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2017年1月22日,中国烟草总公司下发《关于2016年度科学技术奖励的决定》,对在烟草应用基础研究与应用技术研究方面取得重要成果的科研项目进行表彰奖励,其中授予“烟草全基因组图谱构建与分析”项目中国烟草总公司科学技术进步奖特等奖。

这是自总公司开展科学技术奖励以来颁发的第三个特等奖,分量重、意义大、影响深。那么,“烟草全基因组图谱构建与分析”项目主要研究什么,如何开展研究,为何能够获得专家组的一致推荐而夺得特等奖?请看——

  烟草基因组“图”强“十三五” ——“烟草全基因组图谱构建与分析”项目获科学技术进步奖特等奖追踪

来源: 《中国烟草》 2017年第5期 总第594期 第69-71页 2017-03-01
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缘起:重大专项“重拳出击”

基因组学研究是二十一世纪最热门的前沿科学,以基因技术为核心的新一轮绿色革命,正在引发规模巨大、影响深远的世界产业革命。放眼大农业领域,我国水稻、小麦、玉米、大豆等主要农作物,以及猪和鱼类的基因组研究正如火如荼地开展,研究风潮从大粮食作物向普通粮食作物再向大经济作物蔓延,并以风一样的速度、将铁一般的事实摆到全世界的面前——“基因有用,且有大用”。正如家蚕基因组之父向仲怀院士所说:“一个物种基因组计划的完成,就意味着这一物种学科和产业发展的新开端。”

结合烟草行业来看,在推进现代烟草农业建设取得积极进展的同时,我国烟叶生产依然面临烟叶品质有待进一步提升、烟草品种的抗病抗逆能力有待进一步加强等问题。而烟草育种单纯基于经典遗传育种理论,无法对目标性状进行精确改良;仅仅局限于传统技术手段,培育一个理想的优质品种至少耗时十年。

如何破解现有烟叶供给与卷烟大品牌对优质原料的需求差距这一重大瓶颈?当传统育种潜力基本挖掘到极限,迫切呼唤具有革命性、颠覆性技术特征的现代精准育种的到来。2010年12月,经过长达五年的广泛调研、审慎决策和充分准备,烟草基因组计划重大专项在北京正式启动。

重大专项实施,工作方案先行。“烟草基因组计划重大专项是一项涉及多学科、多技术、多单位的系统工程,工作方案尤其要科学严谨、创新突破、实用前瞻”。专项实施之初,国家局领导就再三这样强调。

早在2005年,国家局科技司就着手制定《烟草基因组计博客彩票划重大专项方案》,一方面充分消化吸取了国内外其他领域基因组研究的经验与教训,做到取长补短,少走弯路;另一方面结合世界生物科学发展的趋势随时动态调整,做到实时跟进,保持引领。

2010年,西南大学夏庆友教授受聘担任重大专项首席科学家后,对方案进行了最后完善和提升,确定了“发现基因、研究基因、利用基因”的研究主线,瞄准精准育种这一战略目标,分别从大数据、功能基因和突变体三条路径协同推进,创造性地开凿连接科学研究与产业应用的实践通路。简单地说,就是通过开展结构基因组学研究,绘制烟草基因组图谱,发现烟草中蕴藏的基因密码,弄清楚“烟草的基因组里面都是什么”。在逐步研究探明烟草基因图谱的基础上,进而转入功能基因组学研究阶段,随之开展分子育种工作。通过精确调控烟草基因组中与目标农艺性状、品质性状、抗病性状、抗逆性状等相关的基因,并将有利性状进行有机聚合,从而培育符合产业需求的新的烟草品种。这其中,精确掌握基因图谱便成了整个科研链条的关键环节之一,为了“集中力量办大事”,国家局精心谋划,充分调动国家烟草基因研究中心、云南省烟草农业科学研究院、中国农业科学院烟草研究所和贵州省烟草科学研究院等行业科研单位的力量,开展“大兵团作战”,进行多年的艰苦攻关。

推进:基因测序厚植根基

相对于传统手段,利用基因开展育种工作有着更为精准、更为高效的优势,但是需要以坚实的基础研究为前提,即全面、准确地发现基因,扎扎实实掌握烟草的基因信息。因此,开展烟草全基因组图谱构建与分析工作,获得可靠的烟草基因组序列图谱和全面的烟草注释基因集,是开展烟草功能基因组研究、建立高效烟草分子育种体系的先决条件,更是开展烟草抗病、抗逆、优质、低害等重要性状品种改良工作不可或缺的重要基础。

夏庆友举了一个例子:就像装修房子,埋在地下的线,一定要质量过硬,避免推倒重来。“一些基础数据,我们希望二三十年不落伍。”

长期看,烟草基因研究像是一场科研“马拉松”,而构建烟草全基因组图谱就是第一程。“研究”和“利用”基因均是基于前期的“发现”,若图谱构建得精准,后面的研究和利用将更加高效,更加有的放矢;若图谱构建得粗糙,就存在性状和基因无法对应的风险,利用基因更是无从谈起,即便后面的选手表现得多么完美也注定无法取胜,甚至存在“开局即出局”的风险。

如何更高标准、更高质量地构建烟博客彩票草全基因组图谱,是时刻萦绕在基因组计划重大专项团队脑海里的头等大事。

图谱构建为何难?难就难在“烟草”二字。

大千世界,异彩纷呈。栽培烟草与大多数动植物不同,属于异源四倍体,包含有来自祖先种——绒毛状烟草和林烟草的两套基因组;烟草基因组庞大,遗传背景复杂,拥有45亿对碱基,远超水稻、玉米、牛羊等动植物,是人类基因组大小的1.5倍。中国烟草基因组计划首先面临的挑战是测序规模大、组装分析难度高,远远超出已完成测序的物种。美国和欧盟已分别于2002年12月和2005年9月先后启动了烟草基因组计划,试图攻下烟草基因组堡垒,在完成覆盖约10%的烟草基因组测序,获得了约20%的功能基因后,皆因无法克服序列组装的技术难题而踟蹰不前。

行业研究分析得知,欧美国家无法构建完整的烟草基因组图谱的主要原因,是直接选择了栽培烟草作为研究对象,遇到了异源四倍体基因组组装这一世界难题。因此,在全面深入论证的基础上,重大专项团队创造性地提出了选择“先易后难”“曲折前进”的技术路线,先测二倍体,即对栽培烟草的两个祖先种(绒毛烟草和林烟草)开展基因测序,再解析测序四倍体,以此突破测序组装等系列难题的开创性思路。

图谱博客彩票构建重什么?重就重在“掌控”上。

越是重要的东西,越要自己掌控,在基因组重大专项顶层设计中,这是一条不容撼动的生命线。当时,不少业外科研机构“抛出了橄榄枝”——基因测序我们来做,你们只管拿到结果就行。面对这样的“建议”,行业果断选择了自主创新和自我“压迫”。尽管当时基因组研究在行业内尚不成气候,人员、平台、项目“三薄弱”。但无论如何,决不能放弃这样一次自我淬炼、自我成长、自我掌控的宝贵机会。“除了看得远、铺得深,还要抓得牢。”国家局领导再三强调。

正如俗语所说,没有比脚更长的路,烟草基因组计划重大专项所有的路子都是烟草人用自己的脚步丈量出来的,中国烟草同深圳华大基因研究院紧密合作,组成烟草测序科研团队,设计出独特的测序、组装、分析的技术策略。与此同时,在行业内部开展大兵团作战,建平台、带团队、做项目,对于基因组研究的每个环节,都博客彩票要做到“看得明白、搞得清楚、管控得住”。

为了攻克“头号堡垒”——基因组测序工作,行业从各科研院所甄选出最优秀的年轻科研人才,组成一支“特别行动组”,到华大基因研究院开展近似于封闭训练的高强度工作。经过长达三年的不懈努力,工作小组完成了硬任务,确保7万个烟草基因的测序质量优良。

现在回过头再看那几年的测序技术工作,“苦行僧”般的工作已不值一提再提,但它对于烟草基因组学发展所具有的重要意义却很难被替代。不要小看测序工作,它代表着中国烟草在世界烟草基因工程产业中占有一席之地,而且实现了起步阶段的高端引领,迄今为止数量最大、质量最优的烟草基因组里,唯一刻着的就是中国烟草的名字。

成绩:六张图谱揭示微观奥秘

拨云见日,开启微观世界。

基因,决定着生命体的基本特征,基因与环境的交互作用,共同塑造出生命体全貌。犹如探索宇宙的奥秘需要借助高倍数望远镜,解密微观世界需要借助显微镜一样,其实所博客彩票谓发现基因,是要绘制出一张基因“地图”,将烟草基因进行测序、识别、标记,这个过程被就称为基因组图谱绘制。

重大专项团队分别绘制了栽培烟草“红花大金元”和林烟草、绒毛状烟草的序列图谱。在此基础上,根据团队自主构建的609个SSR标记和3360个SNP标记,进一步绘制出了上述三个烟草的物理图谱。此外,整合注释了7万多个烟草基因,系统分析了烟草抗病、抗逆、烟碱合成、香气合成等重要性状相关的基因家族。

栽培烟草基因组特征 /国家烟草基因研究中心 供图

这六张精准的图谱,为科研工作者打开了一片微观层面的广阔天地,使得利用基因调控性状变得更为有的放矢。就好像在陌生城市里给了人们一个电子导航仪,想去哪,看地图吧。

“之前我们只知道‘红花大金元’易染黑胫病,现在知道原因是品种缺乏抗病基因,进而可以深入研究是哪个基因在其中起到了关键作用,在其他品种上可以起到抗病作用的基因能否在‘红花大金元’上也发挥作用等等。”行业烟草分子生物博客彩票学学科带头人肖炳光介绍说。

著名水稻专家、中国农业科学院农业基因组研究所所长钱前研究员在详细了解中国烟草构建的烟草全基因组图谱后认为,图谱质量超过国内外同类研究,具有重要的理论和应用价值,也为其他作物的功能基因组研究提供了重要参考,将推动整个植物学科的基础和应用研究。

应用:一流平台擎起精准育种

基因图谱在手,开展科研更好掌握。在科研应用方面,“烟草全基因组图谱构建与分析”项目正在发挥至关重要的作用。

“全基因组序列图谱绘制是整个基因组学研究的数据基础,数据库是工具基础。”国家烟草基因研究中心烟草生物信息学实验室学科带头人曹培健博士介绍,数据分析和利用是中国烟草基因数据库建设的核心。同时,作为一个贯穿大学科、大数据、大产业的大科研项目,烟草基因组计划重大专项实施过程中产生了大量有价值的数据资料,如何共享、管理、分析这些数据,以支撑应用领域的研究,这是基因组重大专项顶层设计中需要审慎考虑的重要问题。

经过4年多的建设,2015年,中国烟草基因组数据库陆续升级完善至4.0版。数据库首次覆盖了烟草全基因组序列图谱,整合了转录组、代谢组、重测序、芯片、遗传图谱等其他组学数据博客彩票,被业界专家誉为在主要物种基因组数据库中达到了一流水平。

中国烟草超大容量和超强计算能力的生物信息平台也引起了国外基因组科研专家的关注。美国弗吉尼亚大学教授Timko对此高度评价:“这是国际上最完整的烟草数据库,不仅包含基因组测序信息,还囊括蛋白组、代谢组、表型组。从而可以从宏观层面把握烟草在生长过程中对于不同环境、不同逆境下的基因表达规律。平台的建立不仅对于烟草基因科研工作有着奠基性意义,同时还大幅提高烟草作为科研模式植物的地位,将为推动植物科学研究作出重要贡献。”

每天,行业数百位基因科研专家不约而同的“自选动作”便是打开烟草基因组数据库的网页,查询、分析甚至定制数据。中国烟草在结构基因组及配套关键技术上的突破,托起了功能基因组研究和分子育种工作的历史跨越。

一张蓝图绘到底。攻克了数据,打造了工具,科研成果也纷至沓来。2016年,以基因手段定向改良的抗黑胫病“红花大金元”品种和抗烟草CMV和TMV病毒病的“K326”品种相继顺利通过专家田间鉴评,进入工业验证阶段。一大批精准调控品质、抗性基因的改良品种正在行业相关科研单位的温室中茁壮成长。

2016年11月,烟草基因组计划重大专项第二个五年计划方案(2016~2020年)正式印发。未来五年,中国烟草基因组计划将加速推进烟草农业生物技术革命,以精准育种为核心,以突破品质为关键,着力实现从传统育种手段向以工厂化育种、模块化育种为主体的精准育种的跨越;实现从单基因、单性状的定向改良到多基因、多性状的有效聚合的跨越,加速推进产业博客彩票应用,着力将基因资源优势有效转化为生产力优势,持续领跑国际烟草基因组研究。

随着更多类似“烟草全基因组图谱构建与分析”的“高、精、尖”项目的深入推进,我们有理由相信:烟草基因组,必将“图”强“十三五”。

(供稿单位:国家烟草基因研究中心、云南省烟草农业科博客彩票学研究院、中国农业科学院烟草研究所)

编辑:李东军

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