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，國家煙草基因研究中心（以下簡稱“基因研究中心”）。

靜靜的實驗室里，科研人員手持塑料水槍形狀的工具，從一個透明的塑料管里抽出些許溶液，小心翼翼地注入一個黑色的磁盤卡片。

“這個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。”基因研究中心分子生物學(xué)實驗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。

隨著煙草基因組計劃重大專項的啟動實施，行業(yè)對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。面對海量的基因序列數(shù)據(jù)，如何構(gòu)建一種高效檢測、分析煙草基因的工具十分緊迫。

這個工具就是基因芯片。

所謂基因芯片，就是通過微加工技術(shù)，將數(shù)以百萬計特定序列的DNA片段，有規(guī)律地排列固定于硅片、玻片等支持物上，構(gòu)成一個二維的DNA探針陣列。這與計算機(jī)的電子芯片十分相似，所以被稱為基因芯片。

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發(fā)育時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、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，作為重大專項項目，“煙草全基因組基因表達(dá)圖譜構(gòu)建和分析”項目正式啟動。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)研究人員組成的項目組開始了對煙草全基因組基因芯片的探索研究。

“煙草有7萬多個基因，通過基因芯片可以一次性檢測所有基因以及它們的活動規(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€比方，“就像行軍地圖之于指揮員，通過基因芯片檢測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>

小小的一個芯片，儲存著巨大的能量，也是推動行業(yè)深入開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7萬多個基因中，有1萬多個屬于高度同源基因，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，把它們的活動規(guī)律表達(dá)出來，是我們面臨的一大難題?！睏钴姼嬖V記者，為破解這一難題，項目組與美國一家公司合作，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)計思路，專門針對基因的差異位點設(shè)計探針，進(jìn)而有效區(qū)分各個高度同源基因。

尋找----確認(rèn)----驗證，科研的征程中沒有捷徑可走，也來不得半點含糊，他們必須反復(fù)確認(rèn)、驗證，確保每一個基因的探針設(shè)計準(zhǔn)確無誤。

2012年年底，經(jīng)過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個林煙草和絨毛狀煙草高度同源基因、38406個林煙草和絨毛狀煙草非高度同源基因、18966個栽培煙草基因，煙草基因探針集總數(shù)為2190855個，基因覆蓋度和芯片質(zhì)量均處于國際領(lǐng)先水平，并且中國煙草對該款芯片擁有完全的知識產(chǎn)權(quán)。

對項目組而言，基因芯片的研制成功僅僅是一個開始。“這個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，這樣的基因表達(dá)圖譜實際指導(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”蘊含“大能量”

煙葉烘烤過后呈現(xiàn)出的品質(zhì)、香味差異，是否在鮮煙葉生長過程中就存在？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)展起來的一門新興學(xué)科，主要研究植物在代謝過程中產(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)運的關(guān)鍵基因。

“作為煙草來說，煙支在燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，就是代謝物?！眹覠煵莼蜓芯恐行臒煵荽x組學(xué)研究室（以下簡稱“研究室”）學(xué)科帶頭人周會娜介紹說，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)。

說起來簡單，做起來著實不易。此前，行業(yè)很少有人接觸過代謝組學(xué)，研究的客觀條件不容樂觀。

2012年1月，研究室同中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開始了長期合作。該研究所是國內(nèi)最早開展代謝組學(xué)研究的科研機(jī)構(gòu)。通過項目合作和學(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；

----對質(zhì)譜檢測信號進(jìn)行定性定量分析、對定性化合物進(jìn)行基本規(guī)律分析；

----對全部質(zhì)譜檢測信號進(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)平臺的建設(shè)和第一批研究人才的培養(yǎng)。目前，研究團(tuán)隊已有7名技術(shù)骨干，設(shè)備檢測能力基本完成對煙草代謝物的覆蓋，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雀嬖V記者，建立代謝組學(xué)測試分析方法是研究的關(guān)鍵。

自2011年研究啟動以來，研究團(tuán)隊自主建立、優(yōu)化了囊括煙草大部分初生和次生代謝產(chǎn)物的12項測試分析方法，積累了近1萬個樣本檢測數(shù)據(jù)，檢測到煙草代謝物總數(shù)2223種。煙葉代謝物檢測覆蓋度、精確度已處于國際領(lǐng)先地位。

通過分析典型品種不同生育時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。

“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冉榻B說，研究煙草關(guān)鍵化學(xué)成分合成、積累、轉(zhuǎn)運及變化的規(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，能夠為培育優(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----

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

通過對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)果將有助于對煙氣中有害成分苯并芘的控制。

三年來，隨著煙草基因組計劃重大專項的實施，行業(yè)煙草代謝組學(xué)研究設(shè)施、團(tuán)隊從無到有，實現(xiàn)了從跟隨到自主研究的思路轉(zhuǎn)變，今后將力爭讓“小分子”釋放“大能量”。

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