國家植物基因組計劃》概況
１９９７年５月,，美國總統(tǒng)行政辦公室根據(jù)相關提案組建了植物基因組機構間工作組（ＩＷＧ）,，負責制定美國的《國家植物基因組計劃》（ＮＰＧＩ）,，并協(xié)調(diào)全國的植物基因組研究工作,。Ｉ-ＷＧ的成員來自于對ＮＰＧＩ進行資助和管理的主要聯(lián)邦機構,，包括農(nóng)業(yè)部,、國家科學基金會,、國立衛(wèi)生研究院,、能源部、白宮科技政策辦公室和預算管理局,。經(jīng)過ＩＷＧ半年的籌劃,，ＮＰＧＩ的第一個五年計劃于１９９８年１月正式啟動。其研究內(nèi)容主要包括結構基因組研究,、功能基因組研究和基因組研究成果的應用三大部分,。主要研究目標包括：①參照物種擬南芥和水稻的基因組測序。②開展主要農(nóng)作物和經(jīng)濟植物的結構基因組研究,。③開展以植物產(chǎn)量基因為重點的功能基因組研究,。④進行植物基因組學研究工具的開發(fā)。⑤植物基因組數(shù)據(jù)庫和研究資源的分發(fā)與應用,。⑥開展植物基因組知識和研究成果的培訓與推廣,。五年來，ＮＰＧＩ嚴格實行研究項目的立項評審制度,，注重開展與私有機構和其他國家的研究合作,，充分利用聯(lián)邦政府的資金投入（約３.５億美元），確保了ＮＰＧＩ第一個五年計劃目標的順利實現(xiàn),。
ＮＰＧＩ第一個五年計劃的主要成就
五年來,，ＮＰＧＩ的各個研究領域都取得了良好的進展，全面實現(xiàn)了第一個五年計劃的預定目標,，為第二個五年計劃的實施奠定了扎實的基礎,。在此，僅將部分主要成就列舉如下：
１.比原計劃提前四年完成了擬南芥基因組測序,。擬南芥的基因組序列是迄今為止人們所完成的最完整的真核生物基因組序列,，它為世界各國在２０１０年前確定擬南芥所有基因的功能奠定了基礎。
２.比原計劃提前六年完成了水稻基因組的深度序列草圖,。水稻的基因組序列信息,，已被用于研究包括玉米,、小麥、大麥和高粱在內(nèi)的其它禾谷類作物的基因組,。
３.獲得了一些基礎科學方面的新發(fā)現(xiàn),。如發(fā)現(xiàn)了高等植物著絲點的結構與組織，鑒定出了大多數(shù)調(diào)控植物對不利環(huán)境的反應的基因,，發(fā)現(xiàn)了水稻的第一個活性轉位子和真核生物的第一個活性微倒轉重復序列,，重新認識了后生基因沉默的機理，發(fā)現(xiàn)了植物識別和抵抗病原菌的新途徑和新基因等,。
４.匯集了植物基因組研究的豐富資源,。例如，在基因庫中收集了２００萬個植物表達序列標識,，建立了７２種植物的ＢＡＣ文庫,，收集了一大批用于研究玉米和擬南芥基因功能的轉位子標記系，完成了玉米,、大豆,、小麥和其他植物的深度物理圖譜，建立了各種可供科學界使用的植物基因組數(shù)據(jù)庫,。
５.開發(fā)出了一系列植物基因組研究工具,。
６.建立了一套良好的植物系因組研究國際合作模式和協(xié)調(diào)機制。
ＮＰＧＩ第二個五年計劃的新目標
ＮＰＧＩ第一個五年計劃的重點是為植物基因組研究打基礎,，包括開發(fā)相關的研究資源和研究工具等,。第二個五年計劃的關鍵在于：開發(fā)出大量的低成本技術；有效地管理信息量巨大的植物基因組數(shù)據(jù)庫,；并培訓新一代植物基因組科學家,，使其能夠正確理解和有效利用這些信息資料,，以促進植物基因組學乃至整個植物科學的繼續(xù)進步,。
１.繼續(xù)探索植物基因組的結構和組織
過去五年中對動物和微生物基因組的測序實踐，形成了一批具有指導意義的概念,。其中包括重視參考基因組和比較序列分析的應用等,。已經(jīng)獲得的參考基因組序列可用作相關物種基因組序列草圖的裝配模板，比較序列分析則有助于發(fā)掘在進行單個物種基因組序列分析時難以發(fā)現(xiàn)的新基因,。比較基因組學研究將有助于人們在序列水平上加深對新物種或特殊性狀形成過程的認識,。ＮＰＧＩ第二個五年計劃所開發(fā)的序列資源將可用于描述單個基因組的結構，并闡釋基因組形成的動力學過程,。具體內(nèi)容包括：①繼續(xù)參與國際水稻基因組測序計劃,。主要任務是彌補現(xiàn)有水稻基因組測序的缺口，形成完整的水稻基因組序列,，以用作禾谷類植物基因組測序的參考基因組,。②完成對玉米基因組基因密集區(qū)域的測序,。玉米基因組約含２８億個堿基對，與人類基因組的大小相當,，比擬南芥基因組大２１倍,。其基因組的組織復雜，８０％以上的基因組ＤＮＡ由重復序列組成,，只有約１５％為編碼基因,。通過ＮＰＧＩ第一個五年計劃的技術積累，目前已經(jīng)具備了對玉米基因組基因密集區(qū)進行測序的能力,。③對少數(shù)關鍵植物的基因組進行詳盡的分析,。目前基因組測序的成本約為每個堿基對９美分。如果要獲得小麥基因組序列的完成圖（準確率９９.９９％）,，則需投入１４.４億美元,。如此高額的投入，使得現(xiàn)階段不可能對所有植物物種的基因組進行測序,。盡管美國國家人類基因組研究所打算在未來１０年中開發(fā)出測序成本僅為每個基因組１０００美元的廉價測序技術,，但在這類廉價技術尚未開發(fā)成功之前，ＮＰＧＩ仍將基于第一個五年計劃中關于參考基因組工具的概念,，重點開發(fā)一些關鍵植物物種基因組基因密集區(qū)的序列草圖,。關鍵物種的選擇標準包括：試驗的可控性、基因組結構的復雜性,、用作參考基因組的潛力和基因組序列信息對促進植物科學進步的作用,。④開發(fā)對具有重要生物學意義和經(jīng)濟意義的植物進行基因組分析的資源，如深度遺傳圖和物理圖,、ＥＳＴ,、ＢＡＣ文庫等。在未來五年中尚無法對大批植物物種進行基因組測序分析的情況下,，開發(fā)這些基因組分析資源將不僅可以滿足研究工作的需要,，而且還能有效節(jié)省成本。⑤認識植物基因組組織的結構基礎,。植物非常適宜用來研究復雜基因組組織的結構基礎,，且基因組組織含有植物進化歷史的記錄，因此,，通過有選擇性的比較分析就可揭示植物基因組現(xiàn)有結構和組織的形成過程,。今后幾年將會開發(fā)出更多的基因組序列、ＥＳＴ序列和其他結構基因組學資源,。充分利用這些資源開展比較研究,，將增進人們對植物基因組結構與組織之間關系的了解，并有助于探索植物科學方面的一些尚未解答的問題,，如植物馴化過程與其基因組結構之間的相互影響,、異源多倍體亞基因組的作用等,。
２.認識植物基因組序列的生物學作用
在擬南芥和水稻基因組的測序工作完成以后，研究重點已經(jīng)從獲得基因組序列的初級信息轉移到了認識基因組序列的生物學作用,，這將是未來５年功能基因組學的研究重點,。具體內(nèi)容包括：①完成擬南芥功能基因組國際合作項目。通過合作各方的努力,，爭取在２０１０年前探明擬南芥２.６萬多個基因的功能,。②建立一個多國參與和協(xié)調(diào)的水稻功能基因組國際合作項目。ＮＰＧＩ第二個五年計劃將根據(jù)擬南芥功能基因組國際合作項目的成功模式,，啟動水稻功能基因組國際合作項目,，以探明水稻全部基因的功能，用作禾谷類植物的參考物種,。③建立植物基因組研究資源的信息庫,。功能基因組學的研究成果，如植物種質(zhì),、ＤＮＡ文庫和克隆等,，是開展生物學研究的重要資源。必須建立這些資源的公共信息庫,，以供研究工作者使用,。
３.開展植物基因組學工具的應用
在掌握了一些關鍵物種基因的功能之后，要注重運用這些信息來解決一些植物生物學的基本問題,，并開發(fā)出相應的新技術來生產(chǎn)具有更高經(jīng)濟價值和更廣泛用途的植物,。具體內(nèi)容包括：①運用基因組學工具來研究植物的一些重要生物學性狀和重要經(jīng)濟性狀，如控制塊莖和磷莖發(fā)育的基因網(wǎng)絡,、控制木本植物木質(zhì)（軟質(zhì)和硬質(zhì)）形成的基因網(wǎng)絡,、控制各種水果生物學發(fā)育過程的基因網(wǎng)絡、控制植物氮磷營養(yǎng)應用能力（如空氣固氮和對土壤中磷養(yǎng)分的吸收能力）的基因網(wǎng)絡等,。②將植物基因組學研究拓寬到生物多樣性,、生態(tài)學和生態(tài)系統(tǒng)等研究領域，以探索生物學領域的一些新機理和更高級法則,，如植物形態(tài)多樣性和生境多樣性的形成機理,、植物體內(nèi)各種天然化合物的形成機理,、植物體內(nèi)化學成分隨環(huán)境變化的調(diào)節(jié)機理,、植物基因功能隨著植物對新環(huán)境和新生態(tài)系統(tǒng)的適應性進化而發(fā)生改變的機理等。③將植物基因組學研究拓寬到可再生資源和生物新材料領域,，以解決資源消耗和環(huán)境問題,。例如，如果能通過基因組學研究成果的實際應用而使植物的光合效率有所提高,，則將對植物生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響,。
４.開發(fā)出適用的生物信息學工具
隨著植物基因組學研究的深入,，相應的信息資料急劇增多?？茖W界所面臨的一個現(xiàn)實任務,，就是開發(fā)出高效率的生物信息學工具，使研究工作者能夠方便地獲得,、分析和比較這些信息,，以便充分發(fā)揮已有基因組信息的作用。具體內(nèi)容包括：①開發(fā)有助于研究工作者獲得和使用各種基因組數(shù)據(jù)庫的生物信息學工具,。②開發(fā)建立基因組信息數(shù)據(jù)庫所需的通用標準和界面,，以增強數(shù)據(jù)庫的互用性能。③建立基因組數(shù)據(jù)庫中信息資料貯存的國際協(xié)調(diào)機制,，包括數(shù)據(jù)庫的信息貯存機制和數(shù)據(jù)庫的標準化操作準則等,。④開發(fā)進行植物基因組學數(shù)據(jù)分析的新運算法則，尤其是比較基因組學和群體遺傳學的新運算法則,。通過開發(fā)針對基因組信息分析的計算資源和分析工具,，將有助于增加人們對一些植物基本過程的認識，如光合作用,、呼吸作用,、碳氮代謝、固氮,、初級代謝和次級代謝,、多倍性與馴化、植物與微生物的關系等,。
５.加強植物基因組知識的教育和培訓
ＮＰＧＩ的最終成功將取決于它對美國植物科學發(fā)展的促進作用,。但是，讓公眾了解和認識植物基因組研究的重要意義也是ＮＰＧＩ的重要任務之一,。為了使ＮＰＧＩ產(chǎn)生最佳效果,，必須注意教育和培訓下一代植物基因組學方面的科學家。未來五年的具體活動內(nèi)容包括：①在植物基因組學研究領域,，建立本科生,、研究生和博士后研究人員的培訓機制。通過設立培訓資助計劃,，培訓下一代植物基因組學科學家,。②加強對植物基因組學新、老研究人員的生物信息學知識培訓,。生物信息學是開展植物基因組學研究的關鍵工具,，也是不同級別研究人員的基礎工具。因此，對植物基因組研究人員的生物信息學知識培訓十分必要,。③對高校教師隊伍和植物科學工作者進行植物基因組學知識的在職培訓,。④通過各種形式的研修討論會，讓更多的研究人員獲得和應用ＮＰＧＩ的研究資源,。⑤將植物基因組學知識普及到１２年制的中小學基礎教育群體,。植物基因組研究工作者可以協(xié)助中小學開展科學課程的教學，邀請中小學師生參加植物基因組學研究項目,，以培養(yǎng)出一批熱愛植物基因組學科的潛在大學生群體,。
６.進一步擴大ＮＰＧＩ的影響
根據(jù)ＮＰＧＩ第一個五年計劃所積累的經(jīng)驗，第二個五年計劃將進一步加強以下工作：①繼續(xù)鼓勵私有機構參與ＮＰＧＩ研究項目的合作,。作為一個政府科研計劃,，ＮＰＧＩ不會直接資助私有機構的研究工作。但是,，ＮＰＧＩ鼓勵公共研究機構和私有研究機構雙方集成研究資源,，加速研究進程，與公眾共享研究成果,。②充分利用國際合作機遇,，促使ＮＰＧＩ項目參與國際合作。由于越來越多的國家正在建立各自的植物基因組研究計劃,，因此,，該領域的國際合作機會也越來越多，ＮＰＧＩ將鼓勵所屬的研究項目參與國際合作,。③向公眾宣傳植物基因組學研究成果,，讓公眾充分了解植物基因組學研究在人們?nèi)粘Ｉ钪械淖饔谩?/p>
ＮＰＧＩ第二個五年計劃的經(jīng)費概算
根據(jù)ＩＷＧ的估算，如果要全面實現(xiàn)ＮＰＧＩ第二個五年計劃的目標,，則需投入約１３億美元,，約相當于第一個五年計劃中聯(lián)邦政府實際投入的３.７倍。由于美國政府在預算和撥款體制上具有嚴格的法定程序,，因此,，ＩＷＧ的經(jīng)費估算結果既不代表聯(lián)邦政府的ＮＰＧＩ預算方案，也不代表國會批準的ＮＰＧＩ撥款方案,，僅僅反映了ＮＰＧＩ的經(jīng)費需求,。至于今后五年聯(lián)邦政府對ＮＰＧＩ的實際投入，將在考慮ＮＰＧＩ經(jīng)費需求的基礎上,，按照聯(lián)邦政府的預算和撥款程序進行核定,。ＩＷＧ對未來五年ＮＰＧＩ經(jīng)費需求估算的細節(jié)如下：①４億美元用于植物基因組的結構和組織研究。②２億美元用于功能基因組研究,。③３億美元用于開展植物基因組學工具的應用研究,。④２.５億美元用于植物基因組數(shù)據(jù)管理和生物信息學工具開發(fā),。⑤１.２５億美元用于開展各類教育和培訓活動,。
討論與建議
１.美國ＮＰＧＩ第一個五年計劃的成功經(jīng)驗之一,，是充分利用與私有機構和其他國家的合作研究關系，集成資源,，加速研究目標的實現(xiàn),。在目前我國植物基因組研究的人力、物力和財力相對有限的情況下,，借鑒美國ＮＰＧＩ的這一經(jīng)驗,，將對加速我國的植物基因組研究工作產(chǎn)生重要影響。
２.加強相關領域研究工作的協(xié)調(diào)和信息共享,，將大大提高植物基因組研究的效率,。尤其要注意建立植物基因組研究計劃與動物基因組研究計劃之間的協(xié)調(diào)、溝通和信息共享機制,，充分利用具有共性的研究成果及分析和研究方法等,，盡可能尋求捷徑，減少或避免重復勞動,，提高研究工作的效率,。
３.加強對公眾的教育培訓及下一代人才培養(yǎng)。鑒于植物基因組學研究成果對未來人類生活廣泛而重大的影響,，以及植物基因組學研究對人才需求不斷增長的趨勢,，美國ＮＰＧＩ對公眾的教育培訓計劃和向１２年制中、小學基礎教育的擴展,、滲透計劃,，實屬具有遠見的明智之舉，值得我國管理部門在制定相關規(guī)劃時借鑒,。
４.美國ＮＰＧＩ資金投入的急劇增長趨勢值得關注,。１９９８年，ＩＷＧ對ＮＰＧＩ第一個五年計劃資金需求的估算額度為４億美元,。但是,，ＩＷＧ對ＮＰＧＩ第二個五年計劃資金需求的估算額度猛增到１３億美元，是第一個五年計劃的３倍多,。這一經(jīng)費增長趨勢,，從一個側面反映了美國積極應對植物基因組研究領域日益激烈的國際競爭、努力搶占植物基因組研究制高點的科技戰(zhàn)略,，應當引起我國相關部門重視,，并合理配置我國該領域的研究資源，確保我國植物基因組研究的國際地位,。
