李方

“基因組”（genome）是指一種生物的全套基因和染色體。“基因組學(xué)”（genomics）一詞由Thomas Roderick 在1986年提出。目前基因組學(xué)存在兩個分支，一個是結(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序為主要目標(biāo);另一個是功能基因組學(xué)，利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究獲得的大量數(shù)據(jù)與信息評價基因功能，包括生化功能、細胞功能、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)模的實驗方法、統(tǒng)計和計算機分析技術(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)入對基因組動態(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，進而全面研究控制植物生長發(fā)育及響應(yīng)環(huán)境變化的遺傳機制，在基因組序列與細胞學(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，通過發(fā)展和應(yīng)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(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)是植物后基因時代研究的核心內(nèi)容，它強調(diào)發(fā)展和應(yīng)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(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(guān)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(rèn)對應(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)激酶對特異的蛋白質(zhì)進行磷酸化修飾;細胞學(xué)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(luò)的構(gòu)建是基因功能研究的難點和熱點。功能基因網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)中的2個基因相互關(guān)聯(lián)以行使相同的功能，即如果2個基因處于同一生物學(xué)過程或者通路，代表這2個基因網(wǎng)絡(luò)中的2個節(jié)點在網(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(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)是以計算機為工具，用數(shù)理及信息科學(xué)的理論和方法研究生命的現(xiàn)象，對生物信息進行儲存、檢索和分析的一門新興交叉學(xué)科，由數(shù)據(jù)庫、計算機網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)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(shè)計、蛋白質(zhì)空間模擬和預(yù)測、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)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(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(shù)的同時，還必須發(fā)展一些新的基因功能研究技術(shù)，加強國際間的學(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(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)有機融合起來，取長補短，采用生物技術(shù)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。