探秘?zé)煵莼蚪M·煙草全基因組基因芯片制作

基因研究“芯”力量

7月3日，鄭州煙草研究院，國(guó)家煙草基因研究中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“基因研究中心”）。

靜靜的實(shí)驗(yàn)室里，科研人員手持塑料水槍形狀的工具，從一個(gè)透明的塑料管里抽出些許溶液，小心翼翼地注入一個(gè)黑色的磁盤(pán)卡片。

“這個(gè)黑色的小卡片就是我們研究制作的煙草全基因組基因芯片?！被蜓芯恐行姆肿由飳W(xué)實(shí)驗(yàn)室主任楊軍向記者介紹，當(dāng)前他們正在做的是紅花大金元品種的基因表達(dá)譜研究。

隨著煙草基因組計(jì)劃重大專(zhuān)項(xiàng)的啟動(dòng)實(shí)施，行業(yè)對(duì)煙草基因的研究愈加深入，先后繪制完成了栽培煙草、絨毛狀煙草、林煙草全基因組序列圖譜及物理圖譜。面對(duì)海量的基因序列數(shù)據(jù)，如何構(gòu)建一種高效檢測(cè)、分析煙草基因的工具十分緊迫。

這個(gè)工具就是基因芯片。

所謂基因芯片，就是通過(guò)微加工技術(shù)，將數(shù)以百萬(wàn)計(jì)特定序列的DNA片段，有規(guī)律地排列固定于硅片、玻片等支持物上，構(gòu)成一個(gè)二維的DNA探針陣列。這與計(jì)算機(jī)的電子芯片十分相似，所以被稱(chēng)為基因芯片。

作為一種高通量分析全基因組基因表達(dá)譜的工具，基因芯片可用于研究煙草不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期組織和器官的基因表達(dá)模式，進(jìn)而鑒定出與煙草生長(zhǎng)、抗性、品質(zhì)等關(guān)鍵性狀相關(guān)的關(guān)鍵基因，是發(fā)現(xiàn)基因、研究基因的重要手段。

2012年1月，作為重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目，“煙草全基因組基因表達(dá)圖譜構(gòu)建和分析”項(xiàng)目正式啟動(dòng)。以楊軍為負(fù)責(zé)人、基因研究中心及行業(yè)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)相關(guān)研究人員組成的項(xiàng)目組開(kāi)始了對(duì)煙草全基因組基因芯片的探索研究。

“煙草有7萬(wàn)多個(gè)基因，通過(guò)基因芯片可以一次性檢測(cè)所有基因以及它們的活動(dòng)規(guī)律，哪些是高表達(dá)的、哪些是不表達(dá)的等。這可以讓科研人員縮小篩選范圍，鎖定要尋找的目標(biāo)基因?！睏钴姶蛄藗€(gè)比方，“就像行軍地圖之于指揮員，通過(guò)基因芯片檢測(cè)分析所得到的基因表達(dá)譜也像一張地圖，能幫助科研人員準(zhǔn)確鎖定目標(biāo)的大致方位?！?/p>

小小的一個(gè)芯片，儲(chǔ)存著巨大的能量，也是推動(dòng)行業(yè)深入開(kāi)展基因研究不可或缺的工具。然而，研制基因芯片的道路并不平坦。

“在林煙草和絨毛狀煙草7萬(wàn)多個(gè)基因中，有1萬(wàn)多個(gè)屬于高度同源基因，就像孿生兄弟一樣十分相像，常規(guī)的表達(dá)譜芯片探針設(shè)計(jì)難以有效區(qū)分鑒別。如何準(zhǔn)確界定這些基因，把它們的活動(dòng)規(guī)律表達(dá)出來(lái)，是我們面臨的一大難題。”楊軍告訴記者，為破解這一難題，項(xiàng)目組與美國(guó)一家公司合作，進(jìn)行了大量深入的分析研究，共同確定了覆瓦式探針設(shè)計(jì)思路，專(zhuān)門(mén)針對(duì)基因的差異位點(diǎn)設(shè)計(jì)探針，進(jìn)而有效區(qū)分各個(gè)高度同源基因。

尋找----確認(rèn)----驗(yàn)證，科研的征程中沒(méi)有捷徑可走，也來(lái)不得半點(diǎn)含糊，他們必須反復(fù)確認(rèn)、驗(yàn)證，確保每一個(gè)基因的探針設(shè)計(jì)準(zhǔn)確無(wú)誤。

2012年年底，經(jīng)過(guò)科研人員近一年的努力，基因芯片制作完成，這是全球第一套煙草全基因組基因芯片。該款芯片覆蓋了36728個(gè)林煙草和絨毛狀煙草高度同源基因、38406個(gè)林煙草和絨毛狀煙草非高度同源基因、18966個(gè)栽培煙草基因，煙草基因探針集總數(shù)為2190855個(gè)，基因覆蓋度和芯片質(zhì)量均處于國(guó)際領(lǐng)先水平，并且中國(guó)煙草對(duì)該款芯片擁有完全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

對(duì)項(xiàng)目組而言，基因芯片的研制成功僅僅是一個(gè)開(kāi)始?！斑@個(gè)芯片做的只是自然環(huán)境下典型產(chǎn)區(qū)的基因表達(dá)譜，下一步我們還要做理想環(huán)境下的基因標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)譜，還有病害、低溫、干旱等脅迫條件下的基因表達(dá)譜?！睏钴娬f(shuō)，這樣的基因表達(dá)圖譜實(shí)際指導(dǎo)意義更強(qiáng)。

探秘?zé)煵莼蚪M·煙草香型代謝組學(xué)分析研究

“小分子”蘊(yùn)含“大能量”

煙葉烘烤過(guò)后呈現(xiàn)出的品質(zhì)、香味差異，是否在鮮煙葉生長(zhǎng)過(guò)程中就存在？同樣的品種“生淮南則為橘，生于淮北則為枳”，是否有基因?qū)用娴牟顒e？這些問(wèn)題，都將在煙草香型代謝組學(xué)分析研究中陸續(xù)得到解答。

代謝組學(xué)是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科，主要研究植物在代謝過(guò)程中產(chǎn)生或消耗的小分子物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)代謝規(guī)律，找到影響主要代謝物積累轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵基因。

“作為煙草來(lái)說(shuō)，煙支在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，就是代謝物?！眹?guó)家煙草基因研究中心煙草代謝組學(xué)研究室（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“研究室”）學(xué)科帶頭人周會(huì)娜介紹說(shuō)，就是這些小分子，使煙葉組織散發(fā)出香味。而煙草香型代謝組學(xué)研究，就是要弄明白煙草中所有香味物質(zhì)的代謝規(guī)律，有效判斷和預(yù)測(cè)煙草香味物質(zhì)的代謝變化，為培育不同香型的煙草品種服務(wù)。

說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，做起來(lái)著實(shí)不易。此前，行業(yè)很少有人接觸過(guò)代謝組學(xué)，研究的客觀條件不容樂(lè)觀。

2012年1月，研究室同中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開(kāi)始了長(zhǎng)期合作。該研究所是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展代謝組學(xué)研究的科研機(jī)構(gòu)。通過(guò)項(xiàng)目合作和學(xué)習(xí)培訓(xùn)，研究思路逐漸明確：

----以煙草香型、品質(zhì)為研究切入點(diǎn)；

----對(duì)質(zhì)譜檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行定性定量分析、對(duì)定性化合物進(jìn)行基本規(guī)律分析；

----對(duì)全部質(zhì)譜檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行基本規(guī)律分析和數(shù)據(jù)挖掘，全面了解煙草香味物質(zhì)、有害成分的代謝基礎(chǔ)，建立煙草“指紋”圖譜，加快煙草品種選育和品質(zhì)鑒定的科學(xué)化進(jìn)程。

……

隨著項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，基因研究中心初步完成了行業(yè)代謝組學(xué)平臺(tái)的建設(shè)和第一批研究人才的培養(yǎng)。目前，研究團(tuán)隊(duì)已有7名技術(shù)骨干，設(shè)備檢測(cè)能力基本完成對(duì)煙草代謝物的覆蓋，具備了系統(tǒng)進(jìn)行煙草代謝組學(xué)研究的硬件條件。

“研究代謝產(chǎn)物，首先得找到它、分析它?！敝軙?huì)娜告訴記者，建立代謝組學(xué)測(cè)試分析方法是研究的關(guān)鍵。

自2011年研究啟動(dòng)以來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)自主建立、優(yōu)化了囊括煙草大部分初生和次生代謝產(chǎn)物的12項(xiàng)測(cè)試分析方法，積累了近1萬(wàn)個(gè)樣本檢測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)到煙草代謝物總數(shù)2223種。煙葉代謝物檢測(cè)覆蓋度、精確度已處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

通過(guò)分析典型品種不同生育時(shí)期中部葉位鮮煙葉代謝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究人員得出結(jié)論：生態(tài)環(huán)境對(duì)代謝組的影響大于遺傳因素；不同香型間代謝組存在明顯差異，總體來(lái)講，差異代謝物含量濃香型高于清香型、中間香型；濃香型煙葉生物堿和可溶性糖含量高于清香型、中間香型；部分代謝物在不同香型間的含量差異存在明顯的年度波動(dòng)。

“研究結(jié)果表明，鮮煙葉中就存在決定煙葉香味品質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)?！敝軙?huì)娜介紹說(shuō)，研究煙草關(guān)鍵化學(xué)成分合成、積累、轉(zhuǎn)運(yùn)及變化的規(guī)律，解析影響煙草香型的關(guān)鍵代謝途徑和代謝網(wǎng)絡(luò)，找出其遺傳和生態(tài)成因，能夠?yàn)榕嘤齼?yōu)質(zhì)、低害的煙草新品種提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還在更深層次上發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵基因?qū)τ跓熑~品質(zhì)的作用----

二萜類(lèi)物質(zhì)與煙草香氣緊密相關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)克隆了該途徑4個(gè)關(guān)鍵基因，以主栽品種K326為材料，對(duì)其二萜類(lèi)物質(zhì)代謝途徑關(guān)鍵基因進(jìn)行沉默或過(guò)表達(dá)，調(diào)控二萜類(lèi)物質(zhì)的代謝，研究代謝表型及其機(jī)理，煙草二萜類(lèi)物質(zhì)代謝途徑逐步打通，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)煙草香氣物質(zhì)的調(diào)控。

通過(guò)對(duì)甾醇代謝途徑的研究，發(fā)現(xiàn)了可以調(diào)控甾醇合成途徑的關(guān)鍵基因。初步研究結(jié)果表明，沉默這些基因表達(dá)，可以有效降低煙草甾醇含量。這一研究結(jié)果將有助于對(duì)煙氣中有害成分苯并芘的控制。

三年來(lái)，隨著煙草基因組計(jì)劃重大專(zhuān)項(xiàng)的實(shí)施，行業(yè)煙草代謝組學(xué)研究設(shè)施、團(tuán)隊(duì)從無(wú)到有，實(shí)現(xiàn)了從跟隨到自主研究的思路轉(zhuǎn)變，今后將力爭(zhēng)讓“小分子”釋放“大能量”。

（文章來(lái)源：2014年7月23日《東方煙草報(bào)》：《探秘?zé)煵莼蚪M·功能基因組學(xué)研究》）