植物基因組學(xué)的的研究報告進(jìn)展

1、-. z. . . . . 資料. . .基因組學(xué)課程論文題目：植物基因組學(xué)的的研究進(jìn)展*：秦 冉*：11316040植物基因組學(xué)的的研究進(jìn)展摘要：隨著模式植物擬南芥和水稻基因組測序的完成，近年來關(guān)于植物基因組學(xué)的研究越來越多。本文主要對擬南芥、水稻2種重要的模式植物在構(gòu)造基因組學(xué)、比擬基因組學(xué)、功能基因組學(xué)等領(lǐng)域的研究進(jìn)展以及研究所使用的技術(shù)方法進(jìn)展簡單介紹。關(guān)鍵詞：植物；基因組學(xué)；研究進(jìn)展Therecent progress in plant genomics researchAbstract: Withthe pletion of genome sequencing ofthe mode

2、l plant- Arabidopsis and rice，more and more researchesonplant genomicsemergein recent years.The research progress of the 2importantmodel plant-Arabidopsis and rice in structural genomics,parative genomics,functional genomicsand technologymethods used in this researchare introduced briefly in this pa

3、per.Keywords:plant; genomics; research advances前言基因組是1924年提出用于描述生物的全部基因和染色體組成的概念。1986年由美國科學(xué)家Thomas Roderick提出的基因組學(xué)是指對所有基因進(jìn)展基因組作圖(包括遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄本圖譜、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一門科學(xué)。自從1990年人類基因組方案實(shí)施以來，基因組學(xué)發(fā)生了翻天覆地的變化，已開展成了一門生命科學(xué)的前沿和熱點(diǎn)領(lǐng)域。而植物基因組研究與其他真核生物和人類基因組研究有很大的不同。首先， 不同植物的基因組大小即使在親緣關(guān)系非常近的種類之間差異也很大; 其次， 很多植物

4、是異源多倍體， 即便是二倍體植物中有些種類也存在較為廣泛的體細(xì)胞內(nèi)多倍化( endopolyploidy 現(xiàn)象1。基因組研究主要包括三個層次:構(gòu)造基因組學(xué)， 以全序列測序?yàn)槟繕?biāo)，構(gòu)建高分辨率的以染色體重組交換為根底的遺傳圖譜和以DNA 的核苷酸序列為根底的物理圖譜。功能基因組學(xué)，即后基因組方案， 是構(gòu)造基因組研究的延伸， 利用構(gòu)造基因組提供的遺傳信息， 利用表達(dá)序列標(biāo)簽， 建立以轉(zhuǎn)錄圖譜為根底的功能圖譜( 基因組表達(dá)圖譜， 系統(tǒng)研究基因的功能，植物功能基因組學(xué)是當(dāng)前植物學(xué)最前沿的領(lǐng)域之一。蛋白質(zhì)組學(xué)，是功能基因組學(xué)的深入，因?yàn)榛虻墓δ茏罱K將以蛋白質(zhì)的形式表達(dá)。近來，以水稻( Oryza sa

5、tiva 和擬南芥( Arabadopsis thaliana為代表的植物基因組研究取得了很大進(jìn)展，如植物分子連鎖遺傳圖譜的構(gòu)建， 在此根底上， 已經(jīng)在植物基因組的組織構(gòu)造和基因組進(jìn)化等方面得到了有重要價值的結(jié)論; 植物基因組物理作圖和序列測定的研究集中于擬南芥和水稻上; 植物比擬基因組作圖證實(shí)在許多近緣植物甚至整個植物界的局部染色體區(qū)段或整個基因組中都存在著廣泛的基因共線性， 使得我們可以利用同源性對各種植物的基因組構(gòu)造進(jìn)展研究、分析和利用。本文主要對擬南芥、水稻2種重要的模式植物在構(gòu)造基因組學(xué)、功能基因組學(xué)、比擬基因組學(xué)等研究領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)展歸納總結(jié)。1 擬南芥基因組學(xué)的研究1.1 擬南

6、芥構(gòu)造基因組學(xué)研究美國自1990 年啟動植物基因組學(xué)方案， 2000 年底公布了模式植物擬南芥的全部序列。通過分析基因組序列能夠獲得基因構(gòu)造的完整信息， 如基因在染色體上的排列順序， 基因間的間隔區(qū)構(gòu)造， 啟動子的構(gòu)造以及內(nèi)含子的分布等。 Bevan2對擬南芥第四染色體上1. 9 Mb 的片段進(jìn)展了全序列測定. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：平均每4. 8 Kb 就有一個基因存在；54% 的基因與GenBank 中的基因具有同源性；約20%的基因在該染色體片段上以基因家族的形式存在; 該染色體片段上共發(fā)現(xiàn)五種重復(fù)序列成分， 約占所測序列的19% 左右：分別為：非編碼區(qū)中的重復(fù)序列、逆轉(zhuǎn)座子成分、葉綠體DNA片段、

7、散布重復(fù)的基因家族成員和串聯(lián)重復(fù)的基因家族成員。高等植物中，擬南芥的基因組最小且具有很少的重復(fù)DNA 序列，快速復(fù)性序列僅占整個基因組的10% 左右. 兩種相關(guān)的串聯(lián)重復(fù)序列180 bp 和500 bp都定位于擬南芥染色體的中心粒異染區(qū). 另一類串聯(lián)重復(fù)序列( 160 bp)定位于染色體的中部. 第四種高度重復(fù)序列是端粒序列. 在擬南芥的1號染色體中心粒區(qū)的一個串聯(lián)重復(fù)中發(fā)現(xiàn)了一個退化的端粒序列， 緊接該序列是一個在遺傳作圖時有五個位點(diǎn)的重復(fù)單元， rDNA 的重復(fù)單位大小約為10 Kb，約占整個核基因組的8% 左右。5SrRNA 的編碼基因是以497 bp 為重復(fù)單位的串聯(lián)重復(fù)序列， 約占基

8、因組的0. 7%3。在擬南芥中還鑒定出了類似逆轉(zhuǎn)座子的成分 Ta1和其相關(guān)家族以及轉(zhuǎn)座因子Tat1 和Tag 1，它們都相對具有較低的拷貝數(shù)。在擬南芥的突變體中已經(jīng)鑒定出了多個遺傳標(biāo)記位點(diǎn)，包括RFLP、PAPD、SSR 等標(biāo)記。已經(jīng)開展了兩套重組近交系作圖群體，利用這些作圖群體， 已經(jīng)構(gòu)建了高密度的擬南芥分子標(biāo)記遺傳連鎖圖譜。擬南芥物理作圖利用粘粒載體，YAC( YeastArtif icial Chromosome載體進(jìn)展，已經(jīng)完成了擬南芥高密度物理圖譜的構(gòu)建。在擬南芥中已利用圖位克隆的方法克隆了許多基因4-5。1.2 擬南芥功能基因組學(xué)研究2001 年開場， 美國全面啟動2010 年方案

9、， 目標(biāo)是到2010 年確定擬南芥中所有基因的功能。中國國家自然科學(xué)基金委員會已于2001 年快速啟動擬南芥全部轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子蛋白組學(xué)研究重大國際合作研究工程， 2004 年3月， 研究取得了重要進(jìn)展: 共克隆了44 個擬南芥轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子家族中的1 282 個基因， 獲得了擬南芥所有和預(yù)測的1 864 個轉(zhuǎn)錄因子的序列， 利用cDNA ( 互補(bǔ)DNA 微陣列芯片， 檢測了擬南芥幼苗的轉(zhuǎn)錄因子在光調(diào)控下的表達(dá)， 所有表達(dá)的基因占整個轉(zhuǎn)錄因子的84% ，并通過蛋白質(zhì)表達(dá)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已克隆的擬南芥轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子融合基因中85%以上有一定量的蛋白質(zhì)表達(dá)。與基因組的全序列測定同時進(jìn)展的擬南芥表達(dá)序列標(biāo)簽( e*

10、pressedsequence tags 方案也已取得巨大進(jìn)展。據(jù)w ww.Arabido psis.or g 發(fā)布的信息說明， 至2002 年中期擬南芥的ESTs 標(biāo)記數(shù)已達(dá)174 625個。EST 方案的缺乏在于隨機(jī)測序難以得到那些低豐度表達(dá)的基因和在特殊環(huán)境條件下( 如生物脅迫或非生物脅迫 誘導(dǎo)表達(dá)的基因。為了彌補(bǔ)缺乏， 進(jìn)展基因組全序列測定。通過分析基因組序列能夠獲得基因構(gòu)造的完整信息， 如基因在染色體上的排列順序， 基因間的間隔區(qū)構(gòu)造， 啟動子的構(gòu)造以及內(nèi)含子的分布等。 擬南芥基因組全序列測定的完成對整個植物科學(xué)具有重要的意義， 例如: 可以用于比擬分析真核生物中的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。擬南

11、芥中約有超過5%的序列編碼1500 多種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子， 其中45% 是植物特有的。擬南芥中屬于所有真核生物共有的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子， 在其保守的DNA 結(jié)合構(gòu)造域上并不完全與其它真核生物一樣， 大多數(shù)以其特異的線型組合排列。2水稻基因組學(xué)的研究2.1遺傳圖譜水稻是的單子葉植物中基因組最小的植物之一，基因組大小為450 Mb， 共有12 條染色體。自1988年MeCoueh等6利用IR34583(秈Bulu Dalam(爪哇的F2群體構(gòu)建了第一*水稻分子連鎖圖譜(含135 RFLP標(biāo)記以來，高密度的圖譜相繼產(chǎn)生。近年來，隨著分子遺傳學(xué)的迅速開展，國際水稻基因組測序方案(International Ri

12、ce GenomeSequencing Project，IRGSP成員國以Nipponbare、Kasalath、IR64和Azucena等水稻品種為材料，構(gòu)建了10個飽和的遺傳圖譜并與表型的標(biāo)記進(jìn)展了整合，以創(chuàng)造新的遺傳資源。1998年，Harushima等7構(gòu)建了一*高密度水稻遺傳連鎖圖，包含2275個遺傳標(biāo)記，覆蓋水稻基因組15216 cM。2001年Rice Genome Program(RGP公布了包含3 267個RFLP分子標(biāo)記的水稻分子連鎖圖。還利用次級三體和終級三體(telotrisomics將經(jīng)典遺傳圖和分子遺傳圖中的著絲粒位置確定，修正了分子圖譜的方向，把RFLP標(biāo)記定位到

13、特定的染色體臂上；Wu等8構(gòu)建了水稻第11和第12染色體短臂末端重復(fù)基因組區(qū)域的圖譜，重復(fù)基因組區(qū)域大小是25 Mb，說明水稻也存在大染色體片段的重復(fù)區(qū)域。上述遺傳圖譜在基因定位、物理圖譜的構(gòu)建和基因測序中發(fā)揮了或即將發(fā)揮巨大作用。2.2 物理圖譜由于遺傳圖的準(zhǔn)確性較低、分辨率有限，而物理圖是對遺傳圖的進(jìn)一步深化，并能直接應(yīng)用于圖位克隆技術(shù)別離目的基因9-10。1998年，Umehara等11構(gòu)建了水稻第一*物理圖譜，共篩選到5701個YAC，其中2117個單一YAC分配到12條染色體上，跨度216 Mb，覆蓋水稻基因組的50。接著日本水稻基因組方案(RGP開場將YAC重疊群(contig分解

14、成粘粒(cosmidDNA克隆，構(gòu)建更精細(xì)的物理圖譜。2001年，RGP還構(gòu)建了一個覆蓋270 Mb(全基因組的63的YAC文庫的物理圖，由6934個YAC組成，插入片段平均長度為350 kb。由于YAC克隆不太穩(wěn)定、插入DNA難以別離、轉(zhuǎn)化效率低等原因，美國Clemson大學(xué)基因組研究(Clemson University Genomics Institute，CUGI又建成了兩個BAC庫，一個是由37000個Hindm酶切的BAC文庫，插入片段平均長度為128.5 kb；另一個是有56 000個克隆的Eco R工BAC庫，插入片段平均大小為120 kb，兩者覆蓋水稻基因組的26倍。2001

15、年，RGP為了克制YAC克隆的局限性，又以PAC為載體構(gòu)建了水稻Nipponbare基因組文庫，此文庫由72 000個Sau3A I酶切克隆組成，平均插入片段長120 kb，覆蓋水稻基因組的16倍。，國際水稻基因組測序方案(IRGSP已于2002年12月宣布，利用克隆連克隆(逐步克隆測定法(clone by clone sequencing，提前3年完成了水稻12條染色體的堿基測序工作。日本在其中發(fā)揮著主導(dǎo)作用，并最先以9999的精度完成了最長的第1條染色體的測序工作。另外，中國12家單位，于1998年至2001年利用全基因組霰彈法(whole- genome shotgun sequenci

16、ng，WGS，構(gòu)建了秈稻9311基因組工作框架圖和低覆蓋率的培矮64S草圖，并最先向全世界公布了水稻9311全基因組框架圖。隨后，美國先正達(dá)(Syngenta公司也完成了日本晴基因組工作框架圖的測序。兩個框架圖同時發(fā)表在2002年4月的Science第296期第7999頁，它們都是對IRGSP的補(bǔ)充。水稻基因組框架圖和全長序列的準(zhǔn)確測定雖已根本完成，但片段之間或重疊群之間仍存在一些缺口或空隙(gap，如秈、粳兩個亞種的基因組工作框架圖分別覆蓋了水稻全基因組的95.29和93，堿基準(zhǔn)確率約99。當(dāng)前基于物理圖準(zhǔn)確測序的圖譜研究說明12-13，水稻日本晴全基因組己獲得3721 Mb的高質(zhì)量準(zhǔn)確序列

17、，余下的5分布于12條染色體上的38個間隙(gaps、10個著絲粒和10個端粒處；水稻全基因組預(yù)測有56278個基因位點(diǎn)，因?yàn)?498個基因位點(diǎn)編碼10432個轉(zhuǎn)錄本，所以總轉(zhuǎn)錄本為66710；如果去除15236個轉(zhuǎn)座因子相關(guān)的蛋白編碼基因后，共有41042個基因位點(diǎn)編碼非轉(zhuǎn)座因子相關(guān)的蛋白，平均9.4 kb含一個基因，其中約29的基因成族出現(xiàn)，約71與擬南芥基因(Arabidopsis，28000-29000個基因享有同源性(反過來，約90的擬南芥基因與水稻基因享有同源性。31439個基因位點(diǎn)已經(jīng)得到ESTs序列、全長cDNA序列、Tiling芯片檢測、大規(guī)模平行測序(massively p

18、arallel sigNature sequencing，MPSS檢測的RNA轉(zhuǎn)錄水平上確實(shí)認(rèn)，8226個基因位點(diǎn)的編碼蛋白序列與功能的蛋白質(zhì)序列一樣或相似，另有13632個基因位點(diǎn)的編碼蛋白含有的功能域。3功能基因組的研究方法3.1 芯片技術(shù)芯片技術(shù)主要是有利于科學(xué)家在一次實(shí)驗(yàn)中檢測了成千上萬個基因表達(dá)水平的變化，或者更廣泛地識別染色體上轉(zhuǎn)錄活性區(qū)域及甲基化等特殊區(qū)域14。這個技術(shù)是現(xiàn)代生物信息井噴時代的一個重要的檢測手段。通過比擬兩*不同芯片的結(jié)果，就能在全基因組水平上調(diào)查各個基因的變化及其程度，這樣有助于我們發(fā)現(xiàn)突變體中不同處理之間或者處理前后以及不同發(fā)育階段中那些特異基因發(fā)生變化，從中

19、尋找重要功能基因?；蛐酒脑O(shè)計(jì)，都是依據(jù)的水稻表達(dá)序列(如EST、全長cDNA等數(shù)據(jù)庫以及IRGSP預(yù)測的水稻基因序列進(jìn)展的。因此，這些基因芯片在檢測未知的水稻表達(dá)序列上能力欠缺，由此產(chǎn)生了水稻全基因組或染色體的tiling(覆瓦式芯片。tiling芯片是針對分析全基因組所有轉(zhuǎn)錄活性區(qū)域的DNA微陣列，根據(jù)各條染色體的序列，擴(kuò)增一個個相互重疊的片段15或者每隔十或十幾個堿基合成一段寡核苷酸探針，這樣一步步覆蓋整個水稻基因組或染色體16。一般tiling芯片由一個可操作的數(shù)目(如幾十*芯片組成，為了提高芯片的雜交質(zhì)量還要求在設(shè)計(jì)的寡核苷酸探針中剔除一些高度重復(fù)區(qū)域內(nèi)的探針。3.2 大規(guī)模平行測

20、序技術(shù)和基因表達(dá)系統(tǒng)分析方法除了基因芯片采用雜交手段檢測全基因組表達(dá)水平變化外，水稻基因表達(dá)的大規(guī)模分析平臺里還有兩個以測序?yàn)楦椎臋z測方法：大規(guī)模平行測序技術(shù)(massively parallel signature sequencingMPSS)17和基因表達(dá)的系統(tǒng)分析(serial analysis of gene e*pression，SAGE18。兩者檢測的理論根底都是一個長度20 bp左右的寡核苷酸序列足以作為特定基因的識別標(biāo)簽這些識別標(biāo)簽在表達(dá)文庫中出現(xiàn)的頻率能很好地代表特定基因體內(nèi)的表達(dá)豐度。最近一篇文章報道了利用MPSS技術(shù)建立的整個基因組的水稻表達(dá)圖譜17，該研究從22個水

21、稻mRNA文庫中檢測了46971553個短序列識別標(biāo)簽，驗(yàn)證和識別了大量的和未知的轉(zhuǎn)錄本。還從3個小RNA文庫中檢測了2953855個短序列識別標(biāo)簽，是目前最深入地挖掘作物中小RNA的研究工作。2024 bp的小RNAs，包括microRNAs(簡稱miRNA和short interferingRNAs(簡稱siRNAs，兩者都能通過序列互補(bǔ)與靶基因的mRNA結(jié)合并降解靶mRNA，使靶基因沉默。siRNAs還能通過DNA的甲基化或組蛋白的修飾引起靶基因的轉(zhuǎn)錄沉默。小RNA的研究是當(dāng)今生物領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，被公認(rèn)為廣泛地控制植物的各生長發(fā)育，以及生理代謝途徑包括環(huán)境脅迫響應(yīng)途徑。MPSS技術(shù)是高度

22、自動化的價格昂貴的檢測技術(shù)，目前只掌握在少數(shù)幾家實(shí)驗(yàn)室。由于沒有芯片雜交的背景噪音，不能采用信號與背景比值的閾值來剔除假陽性，MPSS技術(shù)分析中小局部短序列識別標(biāo)簽的真?zhèn)坞y辨，但是與tiling等基因芯片相比，大大提高了對極低表達(dá)豐度的轉(zhuǎn)錄活性位點(diǎn)的檢出。3.3 表達(dá)序列標(biāo)簽表達(dá)序列標(biāo)簽(E*pressed Sequence Tag，EST 是從cDNA 文庫中隨機(jī)挑取的克隆進(jìn)展測序所獲得的局部cDNA的5或3端序列，一般長為300-500bp 左右，建立這些序列的數(shù)據(jù)庫即為EST 文庫?；虮磉_(dá)的差異分析， 可以通過計(jì)算*一基因片段在EST 文庫中出現(xiàn)的頻率的多少來確定。EST不僅為植物基因

23、組遺傳圖譜的構(gòu)建提供了大量的分子標(biāo)記， 而且來自不同組織和器官的EST也為基因的功能研究提供了有價值的信息，此外，EST方案還為基因的鑒定提供了候選基因(candidates，是鑒定和發(fā)現(xiàn)表達(dá)基因的最快途徑。EST 方案的缺乏之處在于通過隨機(jī)測序有時難以獲得那些低豐度表達(dá)的基因和那些在特殊環(huán)境條件下誘導(dǎo)表達(dá)的基因。3.4蛋白質(zhì)組技術(shù)由于基因芯片技術(shù)只能反映從基因組到R N A 的轉(zhuǎn)錄水平上的表達(dá)情況， 而從R N A 到蛋白質(zhì)須經(jīng)過許多中間環(huán)節(jié)的影響， 因此僅憑基因芯片技術(shù)我們還不能最終掌握生物功能具體執(zhí)行者蛋白質(zhì)的整體表達(dá)狀況。蛋白質(zhì)組是指基因組表達(dá)的全部蛋白質(zhì)及其存在方式， 蛋白質(zhì)組學(xué)旨在

24、說明生物體全部蛋白質(zhì)的表達(dá)模式及功能模式， 其內(nèi)容包括鑒定蛋白質(zhì)的表達(dá)、存在方式修飾形式、構(gòu)造、功能和相互作用等， 利用蛋白組研究植物功能基因組可以得到以下3方面信息：從基因序列預(yù)測的基因產(chǎn)物的翻譯情況；基因產(chǎn)物的相對濃度；基因產(chǎn)物翻譯后的修飾程度。蛋白質(zhì)組學(xué)將基因表達(dá)的數(shù)據(jù)與植物代謝和植物表型的問題嚴(yán)密連在一起， 既可以用于研究植物生理機(jī)制， 又可以用于研究未知功能的蛋白質(zhì)19。蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)和方法很多， 并不斷開展和出現(xiàn)新的技術(shù)。開展可替代或補(bǔ)充雙向凝膠電泳的新方法已成為蛋白質(zhì)組研究技術(shù)最主要的策略，目前二維色譜 (2D-LC、二維毛細(xì)管電泳(2D-CE、液相色譜毛細(xì)管電泳 (LCCE

25、等新型別離技術(shù)都有補(bǔ)充和取代雙向凝膠電泳之勢。另一種策略則是以質(zhì)譜技術(shù)為核心，開發(fā)質(zhì)譜鳥槍法(Shot-gun、毛細(xì)管電泳- 質(zhì)譜聯(lián)用 (CE-MS等新策略直接鑒定全蛋白質(zhì)組混合酶解產(chǎn)物。隨著對大規(guī)模蛋白質(zhì)相互作用研究的重視，開展高通量和高精度的蛋白質(zhì)相互作用檢測技術(shù)也被科學(xué)家所關(guān)注。3.5 正向遺傳學(xué)與反向遺傳學(xué)傳統(tǒng)的遺傳學(xué)即正向遺傳學(xué)(forward genetics別離基因的方法，是首先研究突變體中*一突變性狀的表現(xiàn)以及其遺傳行為(如突變性狀在后代中的傳遞規(guī)律、核質(zhì)基因的判斷、控制突變性狀的基因數(shù)目等等，然后對主效基因進(jìn)展染色體上的定位及精細(xì)定位，接著對定位區(qū)域內(nèi)的候選基因篩選并且驗(yàn)證其

26、功能，最后別離出控制突變性狀的基因。這種方法被稱為圖位克隆法。反向遺傳學(xué)(reverse genetics是相對正向遺傳學(xué)而言。是在功能基因序列發(fā)生突變后的根底上，對這些突變基因進(jìn)展分析，研究該基因突變后在生物體內(nèi)的功能作用即表型變化。在具備了水稻T-DNA、外源轉(zhuǎn)座子以及內(nèi)源逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子Tosl7插入突變?nèi)后w和其它全基因組上序列突變的資源庫后，水稻功能基因組學(xué)的研究正逐步由正向遺傳學(xué)(突變基因向反向遺傳學(xué)(基因突變開展。在水稻T-DNA或Tosl7插入突變體庫應(yīng)用中，多個實(shí)驗(yàn)室報道只有較低的頻率觀察到突變性狀與插入標(biāo)簽存在連鎖，局部原是在構(gòu)建插入突變?nèi)后w的組織培養(yǎng)過程中，產(chǎn)生了大量的非T-D

27、NA或Tosl7等序列插入造成的突變體。這些現(xiàn)象使得先從突變體庫篩選特定突變性狀，再判斷插入序列位點(diǎn)的基因與突變性狀的連鎖關(guān)系，最后別離出基因的傳統(tǒng)正向遺傳學(xué)方法困難不小。反向遺傳學(xué)研究水稻基因的功能，既可以通過對插入突變庫構(gòu)建插入序列的旁鄰序列FSTs數(shù)據(jù)庫，也可以對突變庫分組后進(jìn)展篩選特定區(qū)域的序列突變的單株20。大規(guī)模的突變體的構(gòu)建一方砸對反向遺傳學(xué)研究帶來極大的便利，另一方面這些大量突變體種子的儲存、繁殖和分發(fā)則是極大的不便。加上對轉(zhuǎn)基因植株種植的政策管理，也給種子的繁殖和分發(fā)形成一定的阻礙。另外，水稻中局部功能基因的冗余在一定程度上也給反向遺傳學(xué)研究方法造成了一些困難，雖然增強(qiáng)或過量

28、表達(dá)基因的方法能夠彌補(bǔ)一些缺乏。4比擬基因組學(xué)的研究方法比擬基因組學(xué)研究方法有兩大支柱，即比擬作圖和比擬生物信息學(xué)。根本方法是先用一樣的一套cDNA 探針對不同物種進(jìn)展作圖，然后用生物信息學(xué)方法進(jìn)展分析?，F(xiàn)在開展成為DNA 序列來比擬基因組的方法，盡管這對研究大多數(shù)種總基因組間的宏觀共線(macrosynteny不太適用，但對研究局部區(qū)段的微觀共線性(microcolinearity 或microsynteny 還是有效的。美國康乃爾大學(xué)曾確定了一套探針，在過去的幾年中向50 多個研究單位進(jìn)展了發(fā)放21 。使用同一套探針，可以確定關(guān)系較遠(yuǎn)的基因組間的同源區(qū)域，也可比擬不同實(shí)驗(yàn)室的作圖結(jié)果。這套

29、探針包括152個cDNA (67個來自水稻、63個來自燕麥、21個來自大麥、1個來自小麥 。這些cDNA 滿足了以下要求: 在Southern 分析中能與大多數(shù)禾谷類作物(水稻、小麥、大麥、燕麥、玉米、高粱和甘蔗 基因組雜交; 在水稻中為單拷貝或低拷貝; 基因組覆蓋面大。這些探針的5和3端均已測序，序列已送到GenBank (序號為AA231638AA231938。其中78 %的DNA 序列編碼的蛋白質(zhì)序列與基因的蛋白質(zhì)序列有相似性。在禾谷類作物的比擬基因組學(xué)研究中，水稻常常也被當(dāng)作模式植物，因?yàn)樗旧弦延蟹浅Ｃ芗姆肿訕?biāo)記及其他標(biāo)記，基因組小。研究發(fā)現(xiàn)，其它基因組的連鎖群包含有與水稻連鎖群同

30、源的區(qū)段，只是伴有復(fù)雜的重排而已。同等重要的是比擬生物信息學(xué)，因?yàn)橐巡煌蚪M當(dāng)作一個整體遺傳系統(tǒng)分析和處理還必須開發(fā)相應(yīng)的算法和軟件。美國開發(fā)出了一個交互顯示軟件以確定和顯示不同種間的保守連鎖區(qū)段( :/ / probe. nalusda. gov :8300，另一個互聯(lián)也提供了水稻基因組的比擬圖譜( :/ / genome.cornell. edu/ rice/ quickqueries 。該軟件綜合了水稻、玉米、燕麥和小麥的比擬圖譜資料，用戶可以利用軟件提供的一些方法研究進(jìn)化關(guān)系、基因組構(gòu)造及發(fā)現(xiàn)新基因。但比擬生物信息學(xué)還需要進(jìn)一步開展已適應(yīng)更高層次的研究需要。對跨種、跨屬、跨界的基因

31、組比擬對我們了解基因及基因組的構(gòu)造、基因構(gòu)造與功能的關(guān)系及DNA 變化如何導(dǎo)致生物多樣性等有十分重要的意義。從比擬遺傳圖譜上可發(fā)現(xiàn)，RLB10C 插入到RLB5 中即小麥族第1 組染色體和燕麥染色體A ，也可能是禾本科中所有Pooideae 亞科的種所共有的。與此類似，在Panicoideae 亞科的種的基因組中，則是RLB9 插入RLB7 ，RLB10 插入到RLB3 。由于RLB10 在Pooideae 和Panicoideae 兩個亞科中均能見到，可以推測水稻基因組是最原始的22 。以前曾假定染色體重排是隨機(jī)發(fā)生的，因此可以作為確定進(jìn)化時間表的依據(jù)，現(xiàn)在從比擬基因組學(xué)的研究結(jié)果看這個假定

32、存在一定問題。例如，普通小麥的D 染色體組與水稻基因組的共線性有11個斷點(diǎn)23，二者的染色體基數(shù)分別為7 和12；小麥和黑麥的基因組共線性有11 個斷點(diǎn)24，小麥和小傘山羊草的基因組共線性有12 個斷點(diǎn)22，它們的染色體基數(shù)均為7；小麥D 染色體組與大麥基因組的共線性則沒有斷點(diǎn)。說明這些物種的形成時間顯然與共線性的斷點(diǎn)沒有直接關(guān)系。但是，用比擬基因組學(xué)方法可以從*種程度上判斷基因組構(gòu)造形成的時間早晚。例如，在玉米中DNA 片段常常重復(fù)，它們可能是多倍體發(fā)生的結(jié)果，即在早期曾是四倍體，其發(fā)生應(yīng)在玉米從甘蔗25和高粱26分開之后，因?yàn)楹髢烧叩幕蚪M沒有這么多重復(fù)現(xiàn)象。參考文獻(xiàn)1 Galbraith

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