煙草基因組知識篇：1.基因組與煙草基因組計(jì)劃

王元英

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所 青島 266101）

1 基因組和基因組學(xué)

基因組（genome）是指生物的全部基因和染色體組成，也就是生物DNA分子所攜帶的全部遺傳信息；基因組學(xué)是研究生物基因組的組成、組內(nèi)各基因的精確結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系及表達(dá)調(diào)控的科學(xué)。基因組學(xué)研究一般包括兩方面的內(nèi)容：以全基因組測序?yàn)槟繕?biāo)的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structural genomics）和以基因功能鑒定為目標(biāo)的功能基因組學(xué)（functional genomics)。

結(jié)構(gòu)基因組學(xué)是通過基因作圖、核苷酸序列分析以確定基因組成、基因定位的科學(xué)。染色體不能直接用來測序，必須將基因組這一巨大的研究對象進(jìn)行分解，使之成為較易操作的小結(jié)構(gòu)區(qū)域，這個(gè)過程就是基因作圖，包括遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜以及最終的全序列圖譜。

功能基因組學(xué)又稱為后基因組學(xué)（post-genomics），是利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究所獲得的大量數(shù)據(jù)與信息，結(jié)合高通量的實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算機(jī)分析技術(shù)，研究包括生化功能、細(xì)胞功能、發(fā)育功能、適應(yīng)功能等基因功能的科學(xué)。功能基因組學(xué)的主要工具和方法包括生物信息學(xué)、遺傳分析、基因表達(dá)測量和基因功能鑒定等。

2 目前完成基因組測序的主要生物

1980年完成噬菌體Φ-X174基因組（5,368 bp）的測序，成為第一個(gè)測序的基因組；1995年完成第一個(gè)原核生物（流感嗜血桿菌，Haemophilus influenzae,1.8 M）基因組的測序；1997年完成大腸桿菌（Escherichia coli,4.6 M）和第一個(gè)真核生物（啤酒酵母,Saccharomyces cerevisiae,12 M）的完整基因圖譜繪制；1998年完成第一個(gè)多細(xì)胞生物（秀麗線蟲,Caenorhabditis elegans,97 M）基因組的測序；2000年完成果蠅（Drosophila melanogaster,180 M）和第一個(gè)植物-擬南芥（Arabidopsis thaliana,125 M）的基因組測序以及人類的基因組草圖；2002年完成水稻（Oryza sativa,466 M）的基因組草圖，小鼠（Mus musculus,2500 M）、瘧原蟲（Plasmodium falciparum,23 M）和按蚊（Anopheles gambiae,280 M）基因組測序完成；2003年完成人類（Homo sapiens,3000 M)全基因組完整圖譜；2004年完成原雞（Gallus gallus,1200 M）和家蠶（Bombyx mori,360 M）的基因組測序；2005年完成水稻基因組全序列測定；2007年首個(gè)中國人基因組圖譜（又稱“炎黃一號”）繪制完成（也是第一個(gè)亞洲人、黃種人的全基因序列圖譜）。目前完成基因組框架圖測序的生物還有大鼠（Rattus norvegicus）、斑馬魚（Brachydanio rerio）、蜜蜂（Apis mellifera）、家豬（Susscrofa domestica）、葡萄（Vitis vinifera）、番木瓜（Carica papaya）、咖啡（Coffea arabica）、玉米（Zea mays）、黃瓜（Cucumis sativus）、大熊貓（Ailuropoda melanoleuca）、馬鈴薯（Solanum tuberosum）及油菜（Brassica campestris）等。正在進(jìn)行測序的重要植物還有棉花（Gossypium herbaceum）、番茄（Lycopersicon esculentum）、小麥（Triticum aestivum）、沙特椰棗（Phoenix dactylifera）等。

在基因組測序領(lǐng)域中，由美國科學(xué)家于 1985年率先提出并在 1990年正式啟動的人類基因組計(jì)劃（human genome project,HGP）是一個(gè)標(biāo)志性的研究項(xiàng)目。HGP計(jì)劃投資 30億美元，用 15年的時(shí)間（1990-2005年）揭示人類基因組的全部奧秘。計(jì)劃任務(wù)分兩大階段：繪制基因組結(jié)構(gòu)圖譜和基因組測序。HGP自實(shí)施以來，不僅進(jìn)展順利，而且還帶動了其他生物體基因組研究的蓬勃開展。經(jīng)過全球科學(xué)家近10年的共同努力，人類基因組“工作框架圖”于2000年6月繪制完成。人類基因組圖譜堪稱人類的“第二張解剖圖”，是人類科學(xué)史上的又一個(gè)里程碑，對人類疾病基因研究、基因診斷、基因治療、基因工程藥物產(chǎn)業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了巨大影響。

3 煙草基因組計(jì)劃及意義

煙草屬于茄科（Solanaceae)煙草屬（Nicotiana）。煙草屬有66個(gè)種，分布廣泛，其中45個(gè)種原產(chǎn)于北美或南美，15種原產(chǎn)于澳大利亞。目前生產(chǎn)上推廣最普遍、經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大的栽培種是普通（紅花）煙草（N.tabacum）。一般認(rèn)為，普通煙草是林煙草（N.sylvestris）和絨毛狀煙草（N.tomentosiformis）種間雜交后染色體加倍而產(chǎn)生的。絨毛狀煙草和林煙草均為二倍體（2n=24），栽培種普通煙草為四倍體（2n=48）。煙草具有非常大的基因組，二倍體煙草基因組大小約為23億堿基對（2300 M），四倍體煙草基因組大小約為45億堿基對（4500 M），是人類基因組的1.5倍。初步預(yù)測，煙草的基因數(shù)目約為2.5-5萬個(gè)。作為典型的大植物基因組，煙草基因組中重復(fù)序列含量很高，可能達(dá)到基因組序列的60%-80%，這給煙草基因組的測序和拼接造成了一定困難。

“煙草基因組計(jì)劃”是我國《煙草行業(yè)中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中確定的煙草行業(yè)9個(gè)科技重大專項(xiàng)之一。按照規(guī)劃，煙草基因組計(jì)劃將重點(diǎn)開展大規(guī)模煙草基因組測序，構(gòu)建煙草全基因組序列圖譜、高密度分子標(biāo)記遺傳圖譜、物理圖譜，建立自主知識產(chǎn)權(quán)的煙草基因信息數(shù)據(jù)庫；開展煙草重要性狀相關(guān)基因定位；克隆與煙堿、有害成分、主要抗性、香氣物質(zhì)、主要礦物質(zhì)吸收利用效率、煙葉成熟和烘烤特性等主要性狀調(diào)控機(jī)制相關(guān)的功能基因等。

實(shí)施煙草基因組計(jì)劃可以全面揭示煙草種質(zhì)資源的遺傳背景，獲得一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煙草重要性狀功能基因，提高我國煙草育種技術(shù)和水平，確立我國在煙草基因組研究上的核心優(yōu)勢，對實(shí)現(xiàn)煙草品種的根本性突破、更好地發(fā)揮煙草模式植物的基礎(chǔ)研究作用具有重要意義。