12专家：测序更多植物基因组

　　

生物通报道：美国研究委员会（NRC）在本周发表的一项报告中称，以通过基因组学研究来探索植物秘密的NPGI计划应该拓展其测序能力，并且努力开发出表观基因组学和其他所谓的“omics”（生物组学，生物通注）学科的新工具。

 

这项由植物遗传学和其他领域的12位专家委员所准备的报告回顾了十年美国基因组学研究计划的成果，并且给出了将来研究的方向和目标。

 

在这些建议中，12专家呼吁扩大植物基因组测序、植物相关微生物测序、植物相关宏基因组（metagenome）测序和相关高质量注释。（宏基因组（Metagenome）是特定环境或共生体内所有生物遗传物质的总和，是一种不依赖于人工培养的微生物基因组分析技术。宏基因组方法很大程度上依赖于提取DNA的纯度，大片段DNA的成功克隆也是宏基因组方法的关键。生物通注）

为了满足这个要求，这项报告还建议NPGI能够拓展其与DOE联合基因组研究所得现有合作关系，并且能够让研究人员接触合利用新一代测序技术进行基因组学和宏基因组研究。

 

该报告还鼓励开发一些仔细选择的植物种类的高精度“omics”资源以及一些传统物种的更宽或更窄水平的数据资源。

 

其他的建议包括使用系统方法来提高美国在重要农作物和树种方面的竞争力，集中研究植物进化，并且将所有这类研究归为植物改良计划。

 

NPGI计划在1998年由多个机构合作启动。NPGI由Interagency植物基因组学工作组掌管，该工作组包括来自美国科学基金会、美国卫生研究院、美国能源部、美国农业部、美国国际发展署、美国Forest Service和管理预算办公室的代表组成。

 

NRC的报告包括这项研究计划迄今为止所取得的成果，并指出应该拓宽、深化和多样化他们的研究来反应出今后的要求变化。

 

根据这项报告，NPGI已经在过去的10年里获得了392项经费资助，总金额达7.74亿美元。这项报告没有提供任何对该计划将来资助的建议。

 

Jeff Dangl教授表示，除了需要测序更多植物基因组和生物工具外，还需要着力研究植物群落的生物信息学。

 

根据这项报告，NPGI计划已经测序了拟南芥（Arabidopsis）和水稻基因组，并且取得了大量重要发现。

 

值得一提的是，这些专家表示，对植物基因组的研究导致发现与几乎所有的重要植物激素相结合的受体分子；了解到这些受体如何控制植物发育程序的信息；如何通过处理种子、花芽或小苗来促使植物开花和结果；叶子、花朵和根如何形成以及植物免疫系统如何控制对病原物的防御。

 

通过比较从这些研究获得的基因组数据，研究人员获得了很多有关其他重要植物的信息，包括与人类驯化玉米、水稻、番茄和小麦有关的分子事件的新信息。这个研究计划推动了植物生物学领域的发展和私人对研究的投资。（生物通雪花）

 

美国国家植物基因组计划（NPGI）介绍

    人类基因组工程(HGP)中的人类基因草图于2000年6月26日宣布完成。这引起了全世界的极大关注。人们似乎对与我们自身直接相关的事物(如人类基因)更加关心，而对不直接相关的事物如植物基因却不大热心或不甚了解。殊不知，植物基因的研究对我们人类而言可以说是同等重要的：

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我们对食品和可再生能源不断增长的需求是人类在21世纪面临的重大挑战之一。而以植物为基础的技术(Plant-based Technologies)对迎接这些挑战至关重要。科学家们已经认识到，要迎接上述挑战，必须大大地拓展植物生物学知识，加强对以植物为基础的技术及其实际应用的研究，提高其在经济和环境中的作用和贡献。国际上对植物基因的研究和对人类基因的研究一样，也在如火如荼地进行着。

    植物基因组研究得到美国国会和联邦政府的高度重视。在国会的要求下，白宫科技政策办公室(OSTP)通过国家科学技术委员会(NSTC)成立了一个专门负责制订国家植物基因组计划(NPGI)的植物基因组机构间工作组。该工作组由农业部、国家科学基金会、国立卫生研究院、能源部、白宫科技政策办公室以及管理与预算办公室的有关负责人组成。国家植物基因组计划于1997年5月启动，1998年1月工作组正式公布了国家植物基因组计划的前5年规划。国家植物基因组计划是与人类基因组工程(HGP)并行的庞大的工程。

    一、NPGI的内容、目标及进展

    NPGI的研究内容分为三部分：第一，结构基因组研究(Structural Genomics)，即研究基因组的结构和组织；第二，功能基因组研究(Functional Genomics)，即鉴别基因组序列的作用，研究基因组结构和组织与植物功能在细胞、有机体和进化上的关系；第三，将基因组的信息和知识用于开发改良植物和以植物为基础的新型产品。
    联邦政府主要侧重于第一和第二部分的研究，第三部分的应用研究主要由私人部门承担。
    NPGI的长期目标是了解那些对农业、环境、能源和健康具有重要意义的植物基因的结构和功能，并应用这些知识来改善人类社会。该计划的六个目标如下：

    1、拟南芥和水稻基因组测序

    选择拟南芥(Arabidopsis Thaliana)和水稻，是因为它们的基因组比其他较高级植物的基因组小，较易实现测序。这两种植物的基因组可分别作为双叶子植物和单叶子植物这两大类植物的参照和样板。水稻属于草科植物，在已知的各种草科植物中基因组最小，具有4亿3000万个碱基对，24个染色体。由于大多数草科植物都具有相同的基因.因此水稻基因组研究的结果可直接应用于其他草科植物，如小麦、玉米等。
    拟南芥和水稻基因组测序是一个多国参与的计划。
    拟南芥基因组测序工作已于2000年底刚刚完成，这是世界上第一个被完全测序的开花植物，研究人员测定了拟南芥大约25000个基因的序列，此后的工作是要了解这些基因的功能。这可能需要大约10年的时间。
    水稻基因组工程是要测出完整的水稻基因组序列。计划于2004年完成。美国成立的机构间工作组参与了由日本水稻基因工程计划牵头的国际水稻基因组测序工作。包括我国在内的十几个国家和地区参加了这一工作组。

    2、结构基因组研究

    结构基因组研究旨在绘出包括玉米、大豆、小麦、大麦、高粱、水稻、棉花、西红柿和松树等10—12种具有经济价值的关键植物的基因图谱。为了寻找在经济作物中缺少的或没有表达的有用基因，少数非经济植物也在考虑之列。
    截至1999年8月，已有玉米、水稻、西红柿和大豆等13种植物的基因组草图被保存在由美国国立医学图书馆管理的基因库(GeneBank)中。

    3、功能基因组研究

    着重研究对作物产量具有明显作用的基因，包括那些带有抗病、种子生长、谷粒质量和开花期等密码信息的基因。此外，还包括那些对其他基因起控制作用的基因。
    随着基因测序的成本不断下降和越来越多的机构参与，结构基因组研究的结果将越来越丰富，并且被生物学家们应用于各种不同的学科，例如生物化学、农业经济学、植物生理学和生态系统研究。科学家们将能够更加有效地把结构基因组研究和功能基因组研究相结合，NPGI的研究重点也将在近期向功能基因组研究转移。

    4、技术开发

    为了保证植物基因组研究的迅速发展，需要持续不断地进行技术开发。在以下几方面尤其需要技术上的进步：基因组结构及其对生理功能影响的新的分析方法、成本低效益高的测序技术、特定条件下基因总表达方式的分析工具等。DNA芯片/微阵列是一种很有希望的技术，它用于同时分析几千种基因的表达方式，以及迅速鉴别基因功能。诸如新型绘图方法、成像系统、特定基因标记方法等新技术正在开发中。
    NPGI侧重于植物基因组研究专用技术的开发，同时也与人类基因组工程一起共同开发相关技术。

    5、基因组数据和资源的分发和使用

    NPGI产生的大量图谱和数据必须分发用于分析。植物基因组研究的专用工具和数据库与人类基因组工程一样，向社会开放。所有的大型植物基因研究中心都有公共的网站公布研究结果。植物基因组的数据与其他基因组的数据相整合。

    6、推广与培训

    NPGI的最终成功将取决于它对植物生物学研究及其应用所产生的影响。为保证基因组信息和技术向最终用户的迅速扩散，短期培训班和专题讨论会等推广和培训活动是该计划的一个组成部分。

    二、NPGI的管理

    为保证计划的顺利进行，NPGI遵循以下管理原则：

    (1)该计划被视为一个长期的项目，在对关键的成功和最新的进展进行评估的基础上，对计划进行适时的调整。
    (2)研究资源包括数据、软件应尽快向公众开放。
    (3)在国家科学技术委员会(NSTC)的领导下，由来自能源部、国立卫生研究院、国家科学基金会、农业部、白宫科技政策办公室和管理预算办公室的代表组成的机构间工作组负责该计划的协调，能源部、国立卫生研究院、国家科学基金会、农业部是联邦政府在该计划中的主要执行者。
    (4)在竞争的基础上经同行评估进行项目拨款，以保证最高的学术水平。
    (5)国际合作伙伴关系应建立在各国资助各自项目的基础上。
    (6)鼓励与私人部门的合作。由于基因组研究和应用的巨大潜在效益，私人部门也有一定的投入，并拥有一定的数据，但向公众开放有限。联邦机构要与私人机构加强合作，共同投资，促进开放。

    此外，植物基因组研究中对有关知识产权的处理与人类基因工程有关政策是一致的。

 

三、NPGI的预算

    为保证该计划目标的实现，联邦政府在头五年内的预算估计至少为3亿美元(注：美国的研究经费逐年作年度预算，并需获国会批准，因此该计划没有整个5年的确切预算)。由于基因组研究发展较快，新技术和新发现可能对研究成本和研究方向产生巨大影响，因此难以预测5年后的具体科学目标和预算需求。

    1998财年植物基因组经费已拨给国家科学基金会4000万美元，用于一些基础性研究。此外的2.8亿美元将作如下大概的分配：

    2000万美元用于加速拟南芥基因组序列研究，多国拟南芥基因组工程的其他参与国家如欧盟、法国和日本等也将提供相当的资金；4000万美元用于大约20%的水稻基因组序列研究，其他研究由日本和欧盟等其他国家承担；3000万美元用于20种主要经济作物和10种主要种类植物的表达序列标识(Expressed Sequence Tags)项目；1亿美元用于特选植物如玉米、小麦、大豆、高梁、西红柿、大麦和松树等的cDNA及其他有关基因组测序；6000万美元用于满足基础设施方面的需要；1.5亿美元用于功能基因组研究。

    1999年10月公布的一份报告提议，在今后3年中，植物基因组计划需要增加5亿美元的经费。

    地球上的植物种类繁多，仅美国就有40多种具有重要经济价值的植物种类，而我国拥有的植物种类更多。就像人类基因组工程一样，没有任何一个国家能够有足够的资金和人力来独自进行大规模的基因组工程。因此，植物基因组计划也是一个庞大的国际合作计划。

    对植物基因组的研究已将植物生物学推向了一个新的阶段，并将对农业、环境、能源和人类健康产生深远的甚至难以预想的积极影响。(原载于《国外科技动态》2001年第1期)