Lục lạp sở hữu DNA của riêng chúng,[47] gọi là DNA lục lạp (chloroplast DNA), thường viết tắt thành ctDNA,[48] hoặc cpDNA.[49] Nó cũng được biết đến với cái tên plastome (bắt nguồn từ hai từ: plastid—lạp thể và genome—bộ gen, hệ gen, tạm dịch: bộ gen lạp thể). Sự tồn tại của nó chứng minh lần đầu vào năm 1962,[43] và được giải mã đầu tiên vào năm 1986—khi hai nhóm nghiên cứu người Nhật Bản tiến hành giải mã DNA lục lạp của rêu tản và thuốc lá.[50] Kể từ đó, hàng trăm bộ DNA lục lạp từ nhiều loài khác nhau đã giải mã trình tự, nhưng phần lớn là thực vật đất liền và các loại tảo lục—tảo lục lam, tảo đỏ, và những nhóm tảo khác với rất ít đại diện, điều này có thể gây ra một số thiên lệch trong quan điểm cấu trúc "điển hình" của DNA lục lạp cũng như thông tin di truyền chứa trong nó.[51]

Cấu trúc phân tử

Trừ một vài ngoại lệ, toàn bộ hệ gen của phần lớn lục lạp nằm gọn trong một phân tử DNA mạch vòng duy nhất,[51] thường dài khoảng 120 000–170 000 cặp base.[43][44][45] Chu vi khoảng 30–60 micromet (μm), và khối lượng phân tử khoảng 80–130 triệu đơn vị cacbon (đvC hay u).[52]

Thông thường, các phân tử DNA lục lạp được cho là mạch vòng, nhưng một số bằng chứng còn cho thấy chúng thường có thêm dạng mạch thẳng.[51][53]

Trình tự lặp lại đảo ngược

Nhiều DNA lục lạp chứa hai trình tự lặp lại đảo ngược (inverted repeat – IR) hay đoạn lặp (lại) đảo ngược, ngăn cách vùng sao chép đơn dài (long single copy section – LSC) và vùng sao chép đơn ngắn (short single copy section – SSC).[45] Bình thường, một cặp trình tự lặp lại đảo ngược hiếm khi giống nhau hoàn toàn, nhưng ở DNA lục lạp, thật ngạc nhiên là chúng rất giống nhau, đây rõ ràng là một hệ quả của quá trình tiến hóa phối hợp (concerted evolution).[51]

Chiều dài của những đoạn lặp đảo ngược khác nhau rất lớn, chênh lệch từ 4 000 đến 25 000 cặp base và chứa từ 4 đến hơn 150 gen.[51] Các trình tự lặp lại đảo ngược ở tế bào thực vật thường dẫn đầu về chiều dài trong giới hạn này, từ 20 000–25 000 cặp base.[45][54]

Những trình tự lặp lại đảo ngược được giữ lại cao trong các loài thực vật đất liền, và có tích lũy thêm ít đột biến.[45][54] Tương tự những đoạn lặp đảo ngược tồn tại trong hệ gen vi khuẩn lam và hai dòng lục lạp khác (tảo đỏ và tảo lục lam), những trình tự này cũng xuất hiện trước lục lạp.[51] Một số DNA lục lạp làm mất đi[54][55] hoặc đảo lại những đoạn lặp lại đảo ngược (trở thành các đoạn lặp (lại) nguyên bản–direct repeat, không còn đặc tính đảo ngược nữa).[51] Thực tế có thể thấy rằng những trình tự lặp lại đảo ngược giúp ổn định tốt hơn cấu trúc hệ gen lục lạp, vì vậy mà những DNA lục lạp mất đi một số trình tự này thường có xu hướng sắp xếp lại.[55]

Thể nhân

Những lục lạp mới sinh có thể chứa đến 100 bản sao DNA,[43] và số lượng sẽ giảm còn khoảng 15–20 bản sao tùy theo độ tuổi.[56] Các DNA thường gom lại và đóng gói trong các thể nhân (hay vùng nhân–nucleoid), có khả năng chứa một số vòng DNA giống hệt nhau. Mỗi lục lạp có thể có nhiều thể nhân.[52] Trong lục lạp tế bào tảo đỏ nguyên thủy, thể nhân tập trung tại vùng trung tâm, còn ở cây xanh và tảo lục, các thể nhân phân tán rải rác khắp chất nền stroma.[57]

Mặc dù các DNA lục lạp không kết hợp với loại protein histone thực sự,[8] nhưng trong tảo đỏ, vẫn tìm thấy các protein tương tự có khả năng đóng chặt các vòng DNA thành thể nhân.[57]