植物功能基因的研究?jī)?nèi)容與展望

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(xué)”（genomics）一詞由Thomas Roderick 在1986年提出。目前基因組學(xué)存在兩個(gè)分支，一個(gè)是結(jié)構(gòu)基因組學(xué)，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(cè)序?yàn)橹饕繕?biāo);另一個(gè)是功能基因組學(xué)，利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究獲得的大量數(shù)據(jù)與信息評(píng)價(jià)基因功能，包括生化功能、細(xì)胞功能、發(fā)育功能、適應(yīng)功能等，其主要手段結(jié)合了高通量、大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)方法、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算機(jī)分析技術(shù)。1995年，生物學(xué)家提出“后基因組學(xué)”的概念，即在基因組靜態(tài)的作圖、堿基序列分析基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)入對(duì)基因組動(dòng)態(tài)的生物學(xué)功能研究，亦稱“功能基因組學(xué)”。植物基因功能研究起步相對(duì)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(xué)研究的最終目標(biāo)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(jìn)而全面研究控制植物生長(zhǎng)發(fā)育及響應(yīng)環(huán)境變化的遺傳機(jī)制，在基因組序列與細(xì)胞學(xué)行為之間架起橋梁，使其共同承擔(dān)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(guò)發(fā)展和應(yīng)用系統(tǒng)基因組水平的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)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(xì)胞、有機(jī)體和進(jìn)化上的關(guān)系以及基因與基因間的調(diào)控關(guān)系。植物功能基因組學(xué)是植物后基因時(shí)代研究的核心內(nèi)容，它強(qiáng)調(diào)發(fā)展和應(yīng)用整體的實(shí)驗(yàn)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(biāo)簽法、轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽法、反義RNA技術(shù)的基因破除、基因陷阱和化學(xué)誘變的新發(fā)展—TILLING技術(shù)，其中，T-DNA標(biāo)簽法是應(yīng)用最為廣泛的研究手段。

二、植物功能基因組研究?jī)?nèi)容

（一）植物基因組的大規(guī)模測(cè)序

植物基因組的大規(guī)模測(cè)序是深入進(jìn)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(cè)序的完成，公共數(shù)據(jù)庫(kù)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(guān)的功能基因。鑒定和發(fā)現(xiàn)表達(dá)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(guò)對(duì)隨機(jī)挑選的cDNA克隆進(jìn)行一端或兩端長(zhǎng)為300～500 bp的測(cè)序，這種序列在大多數(shù)情況下已足夠用于確認(rèn)對(duì)應(yīng)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(xué)功能，如作為蛋白質(zhì)激酶對(duì)特異的蛋白質(zhì)進(jìn)行磷酸化修飾;細(xì)胞學(xué)功能，如參與細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)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(jiǎn)單的方法是將該DNA序列與GeneBank中公布的基因序列進(jìn)行同源性比較，如利用BLASTn和BLASTx兩種軟件分別進(jìn)行核苷酸和氨基酸序列同源性比較等。進(jìn)行功能基因網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是基因功能研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。功能基因網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)中的2個(gè)基因相互關(guān)聯(lián)以行使相同的功能，即如果2個(gè)基因處于同一生物學(xué)過(guò)程或者通路，代表這2個(gè)基因網(wǎng)絡(luò)中的2個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中是相互連接的。

（三）植物蛋白質(zhì)組研究

基因功能的實(shí)現(xiàn)最終是以蛋白質(zhì)形式體現(xiàn)的，今后生命科學(xué)的重點(diǎn)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(dòng)規(guī)律。蛋白質(zhì)組是指一種基因組、一種生物或一種細(xì)胞、組織在精確控制其環(huán)境條件下，特定時(shí)刻所表達(dá)的全套蛋白質(zhì)。當(dāng)今，蛋白質(zhì)研究技術(shù)正在不斷發(fā)展。蛋白質(zhì)組研究技術(shù)主要有：用于蛋白質(zhì)分離的雙向凝膠電泳技術(shù)（2D-PAGE）、用于蛋白質(zhì)鑒定的Edman降解法測(cè)N端序列技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)、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(shù)信息研究

生物信息學(xué)是以計(jì)算機(jī)為工具，用數(shù)理及信息科學(xué)的理論和方法研究生命的現(xiàn)象，對(duì)生物信息進(jìn)行儲(chǔ)存、檢索和分析的一門新興交叉學(xué)科，由數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件三大部分組成。通過(guò)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(jìn)行基因結(jié)構(gòu)的鑒定、分子設(shè)計(jì)、蛋白質(zhì)空間模擬和預(yù)測(cè)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究。對(duì)日益增長(zhǎng)的DNA和蛋白質(zhì)的序列結(jié)構(gòu)進(jìn)行收集、整理、儲(chǔ)存、發(fā)布、提取、加工、分析和發(fā)現(xiàn)各DNA片段的功能。同時(shí)，在發(fā)現(xiàn)了新基因信息之后，了解基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)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(yīng)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(guān)研究技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展而不斷加深和擴(kuò)展的，所以在功能基因組研究過(guò)程中，在完善現(xiàn)有研究手段和技術(shù)的同時(shí)，還必須發(fā)展一些新的基因功能研究技術(shù)，加強(qiáng)國(guó)際間的學(xué)術(shù)交流，建立全球共享的植物基因組數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以最終闡明植物基因組的結(jié)構(gòu)和功能。單獨(dú)運(yùn)用一種技術(shù)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(shù)有機(jī)融合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，采用生物技術(shù)對(duì)植物進(jìn)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。