农业科学

２００９　　ＮＯ．０３

科技创新导报

植物功能基因组学研究进展

苏　红１，２

（１．首都师范大学生命科学学院　　北京　　１０００４８；　　２．宝鸡职业技术学院　　陕西宝鸡　　７２１０１３）

摘　要：本文主要综述植物功能基因组学的研究目的、研究内容、研究方法以及研究进展。关键词：植物　　功能基因组学　　研究进展中图分类号：Ｑ９４文献标识码：　Ａ文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００９）０１（ｃ）－０１０５－０２

由于植物学与农业、医药、生态环境、资源等关系密切，对国家的经济发展有重要的作用，各国都非常重视对植物学前沿领域的支持。随着植物基因组计划的顺利进行，植物基因组学的研究已从结构基因组学转向功能基因组学。结构基因组学代表基因组分析的早期阶段，其基本目标是构建生物高分辨遗传图谱、物理图谱、表达图谱和序列图谱。功能基因组学代表基因分析的新阶段，是在结构基因组学提供的信息基础上，应用高通量的实验分析方法并结合统计和计算机分析来研究基因的表达、调控与功能，基因间、基因与蛋白质之间和蛋白质与底物、蛋白质与蛋白质间的相互作用以及生物的生长、发育等规律，把从不同水平研究基因功能得到的数据进行系统的整合，获得植物基因活动的复杂网络蓝图［１］。在研究内容方面，　国内外都注重尽可能获取更多的全长基因的表达序列、饱和突变体库的创建、高通量的转基因遗传分析、生物信息技术平台与相应数据库的构建等。植物功能基因组学研究的最终目的是使人们能够利用这些研究结果定性地改造植物性状，更好的为人类社会服务。

为了植物功能基因组学的深人研究，人们相继建立了一系列新的技术和方法，包括表达序列标签（ＥＳＴ）、基因表达系统分析（ＳＡＧＥ）、基因芯片技术（ｇｅｎｅ　ｃｈｉｐ）、蛋白质组技术（ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ）、生物信息学（ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ）、插人突变（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎｍｕｔａｇｅｎｅｓｉｓ）等，　这些前沿技术为植物功能基因组学的研究提供了强有力的技术支持。下面我们对主要技术做以简单介绍。

和器官的ＥＳＴ也为基因的功能研究提供了有价值的信息，此外，ＥＳＴ　计划还为基因的鉴定提供了候选基因（ｃａｎｄｉｄａｔｅｓ），是鉴定和发现表达基因的最快途径。ＥＳＴ计划的不足之处在于通过随机测序有时难以获得那些低丰度表达的基因和那些在特殊环境条件下诱导表达的基因。

互补序列及Ｔｍ值等因素的限制，其中寡核苷酸的长度一般为２５ｂｐ左右，此种芯片可用于ＤＮＡ的序列测定、突变的检测及基因转录表达分析。微点阵技术通过点样法制备的中、低密度点阵芯片，所用支持物一般为玻片、尼龙膜等，玻片需经特殊的处理，多是经过多聚赖氨酸等进行包被或进行其他形式的化学修饰。点样于其上的探针可以是ｃＤＮＡ片段，基因组片段、寡核苷酸、核酸类似物如ＰＮＡ等。微阵数据分析的一个主要用途是在特定的组织和代谢过程中鉴定有相关作用的基因。电子芯片是带有阳电荷的硅芯片、芯片经热氧化，制成的１ｍｍｘ１ｍｍ阵列，每个阵列含多个微电极，每个电极上通过氧化硅沉积和蚀刻制备出样品池。将连接链亲和素的琼脂糖覆盖在电极上，　电场作用下生物素标记的探针即可结合在特定电极上。基因芯片技术的主要应用领域为基因表达谱分析、新基因发现、基因突变及多态性分析以及监测基因组在不同时期断面上的整体转录表达状况。因此，　基因芯片技术已成为功能基因组学研究中一项非常重要和关键的实验技术。

２　基因表达系统分析

Ｖｅｌｃｕｌｅｓｃｕ等人１９９５年发明基因表达系列分析技术（Ｓｅｒｉａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＧｅｎｅＥｘｐｒｅｓｓｉｏｎ，ＳＡＧＥ），这是一种高通量且快捷有效的基因表达研究技术，可用于研究任何一种由细胞转录变化引起的生物现象，而无须对基因性质和生物系统预先有所了解［３］．ＳＡＧＥ是以转录子（ｃＤＮＡ）上特定区域９－１０ｂｐ的寡核昔酸序列作为标签（ｔａｇ）来特异性代表该转录子，然后通过连接酶将多个标签（一般为２０－６０个）串联并克隆到载体中，建立ＳＡＧＥ文库，通过对双标签的序列分析，可获得基因转录的分布以及表达丰度的情况（尤其是可检测到低丰度表达的基因），从而可充分了解基因转录组的全貌。ＳＡＧＥ技术已广泛用于全面获取生物基因的表达信息，定量比较不同状态下的基因表达，寻找新基因等研究领域。

４　蛋白质组技术

由于基因芯片技术只能反映从基因组到ＲＮＡ的转录水平上的表达情况，　而从ＲＮＡ到蛋白质须经过许多中间环节的影响，因此仅凭基因芯片技术我们还不能最终掌握生物功能具体执行者—蛋白质的整体表达状况。蛋白质组是指基因组表达的全部蛋白质及其存在方式，蛋白质组学旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式，其内容包括鉴定蛋白质的表达、存在方式（修饰形式）、结构、功能和相互作用等，利用蛋白组研究植物功能基因组可以得到以下３方面信息：从基因序列预测的基因产物的翻译情况；基因产物的相对浓度；基因产物翻译后的修饰程度。蛋白质组学将基因表达的数据与植物代谢和植物表型的问题紧密连在一起，　既可以用于研究植物生理机制，又可以用于研究未知功能的蛋白质［５］．蛋白质组学研究技术和方法很多，并不断发展和出现新的技术。

３　基因芯片技术

基因芯片技术（ｇｅｎｅ　ｃｈｉｐ）是指采用特殊的手段，将大量基因探针分子按一定的方式密集排列并固定在面积有限的特殊材料表面，通过未知样品中的生物分子与芯片上所载的已知分子间的杂交，反应结果用同位素法、化学发光法或酶标法显示，然后用精密的扫描仪或ＣＣＤ摄像技术记录，通过计算机软件分析，形成可读信息，实现对细胞、蛋白质、ＤＮＡ以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测［４］。根据制备方法的不同可分为：ＤＮＡ芯片技术（ＤＮＡ　ｃｈｉｐ）、微点阵技术（ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ）和电子芯片技术。ＤＮＡ芯片技术是利用原位合成法或将一系列寡核苷酸以预先设定的排列方式固定在固相支持介质表面（硅片、玻片、尼龙膜等），形成高密度的寡核苷酸的阵列，以用于杂交。由于链内

１　表达序列标签

表达序列标签（Ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ　Ｓｅｑｕｅｎｃｅ　Ｔａｇ，ＥＳＴ）是从ｃＤＮＡ文库中随机挑取的克隆进行测序所获得的部分ｃＤＮＡ的５′或３′端序列，一般长为３００－５００ｂｐ左右。建立这些序列的数据库即为ＥＳＴ文库

［２］

。基因表达

的差异分析，可以通过计算某一基因片段在ＥＳＴ文库中出现的频率的多少来确定。ＥＳＴ不仅为植物基因组遗传图谱的构建提供了大量的分子标记，而且来自不同组织

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