生物谷報道：美國研究委員會（NRC）在本周發(fā)表的一項報告中稱,，以通過基因組學(xué)研究來探索植物秘密的NPGI計劃應(yīng)該拓展其測序能力,，并且努力開發(fā)出表觀基因組學(xué)和其他所謂的“omics”（生物組學(xué)）學(xué)科的新工具。
這項由植物遺傳學(xué)和其他領(lǐng)域的12位專家委員所準(zhǔn)備的報告回顧了十年美國基因組學(xué)研究計劃的成果,，并且給出了將來研究的方向和目標(biāo),。
在這些建議中，12專家呼吁擴大植物基因組測序,、植物相關(guān)微生物測序,、植物相關(guān)宏基因組（metagenome）測序和相關(guān)高質(zhì)量注釋。（宏基因組（Metagenome）是特定環(huán)境或共生體內(nèi)所有生物遺傳物質(zhì)的總和,，是一種不依賴于人工培養(yǎng)的微生物基因組分析技術(shù),。宏基因組方法很大程度上依賴于提取DNA的純度，大片段DNA的成功克隆也是宏基因組方法的關(guān)鍵,。生物谷注）
為了滿足這個要求,，這項報告還建議NPGI能夠拓展其與DOE聯(lián)合基因組研究所得現(xiàn)有合作關(guān)系，并且能夠讓研究人員接觸合利用新一代測序技術(shù)進行基因組學(xué)和宏基因組研究,。
該報告還鼓勵開發(fā)一些仔細(xì)選擇的植物種類的高精度“omics”資源以及一些傳統(tǒng)物種的更寬或更窄水平的數(shù)據(jù)資源,。
其他的建議包括使用系統(tǒng)方法來提高美國在重要農(nóng)作物和樹種方面的競爭力，集中研究植物進化,，并且將所有這類研究歸為植物改良計劃,。
NPGI計劃在1998年由多個機構(gòu)合作啟動。NPGI由Interagency植物基因組學(xué)工作組掌管,，該工作組包括來自美國科學(xué)基金會,、美國衛(wèi)生研究院、美國能源部,、美國農(nóng)業(yè)部,、美國國際發(fā)展署、美國Forest Service和管理預(yù)算辦公室的代表組成。
NRC的報告包括這項研究計劃迄今為止所取得的成果,，并指出應(yīng)該拓寬,、深化和多樣化他們的研究來反應(yīng)出今后的要求變化。
根據(jù)這項報告,，NPGI已經(jīng)在過去的10年里獲得了392項經(jīng)費資助,，總金額達7.74億美元。這項報告沒有提供任何對該計劃將來資助的建議,。
Jeff Dangl教授表示，除了需要測序更多植物基因組和生物工具外,，還需要著力研究植物群落的生物信息學(xué),。
根據(jù)這項報告，NPGI計劃已經(jīng)測序了擬南芥（Arabidopsis）和水稻基因組,，并且取得了大量重要發(fā)現(xiàn),。
值得一提的是，這些專家表示,，對植物基因組的研究導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)與幾乎所有的重要植物激素相結(jié)合的受體分子,；了解到這些受體如何控制植物發(fā)育程序的信息；如何通過處理種子,、花芽或小苗來促使植物開花和結(jié)果,；葉子、花朵和根如何形成以及植物免疫系統(tǒng)如何控制對病原物的防御,。
通過比較從這些研究獲得的基因組數(shù)據(jù),，研究人員獲得了很多有關(guān)其他重要植物的信息，包括與人類馴化玉米,、水稻,、番茄和小麥有關(guān)的分子事件的新信息。這個研究計劃推動了植物生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和私人對研究的投資,。
美國國家植物基因組計劃（NPGI）介紹
人類基因組工程(HGP)中的人類基因草圖于2000年6月26日宣布完成,。這引起了全世界的極大關(guān)注。人們似乎對與我們自身直接相關(guān)的事物(如人類基因)更加關(guān)心,，而對不直接相關(guān)的事物如植物基因卻不大熱心或不甚了解,。殊不知，植物基因的研究對我們?nèi)祟惗钥梢哉f是同等重要的：
我們對食品和可再生能源不斷增長的需求是人類在21世紀(jì)面臨的重大挑戰(zhàn)之一,。而以植物為基礎(chǔ)的技術(shù)(Plant-based Technologies)對迎接這些挑戰(zhàn)至關(guān)重要,。科學(xué)
家們已經(jīng)認(rèn)識到,，要迎接上述挑戰(zhàn),，必須大大地拓展植物生物學(xué)知識，加強對以植物為基礎(chǔ)的技術(shù)及其實際應(yīng)用的研究，提高其在經(jīng)濟和環(huán)境中的作用和貢獻,。國際上對植物基因的研究和對人類基因的研究一樣,，也在如火如荼地進行著。
植物基因組研究得到美國國會和聯(lián)邦政府的高度重視,。在國會的要求下,，白宮科技政策辦公室(OSTP)通過國家科學(xué)技術(shù)委員會(NSTC)成立了一個專門負(fù)責(zé)制訂國家植物基因組計劃(NPGI)的植物基因組機構(gòu)間工作組。該工作組由農(nóng)業(yè)部,、國家科學(xué)基金會,、國立衛(wèi)生研究院、能源部,、白宮科技政策辦公室以及管理與預(yù)算辦公室的有關(guān)負(fù)責(zé)人組成,。國家植物基因組計劃于1997年5月啟動，1998年1月工作組正式公布了國家植物基因組計劃的前5年規(guī)劃,。國家植物基因組計劃是與人類基因組工程(HGP)并行的龐大的工程,。
一、NPGI的內(nèi)容,、目標(biāo)及進展
NPGI的研究內(nèi)容分為三部分：第一,，結(jié)構(gòu)基因組研究(Structural Genomics)，即研究基因組的結(jié)構(gòu)和組織,；第二,，功能基因組研究(Functional Genomics)，即鑒別基因組序列的作用,，研究基因組結(jié)構(gòu)和組織與植物功能在細(xì)胞,、有機體和進化上的關(guān)系；第三,，將基因組的信息和知識用于開發(fā)改良植物和以植物為基礎(chǔ)的新型產(chǎn)品,。
聯(lián)邦政府主要側(cè)重于第一和第二部分的研究，第三部分的應(yīng)用研究主要由私人部門承擔(dān),。
NPGI的長期目標(biāo)是了解那些對農(nóng)業(yè),、環(huán)境、能源和健康具有重要意義的植物基因的結(jié)構(gòu)和功能,，并應(yīng)用這些知識來改善人類社會,。該計劃的六個目標(biāo)如下：
1、擬南芥和水稻基因組測序
選擇擬南芥(Arabidopsis Thaliana)和水稻,，是因為它們的基因組比其他較高級植物的基因組小,，較易實現(xiàn)測序。這兩種植物的基因組可分別作為雙葉子植物和單葉子植物這兩大類植物的參照和樣板,。水稻屬于草科植物,，在已知的各種草科植物中基因組最小，具有4億3000萬個堿基對，24個染色體,。由于大多數(shù)草科植物都具有相同的基因.因此水稻基因組研究的結(jié)果可直接應(yīng)用于其他草科植物,，如小麥、玉米等,。
擬南芥和水稻基因組測序是一個多國參與的計劃,。
擬南芥基因組測序工作已于2000年底剛剛完成，這是世界上第一個被完全測序的開花植物,，研究人員測定了擬南芥大約25000個基因的序列,，此后的工作是要了解這些基因的功能。這可能需要大約10年的時間,。
水稻基因組工程是要測出完整的水稻基因組序列,。計劃于2004年完成。美國成立的機構(gòu)間工作組參與了由日本水稻基因工程計劃牽頭的國際水稻基因組測序工作,。包括我國在內(nèi)的十幾個國家和地區(qū)參加了這一工作組。
2,、結(jié)構(gòu)基因組研究
結(jié)構(gòu)基因組研究旨在繪出包括玉米,、大豆、小麥,、大麥,、高粱、水稻,、棉花,、西紅柿和松樹等10—12種具有經(jīng)濟價值的關(guān)鍵植物的基因圖譜。為了尋找在經(jīng)濟作物中缺少的或沒有表達的有用基因,，少數(shù)非經(jīng)濟植物也在考慮之列,。
截至1999年8月，已有玉米,、水稻,、西紅柿和大豆等13種植物的基因組草圖被保存在由美國國立醫(yī)學(xué)圖書館管理的基因庫(GeneBank)中。
3,、功能基因組研究
著重研究對作物產(chǎn)量具有明顯作用的基因,，包括那些帶有抗病、種子生長,、谷粒質(zhì)量和開花期等密碼信息的基因,。此外，還包括那些對其他基因起控制作用的基因,。
隨著基因測序的成本不斷下降和越來越多的機構(gòu)參與,，結(jié)構(gòu)基因組研究的結(jié)果將越來越豐富，并且被生物學(xué)家們應(yīng)用于各種不同的學(xué)科，例如生物化學(xué),、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟學(xué),、植物生理學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)研究?？茖W(xué)家們將能夠更加有效地把結(jié)構(gòu)基因組研究和功能基因組研究相結(jié)合,，NPGI的研究重點也將在近期向功能基因組研究轉(zhuǎn)移。
4,、技術(shù)開發(fā)
為了保證植物基因組研究的迅速發(fā)展,，需要持續(xù)不斷地進行技術(shù)開發(fā)。在以下幾方面尤其需要技術(shù)上的進步：基因組結(jié)構(gòu)及其對生理功能影響的新的分析方法,、成本低效益高的測序技術(shù),、特定條件下基因總表達方式的分析工具等。DNA芯片/微陣列是一種很有希望的技術(shù),，它用于同時分析幾千種基因的表達方式,，以及迅速鑒別基因功能。諸如新型繪圖方法,、成像系統(tǒng),、特定基因標(biāo)記方法等新技術(shù)正在開發(fā)中。
NPGI側(cè)重于植物基因組研究專用技術(shù)的開發(fā),，同時也與人類基因組工程一起共同開發(fā)相關(guān)技術(shù),。
5、基因組數(shù)據(jù)和資源的分發(fā)和使用
NPGI產(chǎn)生的大量圖譜和數(shù)據(jù)必須分發(fā)用于分析,。植物基因組研究的專用工具和數(shù)據(jù)庫與人類基因組工程一樣,，向社會開放。所有的大型植物基因研究中心都有公共的網(wǎng)站公布研究結(jié)果,。植物基因組的數(shù)據(jù)與其他基因組的數(shù)據(jù)相整合,。
6、推廣與培訓(xùn)
NPGI的最終成功將取決于它對植物生物學(xué)研究及其應(yīng)用所產(chǎn)生的影響,。為保證基因組信息和技術(shù)向最終用戶的迅速擴散,，短期培訓(xùn)班和專題討論會等推廣和培訓(xùn)活動是該計劃的一個組成部分。
二,、NPGI的管理
為保證計劃的順利進行,，NPGI遵循以下管理原則：
(1)該計劃被視為一個長期的項目，在對關(guān)鍵的成功和最新的進展進行評估的基礎(chǔ)上,，對計劃進行適時的調(diào)整,。
(2)研究資源包括數(shù)據(jù)、軟件應(yīng)盡快向公眾開放,。
(3)在國家科學(xué)技術(shù)委員會(NSTC)的領(lǐng)導(dǎo)下,，由來自能源部,、國立衛(wèi)生研究院、國家科學(xué)基金會,、農(nóng)業(yè)部,、白宮科技政策辦公室和管理預(yù)算辦公室的代表組成的機構(gòu)間工作組負(fù)責(zé)該計劃的協(xié)調(diào)，能源部,、國立衛(wèi)生研究院,、國家科學(xué)基金會、農(nóng)業(yè)部是聯(lián)邦政府在該計劃中的主要執(zhí)行者,。
(4)在競爭的基礎(chǔ)上經(jīng)同行評估進行項目撥款,，以保證最高的學(xué)術(shù)水平。
(5)國際合作伙伴關(guān)系應(yīng)建立在各國資助各自項目的基礎(chǔ)上,。
(6)鼓勵與私人部門的合作,。由于基因組研究和應(yīng)用的巨大潛在效益，私人部門也有一定的投入,，并擁有一定的數(shù)據(jù),，但向公眾開放有限。聯(lián)邦機構(gòu)要與私人機構(gòu)加強合作,，共同投資,，促進開放,。
此外,，植物基因組研究中對有關(guān)知識產(chǎn)權(quán)的處理與人類基因工程有關(guān)政策是一致的,。
三,、NPGI的預(yù)算
為保證該計劃目標(biāo)的實現(xiàn)，聯(lián)邦政府在頭五年內(nèi)的預(yù)算估計至少為3億美元(注：美國的研究經(jīng)費逐年作年度預(yù)算,，并需獲國會批準(zhǔn),，因此該計劃沒有整個5年的確切預(yù)算)。由于基因組研究發(fā)展較快,，新技術(shù)和新發(fā)現(xiàn)可能對研究成本和研究方向產(chǎn)生巨大影響,，因此難以預(yù)測5年后的具體科學(xué)目標(biāo)和預(yù)算需求,。
1998財年植物基因組經(jīng)費已撥給國家科學(xué)基金會4000萬美元,，用于一些基礎(chǔ)性研究,。此外的2.8億美元將作如下大概的分配：
2000萬美元用于加速擬南芥基因組序列研究,，多國擬南芥基因組工程的其他參與國家如歐盟,、法國和日本等也將提供相當(dāng)?shù)馁Y金,；4000萬美元用于大約20%的水稻基因組序列研究,，其他研究由日本和歐盟等其他國家承擔(dān),；3000萬美元用于20種主要經(jīng)濟作物和10種主要種類植物的表達序列標(biāo)識(Expressed Sequence Tags)項目,；1億美元用于特選植物如玉米,、小麥,、大豆、高梁,、西紅柿,、大麥和松樹等的cDNA及其他有關(guān)基因組測序；6000萬美元用于滿足基礎(chǔ)設(shè)施方面的需要,；1.5億美元用于功能基因組研究,。
1999年10月公布的一份報告提議，在今后3年中,，植物基因組計劃需要增加5億美元的經(jīng)費,。
地球上的植物種類繁多，僅美國就有40多種具有重要經(jīng)濟價值的植物種類,，而我國擁有的植物種類更多,。就像人類基因組工程一樣，沒有任何一個國家能夠有足夠的資金和人力來獨自進行大規(guī)模的基因組工程,。因此,，植物基因組計劃也是一個龐大的國際合作計劃。
對植物基因組的研究已將植物生物學(xué)推向了一個新的階段,，并將對農(nóng)業(yè),、環(huán)境、能源和人類健康產(chǎn)生深遠(yuǎn)的甚至難以預(yù)想的積極影響,。(原載于《國外科技動態(tài)》2001年第1期)
