植物功能基因的研究內(nèi)容與展望

鎮(zhèn)平縣農(nóng)業(yè)技術信息推廣中心 李方

“基因組”（genome）是指一種生物的全套基因和染色體?！盎蚪M學”（genomics）一詞由Thomas Roderick 在1986 年提出。目前基因組學存在兩個分支，一個是結(jié)構(gòu)基因組學，以構(gòu)建生物的遺傳圖譜、物理圖譜和轉(zhuǎn)錄圖譜及其全序列測序為主要目標；另一個是功能基因組學，利用結(jié)構(gòu)基因組學研究獲得的大量數(shù)據(jù)與信息評價基因功能，包括生化功能、細胞功能、發(fā)育功能、適應功能等，其主要手段結(jié)合了高通量、大規(guī)模的實驗方法、統(tǒng)計和計算機分析技術。1995 年，生物學家提出“后基因組學”的概念，即在基因組靜態(tài)的作圖、堿基序列分析基礎上轉(zhuǎn)入對基因組動態(tài)的生物學功能研究，亦稱“功能基因組學”。植物基因功能研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。

一、植物功能基因研究的概念

功能基因組學研究的最終目標是解析所有基因的功能，即從基因水平上大規(guī)模批量鑒定基因的功能，進而全面研究控制植物生長發(fā)育及響應環(huán)境變化的遺傳機制，在基因組序列與細胞學行為之間架起橋梁，使其共同承擔起從整體水平上解析生命現(xiàn)象的重任。植物功能基因組研究是利用植物全基因組序列的信息，通過發(fā)展和應用系統(tǒng)基因組水平的實驗方法來研究和鑒別基因組序列的作用，研究基因組結(jié)構(gòu)和組織與植物功能在細胞、有機體和進化上的關系以及基因與基因間的調(diào)控關系。植物功能基因組學是植物后基因時代研究的核心內(nèi)容，它強調(diào)發(fā)展和應用整體的實驗方法分析基因組序列信息、闡明基因功能，其基本策略是從研究單一基因或蛋白質(zhì)上升到從系統(tǒng)角度研究所有基因或蛋白質(zhì)。植物功能基因組的研究方法有T-DNA 標簽法、轉(zhuǎn)座子標簽法、反義RNA 技術的基因破除、基因陷阱和化學誘變的新發(fā)展—TILLING 技術，其中，T-DNA 標簽法是應用最為廣泛的研究手段。

二、植物功能基因組研究內(nèi)容

（一）植物基因組的大規(guī)模測序

植物基因組的大規(guī)模測序是深入進行基因組研究的前提，其提供了數(shù)據(jù)和信息支撐。如模式植物擬南芥和水稻基因組測序的完成，公共數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)積累了大量基因序列信息，獲得了許多與植物發(fā)育相關的功能基因。鑒定和發(fā)現(xiàn)表達基因最快的途徑是確定cDNA 的部分序列（即EST）。這種方法主要是通過對隨機挑選的cDNA 克隆進行一端或兩端長為300～500 bp 的測序，這種序列在大多數(shù)情況下已足夠用于確認對應的基因。

（二）植物基因功能研究

基因的主要功能包括：生物化學功能，如作為蛋白質(zhì)激酶對特異的蛋白質(zhì)進行磷酸化修飾；細胞學功能，如參與細胞間和細胞內(nèi)的信號傳遞；發(fā)育上的功能，如參與形態(tài)建成等。研究發(fā)現(xiàn)，高等植物中約54%的基因與已知功能基因的序列有相似性。目前，獲得一段DNA 序列的功能信息的最簡單的方法是將該DNA序列與GeneBank 中公布的基因序列進行同源性比較，如利用BLASTn 和BLASTx 兩種軟件分別進行核苷酸和氨基酸序列同源性比較等。進行功能基因網(wǎng)絡的構(gòu)建是基因功能研究的難點和熱點。功能基因網(wǎng)絡是指網(wǎng)絡中的2 個基因相互關聯(lián)以行使相同的功能，即如果2個基因處于同一生物學過程或者通路，代表這2 個基因網(wǎng)絡中的2 個節(jié)點在網(wǎng)絡中是相互連接的。

（三）植物蛋白質(zhì)組研究

基因功能的實現(xiàn)最終是以蛋白質(zhì)形式體現(xiàn)的，今后生命科學的重點將是在蛋白質(zhì)組水平上揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)和活動規(guī)律。蛋白質(zhì)組是指一種基因組、一種生物或一種細胞、組織在精確控制其環(huán)境條件下，特定時刻所表達的全套蛋白質(zhì)。當今，蛋白質(zhì)研究技術正在不斷發(fā)展。蛋白質(zhì)組研究技術主要有：用于蛋白質(zhì)分離的雙向凝膠電泳技術（2D-PAGE）、用于蛋白質(zhì)鑒定的Edman 降解法測N 端序列技術、質(zhì)譜技術、用于蛋白質(zhì)相互作用的酵母雙雜交系統(tǒng)、蛋白質(zhì)芯片等。

（四）生物技術信息研究

生物信息學是以計算機為工具，用數(shù)理及信息科學的理論和方法研究生命的現(xiàn)象，對生物信息進行儲存、檢索和分析的一門新興交叉學科，由數(shù)據(jù)庫、計算機網(wǎng)絡和應用軟件三大部分組成。通過搜索、分析、比較大量的基因和蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)，建立理論模型，進行基因結(jié)構(gòu)的鑒定、分子設計、蛋白質(zhì)空間模擬和預測、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關系的研究。對日益增長的DNA 和蛋白質(zhì)的序列結(jié)構(gòu)進行收集、整理、儲存、發(fā)布、提取、加工、分析和發(fā)現(xiàn)各DNA 片段的功能。同時，在發(fā)現(xiàn)了新基因信息之后，了解基因表達的調(diào)控機理，根據(jù)生物分子在基因調(diào)控中的作用，描述生物體生理生化反應的內(nèi)在規(guī)律。

三、展望

植物基因組的研究深度和廣度是隨著相關研究技術的創(chuàng)新和發(fā)展而不斷加深和擴展的，所以在功能基因組研究過程中，在完善現(xiàn)有研究手段和技術的同時，還必須發(fā)展一些新的基因功能研究技術，加強國際間的學術交流，建立全球共享的植物基因組數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以最終闡明植物基因組的結(jié)構(gòu)和功能。單獨運用一種技術已經(jīng)很難滿足真正獲知基因功能的要求，只有將多種技術有機融合起來，取長補短，采用生物技術對植物進行高效、安全的遺傳改良才能使真正獲知基因功能成為可能。