關于葉綠體的起源問題有兩種互相對立的學說,即内共生假說和分化假說。按照内共生假說,葉綠體的祖先是藍藻或光合細菌,它們在生物進化的早期被原始真核細胞捕獲(吞噬),逐步進化為葉綠體。分化假說認為葉綠體是原始的真核細胞内質逐步分化而形成。已有的一些研究成果更有利于葉綠體起源的内共生假說,例如葉綠體DNA的大小及形狀類似于藍細菌DNA,DNA的組成中也都無5-甲基胞嘧啶,它們的DNA都不與組蛋白結合在一起。
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