植物功能基因組學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

植物功能基因組學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀1精選課件“基因組”（genome）一詞出現(xiàn)于約80年前，指一種生物的全套基因和染色體。“基因組學(xué)”（genomics）一詞由ThomasRoderick在1986年提出的，當(dāng)時(shí)是指基因組的作圖、測(cè)序及分析的學(xué)科。現(xiàn)在基因組學(xué)更強(qiáng)調(diào)基因組的功能，分成了兩個(gè)分支，一個(gè)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)錄本圖譜及全序列測(cè)序?yàn)橹饕繕?biāo)），另一個(gè)是功能基因組學(xué)。功能基因組學(xué)（functionalgenomics)是利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究獲得的大量數(shù)據(jù)與信息評(píng)價(jià)基因功能（包括生化功能、細(xì)胞功能、發(fā)育功能、適應(yīng)功能等），其主要手段結(jié)合了高通量的大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)方法、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算機(jī)分析技術(shù)）。隨著模式植物擬南芥基因組全序列測(cè)定的完成，植物功能基因組學(xué)正成為研究的熱點(diǎn)和前沿，方興未艾。2精選課件美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金（NSF）資助擬南芥2010年項(xiàng)目的目標(biāo)是到2010年，盡可能多的了解擬南芥25，000個(gè)基因的功能以及提供其它的基因組資源。3精選課件植物功能基因組學(xué)研究的方法根據(jù)基因組全序列提供的信息預(yù)測(cè)編碼序列（基因），結(jié)合生物信息學(xué)方法研究基因的功能；或通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索或通過(guò)其序列信息在其它植物中鑒定出控制該性狀的同源物并克隆出對(duì)應(yīng)的基因。cDNA的部分序列測(cè)定（EST）基于DNA芯片的基因功能分析基因產(chǎn)物蛋白質(zhì)的表達(dá)分析（蛋白組學(xué)，proteomics）利用正向和反向遺傳學(xué)技術(shù)研究植物基因功能4精選課件一、植物基因組全序列測(cè)定對(duì)功能基因組學(xué)研究的影響擬南芥（130Mb）、水稻（430Mb）基因組全序列測(cè)定已完成，分別代表雙子葉和單子葉植物。研究結(jié)果表明，高等植物中的大多數(shù)基因產(chǎn)物存在一定的序列相似性，這樣就可以判斷可能的基因功能，不管它在什么植物中。估計(jì)只有非常少的編碼蛋白的基因在擬南芥或水稻中找不到同源物或類似物。5精選課件例1：擬南芥beta-Glucosidase基因家族功

能基因組學(xué)研究項(xiàng)目

GeneBank預(yù)測(cè)擬南芥基因組大約有47個(gè)基因?qū)儆谶@個(gè)基因家族系統(tǒng)發(fā)生分析，繪制系統(tǒng)樹(shù)克隆編碼蛋白的全長(zhǎng)cDNA，驗(yàn)證正確的內(nèi)含子位置表達(dá)基因，獲得有活性的酶功能鑒定

PlantMolecularBiology55:343–367,2004.

6精選課件

擬南芥BGLU基因家族系統(tǒng)樹(shù)7精選課件8精選課件9精選課件二、EST在植物功能基因組學(xué)研究中的應(yīng)用在還不可能對(duì)基因組較大的植物全序列測(cè)序的情況下，EST研究是功能基因組學(xué)研究的最佳途徑之一。在對(duì)全序列進(jìn)行測(cè)序之前，EST數(shù)據(jù)庫(kù)將是發(fā)現(xiàn)基因、進(jìn)行種間序列比較、通過(guò)分子標(biāo)記和表達(dá)分析的克隆等最有價(jià)值的資源。比較來(lái)自不同器官和不同生理環(huán)境下的EST還可以得到表達(dá)類型方面的初步信息。10精選課件例2：玫瑰還有其它名字嗎？

兩個(gè)玫瑰品種FragrantCloud(FC)和GoldenGate(GG)，花完全開(kāi)放時(shí)分離RNA，建立cDNA文庫(kù)，分別測(cè)序了1834和1039個(gè)克隆，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在FC中有1288個(gè)基因及GG中746個(gè)基因是唯一的，其中32％的唯一基因編碼的蛋白其同源物還未知功能，17％的基因在植物或其它物種找不到同源序列。因此，這些EST數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著豐富的新穎基因，其中多數(shù)在花瓣發(fā)育以及次生代謝途徑中發(fā)揮作用。接著，進(jìn)行基因芯片基因表達(dá)比較分析，將成熟FC中350個(gè)克隆的基因與GG花瓣基因比較，以及FC成熟花瓣與幼嫩花瓣比較。結(jié)果有40個(gè)基因顯示在FC花瓣發(fā)育中起作用而表達(dá)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在成熟GG的花瓣。因此，它們是FC花瓣的香氣產(chǎn)生的參與者。11精選課件例3.柑桔功能基因組研究測(cè)定柑桔不同組織器官、不同發(fā)育時(shí)期、不同逆境脅迫下的EST表達(dá)。12精選課件三、DNA芯片的基因分析功能把對(duì)應(yīng)于不同基因或cDNA的DNA片斷或寡核苷酸固定在固相支持物上，使它們與來(lái)自總mRNA的探針雜交，每個(gè)點(diǎn)的雜交信號(hào)可進(jìn)行自動(dòng)化的定量分析，從而反映出對(duì)應(yīng)的mRNA在總mRNA中的相對(duì)豐度。利用這種技術(shù)，我們可以了解每個(gè)基因在不同環(huán)境、不同發(fā)育階段的表達(dá)情況；可以鑒定突變的基因表達(dá)情況、了解控制復(fù)雜反應(yīng)的代謝途徑、基因產(chǎn)物的關(guān)系等。該技術(shù)為我們研究植物基因功能特別是預(yù)測(cè)基因的未知功能提供了有效的途徑和方法。13精選課件四、蛋白組學(xué)研究使用雙向電泳（2－DSDS)分離和富集表達(dá)的蛋白，利用MS（massspectrometry)技術(shù)進(jìn)行微測(cè)序。蛋白組作圖－酵母雙雜交系統(tǒng)蛋白質(zhì)芯片ComputationalProteomics14精選課件五、正、反向遺傳學(xué)技術(shù)研究植物基因功能插入突變體的篩選（T-DNA插入）：例3：擬南芥種子發(fā)育重要基因功能的研究擬南芥大約有500－700個(gè)基因是種子發(fā)育所必須的，收集足夠大數(shù)量的突變體。反向遺傳學(xué)技術(shù)－基因敲除（knockout）15精選課件StructureofEnhancer,Gene,andPromoterTrapVectors.(A)Agenericchromosomalgenewithexons(boxes)andintrons(lines).(B)Enhancertrapconstruct.Theminimalpromoterofthereportergene(TATA)isactivatedbyachromosomalenhancerelement,resultinginexpressionofthereportergene.(C)Promotertrapconstruct.Thepromoterlessreportergenecanbeexpressedwheninsertionoccursinanexonsoastoresultinatranscriptionalfusion.(D)Genetrapconstruct.Thepromoterlessreportergenecontainsspliceacceptor(SA)sequences.Expressionofthereportergeneoccursuponitsinsertionintoanintron.Splicingfromthechromosomalsplicedonor(SD)sitetotheSAse