最新高二生物-水稻基因组测序的研究意义及进展 精品

水稻基因组测序的研究意义及进展

2018年4月5日，以中国梯田为封面的国际著名权威刊物——美国《科学》杂志以封面文章的形式发表了中国科学家《水稻（籼稻）基因组的工作框架序列图》这一科学专论。这本以严谨求实著称的杂志“破天荒”地拿出了多达14页的篇幅来刊登中国科学家在水稻基因组研究方面所取得的成果，还专门为这篇论文配发了社论和4篇全球最优秀的科学家撰写的评论。在《科学》杂志的社论中，全世界最优秀的科学家们用这样的词句来描述中国科学家们测定出的水稻基因组序列：“这是一篇开创性的论文”，是“对科学与人类的里程碑性的贡献”，“永远改变了我们对植物学的研究”。“水稻基因组序列的发表具有重要的意义，将对人类的健康与生存产生全球性的影响。”“这一突破性的研究将给中国人民带来巨大的利益，不仅对解决将来中国食物自给能力带来性的提高，并将帮助全球解决食物问题”。2018年11月21日，另一国际权威刊物《自然》杂志也以封面配图及论文《水稻基因第四号染色体序列及分析》的形式，报道了中国科学家完成的“国际水稻基因组计划”第四号染色体精确测序任务，《自然》杂志审稿人称：“如稻四号染色体测序论文是紧接着水稻基因组草图完成后水稻基因组测序项目的又一个里程碑性的事件”。

一、水稻基因组研究的目的及意义

据了解，每天世界上有24000人死于饥饿或死因与饥饿有关，还有8亿人食不果腹，解密水稻基因无疑打开了农业高产和优产的大门。

国际水稻基因组测序计划始于1998年，由日本、美国、中国和法国等11个国家和地区发起和参与，是继人类基因组研究后的又一个重大国际合作基因组计划。该计划的目的是通过测定水稻基因组序列，最后绘制出全部基因图，以便最终弄清每个基因的功能，揭示水稻遗传信息奥秘，培育抗虫、抗病、抗自然灾害的高产优质水稻，为解决人类粮食问题做贡献。 为实现这一目标，中科院日前启动了知识创新工程重大项目“水稻基因组测序和重要农艺性状功能基因组研究”。这一项目以水稻基因组测序为基础，水稻比较基因组、功能基因组等研究为核心，重点开展具有我国自主知识产权的重要功能基因发掘和应用。 水稻是世界上最重要的粮食作物，世界半数以上的人口以此为生。我国是籼稻和杂交稻的种植大国，而水稻与小麦、玉米等禾本作物在基因排列上具有同线性，通过水稻基因组将很快找到其他作物的同类基因。因此，完成籼稻全基因组测序及后基因组研究，对提升我国农作物育种水平和培育新品种具有重要战略意义。

二、水稻基因组研究的国内外现状及进展

继2001年春天人类基因组工作草图宣布绘制完成后，基因热席卷全球。越来越多的生物被纳入基因组测序的名单。在植物基因组中，继2001年12月14日美、英等国科学家宣布绘制出拟南芥基因组的完整图谱后，水稻立刻成为各国科学家所关注的焦点。如果将水稻基因组计划和人类基因组计划比较，更会觉得意味深长：前者有4.3亿个碱基对，后者有30亿个碱基对，也就是说，水稻基因组的工作量仅相当于后者的七分之一。迄今为止，至少有四路“人马”在进行水稻基因组研究：美国和瑞士的两家私营公司，日本领导的国际水稻基因组计划和中国科学家进行的超级杂交水稻基因组研究。 水稻基因组研究是继人类基因组之后，世界上竞争最为激烈的基因研究。其实水稻基因研究引起科学家们的关注是非常自然的，因为全世界一半人口以此为生，而且水稻是禾本作物的模式生物，水稻遗传密码的破译，将促进玉米、小麦等其他重要农作物的研究和应用发展。

然而，作为一项旨在人类共享的合作计划，和人类基因组计划不断取得胜利不同，以日本为首的11个国家和地区参与的国际水稻基因组计划，却由于其国际协调、技术策略等诸多原因，进展不尽如人意。截至目前，人类基因组“天书”已绘制过半，而国际水稻基因组

计划的测序工作只完成了27％，而且其中八成的工作量是由日本科学家完成的。 目前，水稻基因组研究已经呈现出与人类基因组测序类似的竞争态势，水稻基因组测序已经引起世界性的关注。既有人类共享的国际合作计划，又有私人公司旨在垄断的竞争，而且这些私人公司还暂时处于上风。一些国际生物技术公司纷纷加入水稻基因的竞争，使水稻基因组测序的竞争局面变得非常复杂。

2000年5月11日，我国在提前完成人类基因组1％草图绘制工作之后，宣布开始加入水稻基因的研究。此时世界上已经有日本、美国和瑞士三国在水稻基因研究中取得了一定成就，在这场“水稻基因大战”中，美国和瑞士的私营公司暂时处于领先地位，他们不仅垄断了相关研究数据，还抢注了有关专利。但这些公司从未公布任何数据，国际社会和科学界无法查考比对，更谈不上利用。而且水稻对于我国人来说处于尤其重要的地位。我国是水稻的发源地，水稻在我国有着7000多年的种植历史，我国还是世界第一水稻生产国；另外，我国通过提前完成了人类基因组1％草图绘制工作，培养了一支从事基因组研究的科研队伍，拥有了一个国际先进水平的技术平台，具备了参与竞争的实力。基于这些考虑，揭示水稻基因奥秘，对我国意义重大。

我国基因组研究计划的进展迅速，成果喜人：

1999年10月起，科学家开始酝酿杂交水稻基因组计划。

2000年5月11日，中科院基因组信息学中心暨北京华大基因研究中心、国家杂交水稻工程技术研究中心和中科院遗传所3家单位联合宣布实施“中国超级杂交水稻基因组计划”，进行从基因组到分子育种、大田实验的全方位研究开发。

2001年10月12日，中科院、国家计委、科技部联合宣布我国科学家完成了水稻基因组的“工作框架图”，标志着我国进入世界基因组研究的前列。副致信中科院表示祝贺。

2018年4月4日，中国科学院和美国《科学》杂志在京联合举行通报会宣布，中国科学家成功绘制出水稻基因组图谱。4月5日在美国出版的《科学》杂志发表了中国科学家有关水稻基因的论文，获得国际同行的高度评价，引起全世界的关注。这是继人类基因组之后完成测定的最大的基因组，也是迄今测定的最大植物基因组。序列图基本覆盖了水稻的整个基因组、92％以上的水稻基因，它使人类第一次对水稻有了全基因组层次的了解。目前我国公布的水稻框架序列数据库已被全世界众多实验室免费下载使用。 2018年11月21日，《自然》杂志也以封面论文的方式报道了中国科学家所完成的“国际水稻基因组计划”第四号染色体的精确测序任务，并对所取得的成就给予了充分肯定和高度赞许。

这些成就标志着我国在大基因组测序方面已具备构建完成图的绘制能力，成为基因组研究强国之一。

三、中国水稻基因组研究的作用及影响 1．水稻基因组序列草图及染色体测序是提高粮食生产的利器 预测表明，如果全球人口在未来20年继续按现有趋势增长，那么谷物产量必须在1990年的基础上提高80％才能满足需要，而城市化、土壤质量退化等造成的耕地面积缩减，也使全球粮食安全形势更显严峻。水稻基因组的价值，不仅在于水稻是全球约30亿人的主食、地球上最重要的谷物，还在于它是研究同为禾本科的玉米、小麦、大麦、高粱和甘蔗等其他作物的理想模型。水稻在科研上的优势在于，其基因组只有约4.4亿个碱基对，相比之下，玉米和大麦基因组包含的碱基对分别为25亿个和49亿个。

和被誉为“解析生命的天书”的人类基因组序列框架图一样，水稻基因组序列也同样蕴藏着水稻的高产优质、色美味香和抗病抗虫、耐旱耐涝、抗倒伏等所有性状的遗传信息。对籼稻的研究对我国尤其重要，因为籼稻及以籼稻为主要遗传的北京杂交稻是我国以及东南亚

国家的主要栽培作物。解析水稻基因组序列，是改进水稻品质，提高水稻产量必不可少的前提与基础。新发表的水稻基因组工作框架图虽然只是草图，但却是对水稻遗传密码首次进行的详细分析和总体描述，为科学家们识别抗病等基因，分析基因功能，并进而改良物种、甚至改进其他谷物的生产提供了可能。当我们知道哪些基因是控制水稻高产的，哪些基因是控制水稻抗病虫害的，哪些是控制立抗旱、抗盐、抗碱能力的，知道了这些基因，就为我们下面具体做这种分子的育种，或者是分子改良的水稻专家，提供了一个非常好的研究目标，培育出更高产、更优质的水稻来，最终为我们整个老百姓造福。正如《科学》杂志总编唐纳德·肯尼迪所说：“全球半数以上人口以大米为主食，绘制水稻遗传密码，将加速改进作物的营养、产量和农业的可持续发展，可以满足世界人口不断增长的需求。水稻是世界上最重要的作物，水稻基因也是了解其他谷术作物基因的关键。”“就近期应用和造福人类而言，水稻基因组草图的完成也许会比完成人类基因组草图还要有意义。”

美国孟山都公司和瑞士先正达公司已利用水稻基因组数据作为基本工具，来寻找与加速传统的植物育种过程及提高产量有关的基因等，以培育出新一代高质量水稻品种。

2．在生命科学中，已经绘出的水稻基因组草图也足以成为有用的研究工具 例如，中国科学家等在《科学》杂志发表的论文中，就介绍了有关水稻基因数目比较多等颇让人意外的发现：水稻基因数目多、“基因家族”成员多、基因头尾差别大、“非编码”多在基因外、禾本植物差别大、籼稻粳稻不一样、水稻序列变异多、“杂交优势”初露端倪。新发现显示，水稻基因数量几乎是人类基因数量的2倍。科学家们解释，这可能是水稻基因组中存在着大量重复基因而导致的。诸如此类的新发现，生动地体现了基因组测序在生物进化等基础研究方面的独特价值。专家们指出，从这个意义上说，任何新的测序成果，都能与已经或者将要进行的对其他物种的测序计划相配合，为生命科学，特别是比较生物学提供重要的研究框架。 与国际上其他3个以粳稻为对象的水稻基因组测序计划不同，中国科学家完成的是对籼稻基因组的测序。美国佐治亚大学分子遗传学家韦斯勒表示，中国科学家的草图，使不同水稻亚种的比较成为可能。

另外，水稻基因的图谱能够用于指导破译其他谷物基因组，比如玉米、小麦，这几种农作物占全球粮食产量的约80％。选择水稻作为破译对象，是因为水稻是谷物中基因组最小的一种，因此给水稻基因测序更节约成本。同时，水稻又拥有与玉米和小麦基因组足够的基因组相似性。

当然，草图毕竟只是草图，要进行更深入的研究，还需要更精确的完成图。水稻基因组的测序也仅是第一步，要想完全识别出水稻的基因及其功能，以及研究这些基因如何编码产生蛋白质，是摆在科学家面前的更大挑战。目前，已由中国科学家和日本科学家分别完成了水稻第四号和第一号染色体的精确测序工作，这对国际基因组研究计划起到了巨大的促进作用，但更艰巨的任务还在后头。

资源来源 《中学生物教学》2018．18