయి.
•కోల రబప్్ల స్ర జనుువు యొకక పరిమాణం T4 (165 kb)
బ్ాుకటరరియాఫఫజతత ప్ర లువచుు. కోల రబప్్ల స్టర ్ల వృత్పాత క్ర DNA యొకక
అనేక క్పీలు ఉనానయి, అనగ్ 20 మరియయ 100 కసలోల చొపుపన
అధిక మొకకలలో కోల రబప్్ల స్ుర ు.

•In higher plants, chloroplast DNA exists as double-
stranded circular molecule.
•Unlike nuclear DNA, it does not contain 5-methyl
cytosine and is not associated with histones. Its buoyant
density is around 1.690 gmL-1, which is corresponding to
G + C ratio to approximately 37 per cent.
•Measurement is based on DNA-DNA association
through light on the potential coding capacity of the
plastome.
•The molecular weight of the plastid DNA is between 80
and 100 million, which corresponds between 12,000 and
150,000 base pairs

•అధిక మొకకలలో, కోల రబప్్ల స్ర DNA డబ్యల్ స్ట్రా ండ్ి వృత్పాత క్ర
అణయవుగ్ ఉంది. అణయ DNA క్కుండ్ా, ఇది 5-మిథెైల్ స్ెైటోస్ెైనున
కలిగి ఉండద్ు మరియయ హస్టరర నలత్పో స్ంబ్ంధ్ం కలిగి లేద్ు.
•దాని త్పేజపు స్ట్ంద్ోత్ స్ుమారు 1.690 gmL-1, ఇది G + C
నిషపతితకస అనుగయణంగ్ ఉంట ంది, ఇది స్ుమారు 37 శ్్త్ం
ఉంట ంది. కొలత్ ప్్ల స్రమ్ యొకక స్ంభావు కోడ్ింగ్ స్ట్మరాయం మీద్
DNA-DNA అస్టర స్ియిేషన్ మీద్ ఆధారపడ్ి ఉంట ంది.
•ప్్ల స్ిరడ్ DNA యొకక పరమాణయ బ్రువు 80 నుంచి 100
మిలియనల మధ్ు ఉంట ంది, ఇది 12,000 మరియయ 150,000 బ్ేస్
జంటల మధ్ు ఉంట ంది

•Chloroplast contains one type of chromosome and
assumes polyploid status.
•In young leaves, number of chloroplast attains 200 or
more. DNA replication in plastid is semi conservative.
In chloroplasts of maize and pea, DNA replication
begins at two sites about 7000 base pairs apart and
proceeds in both the directions.
•Chloroplasts contain introns. They fall into two classes.
One of the intron classes is located in tRNA genes and
another class in protein coding region.
•Several photosynthetic related genes that encode
proteins are located in thylakoid membrane.

•కోల రబప్్ల స్ర ఒక రకం కోి మోజతమ్ కలిగి ఉంట ంది మరియయ
ప్్లిప్రల యిడ్ హో దాను ఊహస్ుత ంది. యయవ ఆకులు, కోల రబప్్ల స్ర
స్ంఖ్ు 200 లేదా అంత్కనాన ఎకుకవ.
•Plastid లో DNA పోతిరూపం స్ెమీ స్ంపోదాయవ్ద్ ఉంది.
మొకకజొనన మరియయ బ్ఠ్ణి యొకక కోల రబప్్ల స్్లలో, DNA
పోతిరూపం రండన ప్్ో ంత్పాల వద్ద 7000 బ్ేస్ జత్లు వేరుగ్
ఉంట ంది మరియయ రండన దిశలలోనూ జరుగయత్ ంది.
•కోల రబప్్ల స్ర్ ఇంటాో నలను కలిగి ఉంటాయి. వ్రు రండన వర్గ లుగ్
వస్ట్త యి. ఇంటాో న్ త్రగత్ లు ఒకటి TRNA జనుువులు మరియయ
ప్రో టీన్ కోడ్ింగ్ ప్్ో ంత్ంలో మరొక త్రగతి ఉంది. ప్రో టీనలను ఎనోకడ్
చేస్ఫ అనేక కసరణజను స్ంబ్ంధిత్ స్ంబ్ంధ్ జనుువులు నీ
లాక్ుయిడ్ ప్ రలో ఉనానయి.

•Several evidences confirmed that chloroplast DNA
contains 45 genes coding for RNA and 27 genes coding
for proteins.
•These proteins are mainly involved in chloroplast gene
expression.
•The genes coding for proteins of the thylakoid
membrane and another 10 gene products are
committed for electron transport process.
•A restriction map for maize chloroplast DNA (139 kb)
reveals that plastome contains unique 22,000 base pair
inverted repeated sequence, containing the rRNA genes
(Fig. 5.1).
•Some other plastome with similar repeats contains two
copies of rRNA genes.

•కోల రబప్్ల స్ర DNA లో 45 జనుువులు RNA కోస్ం కోడ్ింగ్ మరియయ
27 జనుువులు ప్రో టీనల కోస్ం కోడ్ింగ్ కలిగి ఉనానయని అనేక
రుజువులు నిర్ధ రించాయి.
•ఈ ప్రో టీనుల పోధానంగ్ కోల రబప్్ల స్ర జనుు వుకటతకరణలో ప్్ల్గ ంటాయి.
ఎలక్రా న్ టాో నోిోరేరషన్ పోకసియ కోస్ం నీలైకోుయిడ్ ప్ ర యొకక
ప్రో టీనలకు మరియయ మరొక 10 జనుు ఉత్పత్త లకు జనుువులు
కోడ్ింగ్ ఉంటాయి.
•మొకకజొనన కోల రబప్్ల స్ర DNA (139 kb) కోస్ం ఒక పరిమితి
మాుప్, ప్్ల స్రమోల 22,000 బ్ేస్ జత్లను విలోమ పునర్వృత్
కిమానిన కలిగి ఉంట ంది, వీటిలో rRNA జనుువులు (Fig. 5.1)
ఉంటాయి. ఇలాంటి పునర్వృత్పాలత్పో కయడ్ిన ఇత్ర ప్్ల స్ిరకుల
rRNA జనుువుల రండన క్పీలను కలిగి ఉనానయి.

 Ribosomes of chloroplast show sedimentation coefficient of 70
S Svedberg units, i.e., 70 S. The ribosomes of cytoplasm
exhibits 80 S. The 70 S ribosomes are made up of 23 S and 16
S.
 Presence of 70 S ribosomes in chloroplast have a resemblance
to prokaryotic ribosome, clearly strengthens the hypothesis of
its prokaryotic origin.
 Chloroplast ribosomes contain about 50 ribosomal proteins,
distributed between the two subunits.
 The 23 S, 5 S, 4.5 S rRNA are present in the 50 S subunit and
the 16 S rRNA is in the 30 S subunit. Plastid contains tRNA
synthetase enzymes.
 The presence of plastid tRNA is able to charge all of the 20
protein amino acids. Synthesis of protein in chloroplast
utilizes normal genetic code.

•70 S Svedberg యూనిటల , అనగ్, 70 S. యొకక కోల రబప్్ల స్ర షర
అవక్షేప గయణకం యొకక రిబ్ో జతమస్ స్ెైటోప్్ల జం యొకక
రిబ్ో స్టర మస్ 80 S. పోద్రిిస్ుత ంది.
•70 S రరబస్మల ను 23 S మరియయ 16 S. కోల రబప్్ల స్టర ్ల 70 S రబిజతమల
ఉనికసని ప్రో క్రబుటిక్ రిప్రో మోమయక ప్ర లిక కలిగి ఉంది, దీని
ప్రో కరియోటిక్ మూలం యొకక పరికలపనను స్పషరంగ్
బ్లపరుస్ుత ంది.
•కోల రబప్్ల స్ర రిబ్ో స్ట మ్ి లో 50 రిబ్ో స్టర మల్ ప్రో టీనుల ఉంటాయి, ఇవి
రండన ఉపభాగ్ల మధ్ు పంపిణీ చేయబ్డత్పాయి. 23 S, 5 S, 4.5
SRRNA లు 50 S స్బ్యునిటోల ఉనానయి మరియయ 16 S RRNA
30 S స్బ్యునిటోల ఉంట ంది. ప్్ల స్ిరడ్లల TRNA స్ింథెటేస్ ఎంజైమయలు
ఉంటాయి. ప్్ల స్ిరడ్ tRNA యొకక ఉనికసని 20 ప్రో టీన్ అమైనో
ఆమాల లనినంటినీ ఛార్్ చేయవచుు. కోల రబప్్ల స్టర ్ల ప్రో టీన్ యొకక
స్ింథస్ిస్ స్ట్ధారణ జనుు స్ంకేత్పానిన ఉపయోగించుకుంట ంది.

•The sequences of the maize and tobacco 16 S rRNA
genes are 1491 and 1486 nucleotides in length,
respectively.
•They show 96% sequence homology with each other.
Similarly, DNA sequence of 23 S rRNA genes from
maize and tobacco is 2898 and 2804 nucleotides
respectively.
•The distance between 16 S (end) and the 23 S (start)
of rRNA gene is 2408 base pairs in maize and 2080 in
tobacco (Table 5.2). On the contrary, the distance
among prokaryotic organisms is very less, for example,
in E. coli distance is 440 base pairs. Longer distance
among higher plants is due to the presence of introns
upto 950 base pairs.

• మొకకజొనన మరియయ ప్ గ్కు 16 S rRNA జనుువుల
వరుస్లు వరుస్గ్ 1491 మరియయ 1486 నూుకసలయోటెైడల ను
ప్ డవుగ్ ఉనానయి. వ్రు ఒకదానిత్పో ఒకటి 96% స్ీకాన్ి
homology చూపించు.
• అదేవిధ్ంగ్, మొకకజొనన మరియయ ప్ గ్కు నుండ్ి 23 S rRNA
జనుువుల DNA శ్లిణి వరుస్గ్ 2898 మరియయ 2804
నూుకసలయోటెైడల ను కలిగి ఉంది.
• RRNA జనుువు యొకక 16 S (మయగింపు) మరియయ 23 S
(ప్్ో రంభ్ం) మధ్ు ద్ూరం మొకకజొననలో 2408 ఆధార జత్లు
మరియయ 2080 ప్ గ్కులో (పటిరక 5.2) మధ్ు ఉంట ంది. దీనికస
విరుద్ధంగ్, ప్రో కరియోటిక్ జీవుల మధ్ు ద్ూరం చాలా త్కుకవగ్
ఉంట ంది, ఉదాహరణకస E. coli ద్ూరం 440 బ్ేస్ జత్ల. అధిక
బింద్ువుల మధ్ు ద్ూరం 950 బ్ేస్ జత్ల వరకు ఇంటాో న్ి
ఉండటం వలన జరుగయత్ ంది.

- Chloroplast DNA (cpDNA) is also known as plastid
DNA (ptDNA).
- Circular double stranded DNA molecule
- Chloroplast genome size ranges 120-217kb with
majority of plants fall into 120-160kb. (Pelargonium
has a chloroplast genome size 217kb)contain about
100 genes to synthesize proteins
- cpDNA regions includes Large Single-Copy (LSC) &
Small Single-Copy (SSC) regions, and Inverted
Repeats (IRA & IRB).
- Conifers and a group of legumes lack Inverted
Repeats.
Chloroplast genome

IRA
IRB
LSC
SSC

- Complete chloroplast DNA sequences of four land
plants (Nicotiana tabacum, Marchantia polymorpha,
Oryza sativa and Epifagus virginiana) were available
for comparative study on structure and gene content
of chloroplast genomes in 1980s.
- At present, the number of complete chloroplast
genome sequences is 122 (from 114 different
organisms).
eg. Arabidopsis thaliana, Coffea arabica, Eucalyptus
globulus, Glycine max, Gossypium hirsutum,
Helianthus annuus, Lycopersicon esculentum,
Nymphaea alba, Phaseolus vulgaris, Pinus koraiensis,
Piper cenocladum, Solanum tuberosum, Triticum
aestivum, Vitis vinifera, Zea mays etc.
Chloroplast genome

- cpDNA is a relatively abundant component of
plant total DNA, thus facilitating extraction
and analysis.
- Conservative rate of nucleotide substitution
enables to resolve plant phylogenetic
relationships at deep levels of evolution.
eg. familial level; mono- & dicotyledonous;
- Chloroplast protein-coding genes evolve at a
rate that is on average fivefold slower than
plant nuclear genes.
Characteristics of Chloroplast Genome

- Strictly maternally inherited in most
angiosperms while in conifers, inheritance
is paternal.
- Chloroplast DNA is passed on from one
generation to the next with only an
occasional mutation altering the molecule;
sexual recombination does not occur.
Characteristics of Chloroplast Genome

- cpDNA regions can be amplified by means
of PCR.
- The resulted PCR products may be
subjected to RFLP or DNA sequencing.
- Common cpDNA regions used in
systematic study:
rbcL (1400bp), trnL-trnF (250-800bp), atpB-
rbcL (1000bp), trnL intron (300bp), matK
(2600bp), trnT-trnL (400-800bp), 16S (1400bp),
rpoC (3600bp) etc.
Molecular Systematics on cpDNA

IRA
IRB
LSC
SSC
rbcL
matK
atpB-rbcL
trnL intron
trnL-trnF
trnT-trnL
rpoC
16S

- Restriction site mapping of
the entire chloroplast
genome. (involve the
isolation of chloroplast
DNA from the total DNA)
Molecular Systematics on cpDNA
The whole chloroplast genomes of
different Brassica species were
digested with SacI

- Singular structural rearrangements (e.g.
inversions and intron losses).
- Loss of intron of rpl2 gene was found in
species of order Caryophyllales (cacti,
amaranths, carnations, carnivorous plants).
Molecular Systematics on cpDNA

- On of the most comprehensive phylogenetic
study of cpDNA rearrangement involved a 22kb
inversion found to be shared by 57 genera
representing all tribes of the family Asteraceae
(sunflowers), a large plant family with 20,000
species and 1100 genera.
- 50kb inversion brought psbA closer to rbcL in
legumes.
- 25kb inversion brought atpA closer to rbcL in
wheat.
Molecular Systematics on cpDNA

H. nervosa
H. dyeri
H. dryobalanoides
H. beccariana
H. pierrei
H. latifolia
H. mengerawan
H. myrtifolia
H. ferruginea
H. sangal
H. nutans
H. odorata
H. helferi
H. apiculata
H. wightiana
Neobalanocarpus heimii
69
84
89
100
75
5192
Subsection
Hopea
Subsection
Dryobalanoides
Subsection
Sphaerocarpae
Subsection
PierreaHopea clade
Dryobalanoides
clade
Outgroup
72-bp deletion
in the trnL-trnF
H
o
p
e
a
D
r
y
o
b
a
l
a
n
o
i
d
e
s
Phylogeny based on the trnL-trnF, trnT-trnL and atpB-rbcL sequences.
Upuna borneensis
H. subalata
72
96
H. bilitonensis
Tree length = 143
CI = 0.8811
RI = 0.8651
H. pubescens

THANK YOU