中国水稻信息网 C.N.R.R.I.

从是什么到干什么和怎么干

水稻基因组探秘：

测序与功能

———访“水稻973项目”首席科学家薛勇彪

中国科学院于11月1日宣布：作为知识创新工程重大行动计划的第一批项目，将于近期内正式启动“水稻基因组测序和重要农艺性状功能基因组研究”。为此，记者采访了这一项目的项目主管，同时也是“国家重点基础研究发展规划”（即973项目）“水稻重要性状的功能基因组学研究”的首席科学家、中国科学院遗传与发育生物学研究所薛勇彪研究员。“水稻973项目”是1999年6月启动的，当时年仅36岁的薛勇彪就成为我国农业科学领域最年轻的首席科学家。

记者：10月12日我国科学家宣布：具有国际领先水平的中国水稻（籼稻）基因组“工作框架图”和数据库在中国完成，并将公布数据，供全球无偿共享。基因组测序和功能基因组研究各自的侧重点是什么？

薛勇彪：通俗地说，基因组测序的目的是知道基因组“是什么”，功能基因组研究的目的是知道基因组“干什么”、“怎么干”的。

作为知识创新工程重大行动计划的“水稻基因组测序和重要农艺性状功能基因组研究”，是以水稻基因组测序为基础，水稻比较基因组、功能基因组等领域的研究为核心，重点开展具有我国自主知识产权的重要功能基因发掘和应用。这个项目以中科院遗传与发育学所为依托单位，参加单位包括中科院国家基因中心、中科院基因组信息中心（北京华大基因组中心）、上海植物生理生态所和北京植物所等，集中了中国科学院基因组研究的主要力量。重大行动计划侧重染色体和基因组测序和比较基因组、转录组和蛋白组的研究，而“水稻973项目”主要以阐明水稻多基因重要农艺性状的分子机理为目标。两个项目研究重点各有侧重，研究内容有所互补，形成一个比较完整的我国水稻基因组计划。

记者：“水稻973项目”实施两年来，进展情况如何？

薛勇彪：水稻是我国的重要粮食作物之一，改良其产量和品质对确保我国农业持续稳定的发展具有十分重要的战略意义。利用功能基因组学的理论和手段，可为揭示农作物重要性状的遗传控制的分子机理，并从基因组水平上对这些作物实现遗传改良铺平道路。“水稻973项目”就是利用遗传学、分子生物学和生物信息学等方法，系统地分离水稻分蘖、穗型、株型、生育期、育性、受精和胚乳发育及其代谢调控相关的基因，通过建立和比较它们的表达谱和相关基因的功能分析，确定其中影响产量、品质等重要农艺性状的基因。

今年8月科技部组织专家评估，对这个项目给予很好的评价，称之为农业技术领域进展最好的一个项目。至今已获得了 D s和T－DNA独立转化株系3000多株，并测定了220个插入 D s的旁邻序列，其中60个定位于不同染色体的不同位点，为大规模产生水稻插入突变奠定了基础；完成10个水稻（主要为籼稻品种）发育不同时期组织器官特异的 c DNA文库，初步完成>10000个籼稻 U ni－EST的测序、分类和鉴定工作；建立了水稻 cD NA阵列和微阵列（ D NA芯片）以及PCR为基础的高通量基因分析体系，获得了大量与生长发育、激素作用和环境应答等相关的基因；建立了可转化人工染色体（ T AC）为基础的水稻高效基因克隆和多基因转化体系，并构建了水稻雄性不育恢复基因 Rf3和Rf4以及籼粳稻杂种不育基因 S c的TAC物理图；完成了多个影响重要农艺性状突变基因的精细定位，其中包括单分蘖（ st1）、脆秆（ fp1）、温敏不育安农 S、温敏不育培矮64和半矮秆（ sd－g），并鉴定出了候选 B AC和TAC克隆；建立水稻基因数据库，开通了项目的国际互联网站（ http／／ www．rifgp．ac．cn ／）。项目已发表国际 S CI论文6篇，影响因子接近20，同时申请发明专利6项。

根据本项目前两年的执行情况和国际本领域的最新进展，后三年的研究计划将在保证原有任务完成的基础上，按照项目中期评估的意见进行适当调整。

首先，水稻突变体的工作是今后基因功能研究必需的实验材料，为此我们将适度增加突变体的任务，结合其它方面的支持，争取完成实用性强的水稻突变库的创制工作，奠定功能基因组研究的基础。

第二，由于全序列将在近期内完成， E ST以及全长 c DNA的工作除了对 c DNA阵列或微阵列的制备必不可少外，对基因组序列的注释工作也必不可少，为此，项目将加大籼稻 E ST和全长 c DNA的任务，在配合我国籼稻基因组测序计划的同时，在测序和分析这些 E ST的基础上制备克隆数量多、实用性强的 c DNA芯片，改变原有计划中随机 c DNA克隆点样的方法，提高基因分析的效率和水平。

第三，由于基因表达调控主要受转录因子和 D NA结合蛋白的调控，对已完成的拟南芥全基因组序列分析表明它可能含有1600多个这样的调控基因（占拟南芥基因组5％以上的编码序列），估计水稻也含有相似数量的转录调控基因，因此，在全基因组范围了解这些基因的功能将会对植物基因表达调控的规律和生长发育等生物学过程有本质上的了解。为了加强这方面的研究，在原有工作的基础上将水稻转录因子单独列为一个课题，从基因组学的角度出发，开展转录因子的功能基因组学研究。这也是本项目在战略上的一个比较重要的调整。

项目后三年的主要研究内容如下：

第一、在原有理化突变和转座子插入突变群体的基础上，继续扩大突变体群体。同时，为了弥补这些突变方法的不足，在项目的总体协调下，增加新的突变体构建思路，争取完成实用性较强的水稻突变库的构建。同时，加紧对已获突变体的研究，分离克隆突变所影响的基因。

第二、完成水稻 c DNA芯片技术的实用化，在分析不同基因表达谱的基础上，明确研究的生物学问题，集中力量在点上取得突破，找到重要农艺性状遗传改良的切入点；结合基因组计划，建立基因组 D NA芯片技术（包括基因组 D NA和基因的调控区），加快启动子序列的克隆，提供重要的转基因表达的调控元件。

第三、完善可转化人工染色体（ T AC）大片段基因功能互补体系，包括部分克隆的末段序列分析，结合基因组计划，构建一个基本能够覆盖水稻全基因组的 T AC克隆框架图，加大该体系在基因克隆应用方面的可操作性和效率：同时，建立和完善基于 T AC的多基因转化技术体系。

第四、完成1—2类转录因子的基因组学研究，建立研究和分析这些因子功能的方法，包括表达和功能的快速鉴定。

第五、建立水稻基因数据库，服务于全国。

第六、在农艺性状改良方面，密切分子育种和常规育种的结合，提高育种效率和水平，利用本研究获得的基因和技术对2—3个重要农艺性状进行遗传改良。

记者：请您谈谈我国水稻基因组测序的最新进展。

薛勇彪：鉴于国际水稻测序的状况和进展以及籼稻在我国农业生产中的重要性，为抢占功能基因研发的“制高点”，提高我国农业生物技术创新能力和国际竞争力，中科院重大行动计划提出在2002年初在完成我国承担的国际水稻基因组计划（ I RGSP）组织4号染色体任务的同时，2002年中完成水稻籼稻亚种的全基因组测序，争取世界第一。在此基础上，全面深入开展水稻亚种和禾本科作物间比较基因组以及功能基因组研究，重点克隆一批具有自主知识产权和应用前景的功能基因。通过基因组数据公开和共享，联合中科院乃至全国的分子生物、转基因技术、育种的所有水稻科研工作者，全面加快应用研究和产业转化，实现一条由基础、应用研究大联合到产业一体化的大科学产业发展的创新之路。

中科院国家基因中心已完成及正在测序的粳稻亚种克隆有216个，覆盖染色体的85％（扣除重复达到77％）。其中的达到 I I期标准（即完成序列）的克隆160个，精确序列覆盖了染色体的57％。其它的56个克隆基本达到 I I期标准。至今共向公共数据库释放粳稻“日本晴”克隆145个，共计 D NA序列长度20．65Mb；籼稻“广陆矮4号”克隆28个，共计2．55Mb。目前，在国际公共数据库释放的数据量排名国际水稻基因组计划各参与单位第二位。

关于籼粳水稻之间的比较，中科院国家基因中心的韩斌博士已经做了初步的研究。发现它们的基因组之间的差别主要体现在转座子和逆转座子以及其它的插入片段（如微倒转重复序列 M ITE）上。这部分的差异导致了基因组大小的差别（现有的数据表明籼稻基因组要比粳稻小），以及部分基因的断裂。除了上述情况，在染色体的其它区域，两个亚种之间的序列差别小于2％，这也会引起小部分基因的变化。

记者：即将启动的这项“水稻基因组测序和重要农艺性状功能基因组研究”预期达到什么目标？

薛勇彪：项目的总体目标是建立我国水稻等农作物基因组研究和重要功能基因发掘的技术、材料和信息平台，克隆一批具有自主知识产权的功能基因，提高我院和我国生物技术研发的总体水平、创新能力和国际竞争力。

重大行动计划将在2002年初完成我国承担的国际水稻基因组计划中粳稻“日本晴”和籼稻“广陆矮4号”两条4号染色体的精确测序；完成超级杂交稻父本籼稻9311的全基因组测序，其完成程度类似于人类基因组草图的水平。这些成果应当被同行评议的高水平国际杂志，如 Nature、Science系列杂志等及国际团体认可，争取打出“世界第一”的“中国牌”；建立和完善含有1万条水稻 c DNA的基因芯片技术，开展水稻抗逆、水分和营养高效利用等生物学过程基因表达规律的研究，分离一批相关基因，并利用图位克隆等技术定位3－4个与分蘖、开花等密切相关的重要功能基因。

在2003年，全面开展超级杂交稻种优势机理研究和基因预测分析，解析和发展与高产、优质、高抗相关的新基因；开展中国优良水稻资源的单核苷酸多态（SNP）研究，发现与性状（如稻米品质、香味、抗性）有关的 S NP；开展广泛的比较基因组学研究，促进包括玉米、小麦等在内的其它的农作物的基因组研究和发现相关基因；建立我国水稻的遗传谱系和杂交水稻种子基因信息库，为我国的水稻应用研究和育种提供全面的生物信息服务；建立我国水稻的基因表达图谱并鉴定其重要和特有基因，集中力量开展重要基因家族如转录因子、蛋白激酶等功能基因组的研究，发现一批重要功能基因。

2004年，项目建立以水稻为基础的禾本科比较基因组学的技术体系；完善水稻突变体库、表达谱、蛋白组和基因高效克隆体系等功能基因组学研究技术平台；克隆水稻重要功能基因1000个，并申报专利。

2005年，项目将开发丰产、优质、抗病、耐逆、育性、成熟期有关的资源和功能等重要农艺性状的基因；开展水稻蛋白组研究，发掘重要功能蛋白1000个；授权重要功能基因专利50—100个。

目前严重制约我国农业生物技术育种高水平发展的一个“瓶颈”，就是严重缺乏拥有自主知识产权的重要功能基因。功能基因的专利化及随着我国加入 WT0的临近，知识产权的保护将会越来越严格。籼稻基因组序列的测定和水稻功能基因组研究的成果将对我国农业生产发挥重要影响，加快农作物品种的更新换代。

由于基因组序列研究成果的国际共享性，为人们利用该研究成果进入基因资源的竞争提供了新的机遇。特别是，这样的局面为中国开展功能基因组研究，发现重要功能基因，实现基因组研究的跨越式发展提供了千载难逢的机会。我们应该尽快在功能基因及其编码蛋白质的结构与功能的研究领域取得一些突破性进展，并在此基础上发现一批具有重要生理活性和开发应用前景的功能基因。从而为我国以基因和基因表达产物为基础的动植物遗传改良奠定基础，更有力地推动我国农业生物技术产业的快速发展。题图为薛勇彪介绍项目情况。

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