植物功能基因组学的发展现状

植物功能基因组学的发展 现状

“基因组”(genome)一词出现于约80年前，指一种生物的全套 基因和染色体。 “基因组学”(genomics)一词由Thomas Roderick在1986年提 出的，当时是指基因组的作图、测序及分析的学科。现在基因组学 更强调基因组的功能，分成了两个分支，一个是结构基因组学(以 构建生物的遗传图谱、物理图谱和转录本图谱及全序列测序为主要 目标),另一个是功能基因组学。 功能基因组学(functional genomics)是利用结构基因组学研究获 得的大量数据与信息评价基因功能(包括生化功能、细胞功能、发 育功能、适应功能等),其主要手段结合了高通量的大规模的实验 方法、统计和计算机分析技术)。随着模式植物拟南芥基因组全序 列测定的完成，植物功能基因组学正成为研究的热点和前沿，方兴 未艾。

美国国家科学基金(NSF)资助拟南芥2010年项目的目标 是到2010年，尽可能多的了解拟南芥25,000个基因的功 能以及提供其它的基因组资源。

植物功能基因组学研究的方法

根据基因组全序列提供的信息预测编码序列(基因),结合生物信息 学方法研究基因的功能；或通过数据库搜索或通过其序列信息在其它 植物中鉴定出控制该性状的同源物并克隆出对应的基因。 cDNA的部分序列测定(EST) 基于DNA芯片的基因功能分析 基因产物蛋白质的表达分析(蛋白组学，proteomics) 利用正向和反向遗传学技术研究植物基因功能

一、植物基因组全序列测定对功能基因组学 研究的影响 拟南芥(130Mb)、水稻(430Mb)基因组全序列 测定已完成，分别代表双子叶和单子叶植物。 研究结果表明，高等植物中的大多数基因产物存在一 定的序列相似性，这样就可以判断可能的基因功能， 不管它在什么植物中。估计只有非常少的编码蛋白的 基因在拟南芥或水稻中找不到同源物或类似物。

例1:拟南芥beta-Glucosidase基因家族功 能基因组学研究项目GeneBank预测拟南芥基因组大约有47个基因属于这 个基因家族 系统发生分析，绘制系统树 克隆编码蛋白的全长cDNA,验证正确的内含子位置 表达基因，获得有活性的酶 功能鉴定

Plant Molecular Biology 55: 343–367, 2004.

拟南芥 BGLU 基因家 族系统 树

二、EST在植物功能基因组学研究中的应用 在还不可能对基因组较大的植物全序列测序的情况下， EST研究是功能基因组学研究的最佳途径之一。 在对全序列进行测序之前，EST数据库将是发现基因、 进行种间序列比较、通过分子标记和表达分析的克隆 等最有价值的资源。比较来自不同器官和不同生理环 境下的EST还可

以得到表达类型方面的初步信息。

例2:玫瑰还有其它名字吗？两个玫瑰品种Fragrant Cloud (FC)和Golden Gate (GG),花 完全开放时分离RNA,建立cDNA文库，分别测序了1834和 1039个克隆，结果发现，在FC中有1288个基因及GG中746个基 因是唯一的，其中32%的唯一基因编码的蛋白其同源物还未知功 能，17%的基因在植物或其它物种找不到同源序列。因此，这些 EST数据蕴含着丰富的新颖基因，其中多数在花瓣发育以及次生 代谢途径中发挥作用。 接着，进行基因芯片基因表达比较分析，将成熟FC中350个克隆 的基因与 GG花瓣基因比较，以及FC成熟花瓣与幼嫩花瓣比较。 结果有40个基因显示在FC花瓣发育中起作用而表达水平远远高于 在成熟GG的花瓣。因此，它们是FC花瓣的香气产生的参与者。

例3.柑桔功能基因组研究 测定柑桔不同组织器官、不同发育时期、不 同逆境胁迫下的EST表达。

三、DNA芯片的基因分析功能 把对应于不同基因或cDNA的DNA片断或寡核苷酸固定在固相支 持物上，使它们与来自总mRNA的探针杂交，每个点的杂交信号 可进行自动化的定量分析，从而反映出对应的mRNA在总 mRNA中的相对丰度。 利用这种技术，我们可以了解每个基因在不同环境、不同发育阶 段的表达情况；可以鉴定突变的基因表达情况、了解控制复杂反 应的代谢途径、基因产物的关系等。该技术为我们研究植物基因 功能特别是预测基因的未知功能提供了有效的途径和方法。

四、蛋白组学研究 使用双向电泳(2-D SDS-PAGE)分离和富集表达的 蛋白，利用MS(mass spectrometry)技术进行微测 序。 蛋白组作图-酵母双杂交系统 蛋白质芯片 Computational Proteomics

五、正、反向遗传学技术研究植物基因功能 插入突变体的筛选(T-DNA插入):例3:拟南芥种子发育重要基因功能的研究 拟南芥大约有500-700个基因是种子发育所必须的，收集足够大数 量的突变体。

反向遗传学技术-基因敲除(knockout)

Structure of Enhancer, Gene, and Promoter Trap Vectors. (A) A generic chromosomal gene with exons (boxes) and introns (lines). (B) Enhancer trap construct. The minimal promoter of the reporter gene (TATA) is activated by a chromosomal enhancer element, resulting in expression of the reporter gene. (C) Promoter trap construct. The promoterless reporter gene can be expressed when insertion occurs in an exon so as to result in a transcriptional fusion. (D) Gene trap construct. The promoterless reporter gene contains splice acceptor (SA) sequences. Expression of the reporter gene occurs upon its insertion into an intron. Splicing from the chromosomal splice donor (SD) site to the SA sequence results in creation of a transcriptional fusion. Arrows in each p

anel represent the transcrip …… 此处隐藏：860字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……