烟草基因组知识篇:1.基因组与烟草基因组计划
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中国烟草科学2010,31(1):81—82 81
编者按:
为配合国家烟草专卖局烟草基因组计划重大专项的实施,全面开展烟草基因组学研究,
深入挖掘烟草功能基因,培育具有中国特色的烟草超级品种,本刊自本期起开辟烟草基因组
专栏,着重介绍烟草基因组知识、基因组学研究方法、烟草重要性状基因及烟草基因组计划
的重大进展等,欢迎广大作者踊跃投稿。
烟草基因组知识篇:1.基因组与烟草基因组计划
王元英 (中国农业科学院烟草研究所青岛266101)
1基因组和基因组学
基因组(genome)是指生物的全部基因和染色体组成,也就是生物DNA分子所携带的全部遗传
信息;基因组学是研究生物基因组的组成、组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的科学。基
因组学研究一般包括两方面的内容:以全基因组测序为目标的结构基因组学(structural genornics)和
以基因功能鉴定为目标的功能基因组学(functional genomics)。 结构基因组学是通过基因作图、核苷酸序列分析以确定基因组成、基因定位的科学。染色体不能直接 用来测序,必须将基因组这一巨大的研究对象进行分解,使之成为较易操作的小结构区域,这个过程就是
基因作图,包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱以及最终的全序列图谱。 功能基因组学又称为后基因组学(post.genomics),是利用结构基因组学研究所获得的大量数据与信
息,结合高通量的实验、统计和计算机分析技术,研究包括生化功能、细胞功能、发育功能、适应功能等
基因功能的科学。功能基因组学的主要工具和方法包括生物信息学、遗传分析、基因表达测量和基因
功能鉴定等。
2 目前完成基因组测序的主要生物
1980年完成噬菌体 —X174基因组(5,368 bp)的测序,成为第一个测序的基因组;1995年完成
第一个原核生物(流感嗜血杆菌,Haemophilus influenzae,1.8 M)基因组的测序;1997年完成大肠杆菌
(Escherichia eoli,4.6 M)和第一个真核生物(啤酒酵母,Saccharomyces cerevisiae,12 M)的完整基因
图谱绘制;1998年完成第一个多细胞生物(秀丽线虫,Caenorhabditis elegans,97 M)基因组的测序;2000
年完成果蝇(Drosophila melanogaster,180 M)和第一个植物一拟南芥(Arabidopsis thaliana,125 M)
的基因组测序以及人类的基因组草图;2002年完成水稻(Oryza sativa,466 M)的基因组草图,小鼠(Mus mUSCUlus。2500 M)、疟原虫(Plasmodiumfalciparum,23 M)和按蚊(Anopheles gambiae,280
M)基因组 82 中国烟草科学 测序完成;2003年完成人类(Homo sapiens,3000 M)全基因组完整图谱;2004年完成原鸡(GaUus gallus,
1200 M)和家蚕(Bombyx mori,360 M)的基因组测序;2005年完成水稻基因组全序列测定;2007年首个
中国人基因组图谱(又称“炎黄一号”)绘制完成(也是第一个亚洲人、黄种人的全基因序列图谱)。目前
完成基因组框架图测序的生物还有大鼠(Rattus norvegicus)、斑马鱼(Brachydanio rerio)、蜜蜂(apis
mellifera)、家猪(Susscrofa domestica)、葡萄(Vitis vinifera)、番木瓜(Caricapapaya)、咖啡(Cofea
arabica)、玉米(Zea mays)、黄瓜(Cucumis sativus)、大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)、马铃薯(Solanum
tuberosum)及油菜(Brassica campestris)等。正在进行测序的重要植物还有棉花(Gossypium herbaceum)、 番茄(Lycopersicon esculentum)、小麦(Triticum aestivum)、沙特椰枣(Phoenixdactylifera)等。
在基因组测序领域中,由美国科学家于1985年率先提出并在1990年正式启动的人类基因组计划
(human genome project,HGP)是一个标志性的研究项目。HGP计划投资3O亿美元,用15年的时间
(1990.2005年)揭示人类基因组的全部奥秘。计划任务分两大阶段:绘制基因组结构图谱和基因组测序。
HGP自实施以来,不仅进展顺利,而且还带动了其他生物体基因组研究的蓬勃开展。经过全球科学家近
10年的共同努力,人类基因组“工作框架图”于2000年6月绘制完成。人类基因组图谱堪称人类的“第二张
解剖图”,是人类科学史上的又一个里程碑,对人类疾病基因研究、基因诊断、基因治疗、基因工程药物
产业和社会经济产生了巨大影响。
3烟草基因组计划及意义
烟草属于茄科(Solanaceae)烟草属(Nico ̄ana)。烟草属有66个种,分布广泛,其中45个种原产于北
美或南美,15种原产于澳大利亚。目前生产上推广最普遍、经济价值最大的栽培种是普通(红花)烟草(^『. tabacum)。一般认为,普通烟草是林烟草(M sylvestris)和绒毛状烟草(A『.tomentosiformis)种问杂交后
染色体加倍而产生的。绒毛状烟草和林烟草均为二倍体(2n=24),栽培种普通烟草为四倍体(2n=48)。烟
草具有非常大的基因组,二倍体烟草基因组大小约为23亿碱基对(2300 M),四倍体烟草基因组大小约为
45亿碱基对(4500 M),是人类基因组的1.5倍。初步预测,烟草的基因数目约为2.5.5万个。作为典型的大 植物基因组,烟草基因组中重复序列含量很高,可能达到基因组序列的60%.80%,这给烟草基因组的测序
和拼接造成了一定困难。
“烟草基因组计划”是我国《烟草行业中长期科技发展规划纲要(2006.2020年)》中确定的烟草行业9
个科技重大专项之一。按照规划,烟草基因组计划将重点开展大规模烟草基因组测序,构建烟草全基因组
序列图谱、高密度分子标记遗传图谱、物理图谱,建立自主知识产权的烟草基因信息数据库:开展烟草重
要性状相关基因定位;克隆与烟碱、有害成分、主要抗性、香气物质、主要矿物质吸收利用效率、烟叶成
熟和烘烤特性等主要性状调控机制相关的功能基因等。
实施烟草基因组计划可以全面揭示烟草种质资源的遗传背景,获得一批具有自主知识产权的烟草重要
性状功能基因,提高我国烟草育种技术和水平,确立我国在烟草基因组研究上的核心优势,对实现烟草品
种的根本性突破、更好地发挥烟草模式植物的基础研究作用具有重要意义。