林业科学  2012, Vol. 48 Issue (1): 159-166   PDF    
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江泽慧
Jiang Zehui
竹类植物基因组学研究进展
Progress in Bamboo Genomics Research
林业科学, 2012, 48(1): 159-166.
Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(1): 159-166.

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收稿日期:2011-08-30
修回日期:2011-11-15

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江泽慧

竹类植物基因组学研究进展
江泽慧    
国际竹藤网络中心 国家林业局竹藤科学与技术重点开放实验室 北京 100102
摘要: 述竹类植物基因组学研究进展,包括RAPD,RFLP,AFLP,ISSR等分子标记的开发与应用,开花、细胞壁生物合成、光合作用、抗逆等相关的重要功能基因研究,基因组测序与比较基因组学等; 在分析和综述的基础上,提出竹类植物分子生物学研究基础薄弱、功能基因鉴定困难等不足,并明确遗传转化体系的建立、比较基因组学与功能基因组学研究、分子标记辅助育种是今后竹类植物基因组学研究的重点。
关键词:竹类植物    基因组学    分子标记    功能基因    测序    比较基因组学    
Progress in Bamboo Genomics Research
Jiang Zehui    
Key Laboratory of Bamboo and Rattan Science and Technology of State Forestry Administration International Center for Bamboo and Rattan Beijing 100102
Abstract: The progress of genomics research on bamboo is summarized in this review. I focus on development of molecular markers (RAPD, RFLP, AFLP and ISSR) and their application on bamboo studies, including bamboo genes related to flowering, cell wall synthesis, photosynthesis and stress tolerance, the genome sequencing of bamboo and comparative genomics with other species. The basic research on bamboo genomics is still missing and the bamboo gene functions are hard identified. Therefore, bamboo genetic transformation system should be established, and the research on comparative and functional genomics and the molecular marker-assisted breeding should be emphasized in the future.
Key words: bamboo    genomics    molecular marker    functional gene    sequence    comparative genomics    

随着现代生物技术及其相关科技的飞速发展,探究生命的奥秘已成为21世纪的科学热点。自1986年创立基因组学的概念以来,其相关研究不断深入并被广泛接受,目前基因组学已成为生命科学领域最活跃、最有影响的前沿学科。与此同时,基因组注释与功能基因组研究也得到了迅速发展,基因组学的研究已深入到生命科学的各个领域,正在深刻地影响着生命科学未来的发展方向(杨金水,2007)。自模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻(Oryza sativa)完成全基因组测序以来,有许多种植物相继开展了全基因组测序,其中禾本科(Poaceae)植物大麦(Hordeum vulgare)、高粱(Sorghum bicolor)、二穗短柄草(Brachypodium distachyon)、小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)等相继完成,但竹亚科(Bambusoideae)植物的全基因组测序尚属空白。

竹类植物属于禾本科竹亚科,是非常重要的森林资源,在全球森林覆盖率日趋减少的情况下,竹子以其生长迅速、可再生性强的特点,在缓解木材供需矛盾、促进生态建设和环境保护方面发挥了重要作用,其开发利用在全球范围内引起了高度关注。因此,作为基础性研究竹类植物基因组学日趋受到重视。目前,竹类植物基因组学研究主要集中在分子标记的开发与应用,功能基因的分离与特征分析,基于高通量测序的EST、全长cDNA、基因组的分析与比较基因组学等方面。

1 分子标记的开发与应用

分子标记是以遗传物质内核苷酸序列变异为基础的遗传标记,能够反映生物个体或种群间基因组中某种差异的特异性DNA片段(方宣钧等,2001)。分子标记技术已被广泛应用于动植物及微生物的遗传图谱构建、基因定位、遗传多样性分析、亲缘关系鉴别、基因组结构检测、基因克隆等方面的研究。对于大多数以无性繁殖的竹类植物来说,分子标记技术主要应用于遗传多样性、系统进化分析、种质鉴定等方面的研究。

1.1 遗传多样性分析

竹类植物丰富多彩,全世界有70多个属1 200多种,在生态系统、物种、遗传多样性方面均具有复杂性,人们应用RAPD,RFLP,AFLP,ISSR等分子标记技术来试图揭示竹类植物个体或群体差异的特异性。

RAPD技术被最先用于竹类植物遗传多样性研究。对玉山竹(Yushania niitakayamensis)的研究结果显示,是地理隔离和纬度差异导致了群体分化,其多样性是由于生境差异而造成的小地理分化(Hsiao et al., 1994; 1999); 对毛竹(Phyllostachys edulis)种下的7个变型或栽培型及其同属的2个近缘种进行遗传关系的研究(师丽华等,2002),以及对来自6个群体的30丛撑篙竹(Bambusa pervariabilis)个体的遗传变异研究(邢新婷等,2003)进一步证实了RAPD分子标记对竹类植物种内遗传多样性研究的有效性; 对雷竹(又名早竹) (Phyllostachys violascens) (方伟等,2001)、绿竹(Bambusa oldhamii)(余学军等,2005)的研究表明,RAPD分子标记对竹类植物种以下等级进行分类有一定的可靠性。同样,RAPD分子标记也可以用于属间关系的研究(杨光耀等,2001)。

AFLP分子标记技术结合了RFLP和RAPD技术的特点,已成为植物亲缘关系、种质鉴别及遗传多样性研究的有效手段之一。对刚竹属(Phyllostachys) 23个种、苦竹属(Pleioblastus) 2个种、唐竹属(Sinobambusa) 1个种的AFLP多样性分析的数据提示,在系统学研究中足够数量的AFLP引物组合是获得准确聚类关系的基础(李潞滨等,2008)。在检测箬竹属(Indocalamus) 16个种和5个形态相似的外源竹种的基因组DNA多态性时发现,所有的箬竹属植物聚成一类,其他5种外源竹类植物聚成一类; 同时AFLP分析提供的分子证据支持了耿氏分类系统,将天目箬竹(Indocalamus migoi)归入阔叶箬竹(Indocalamus latifolius)中(牟少华等,2009)。对筇竹(Chimonobambusa tumidissinoda)2个种群的遗传多样性的分析结果表明,筇竹种群内有较高的遗传多样性,有利于筇竹种质资源的保存(茹广欣等,2010)。

随着竹类植物基础研究工作的进一步开展,竹类植物的ITS(Hodkinson et al., 2000),ACGM(董德臻等,2007),ISSR (阮晓赛等,2008; Lin et al., 2010b),SSR (Tang et al., 2011),EST-SSR (杨丽等,2011)等分子标记相继被开发,用于遗传多样性分析。为了提高分子标记的有效性,还出现了2种或3种分子标记联合使用的方式,并取得了良好的效果。对四川不同地区的梁山慈竹(又名大叶慈)(Dendrocalamus farinosus) (蒋瑶等,2008)、硬头黄竹(Bambusa rigida) (蒋瑶等,2009)的研究结果表明,采用RAPD和ISSR 2种分子标记联合分析,可以有效地鉴定种内遗传多样性; 对于种内种质采用联合鉴别分析的方法可以有效提高种质鉴别率,对10份毛竹种质采用3种标记的数据联合判别分析结果显示:其效果顺序为(AFLP + ISSR + SRAP)>(AFLP + SRAP)>(SSR + SRAP)>(AFLP + ISSR)(郭起荣等,2010)。

1.2 系统进化分析

由于竹类植物种类繁多、形态性状复杂多变、多年生一次性开花等原因而成为系统发育学研究难点。竹子传统的形态学分类主要依赖于花以外的营养器官,而形态学分类方法本身又存在局限性。分子标记技术是基于PCR技术进行DNA序列的选择性扩增,扩增产物的多态性能够用于判断不同物种之间的系统进化关系。因此,利用遗传物质DNA来进行竹类植物的系统进化研究有着明显的优势。

采用RAPD分子标记能够有效地分析竹类植物近缘种的亲缘关系、判定遗传距离(杨萍等,2004),对苦竹(Pleioblastus amarus)及近缘竹(共17个竹种)的亲缘关系的研究结果表明,大明竹(Pleioblastus gramineus)与小黄苦竹(Oligostachyum fujinensis)的遗传距离最大,为0.635 6,衢县苦竹(Pleioblastus juxianensis)与硬头苦竹(又名晾衫竹)(Sinobambusa intermedia)的遗传距离最小,为0.249 0。

由于叶绿体基因组的保守性,其DNA较早地应用于竹类植物系统进化研究,如ndhF (Clark et al., 1995),rps4(Nadot et al., 1995)以及rpl16的内含子(Kelchner et al., 1997)等。另外,应用非核基因DNA开展系统进化分析研究还有核糖体DNA内转录间隔子区(Guo et al., 2002; Sun et al., 2005)、线粒体基因rpsl4(Ong et al., 2006)和质体psbA-trnH,rpl32-trnL和rps16内含子序列(Yang H Q et al., 2008; Yang J B et al., 2010)等。同时,核基因如开花基因FT(Yoko et al., 2008)、MADS1TB1和分蘖基因MOC1(桑庆亮,2007)等也被用于研究竹类植物的系统进化,还有通过一些全长mRNA基因序列比较物种之间的系统进化(樊龙江等,2006),分别从不同角度在不同竹种范围内探究了竹类植物的进化关系及其在禾本科系统进化中的地位。假基因(pseudogene)是透视物种进化的痕迹之一(Gerstein et al., 2006),而转座子与假基因的出现颇有相似之处,因此近年来转座子在竹类植物演化中的遗传特性也受到了研究者的关注。对转座子元件(Ponglike elements,Mariner-like elements) (Zhong et al., 2010; Zhou et al., 2010a; 2011c)及转座子反式元件(Ty1-copia retroelements) (Zhou et al., 2010b)遗传特性的分析显示,它们具有较好的多态性,但转座子元件的系统学分析结果与竹类植物的系统进化并不存在直接联系。因此,真正诠释竹类植物的系统进化需要从全基因组的水平来进行。

1.3 种质鉴定

竹类植物有草本竹、木本竹,有丛生竹、散生竹、混生竹,其种质的鉴别主要基于竹种的形态特征,而当竹种的形态特征不完整时其鉴定就比较困难,尤其是种间杂种,其真实性很难从形态角度与亲本相区分。分子标记正好弥补了形态学鉴别的不足,能够从遗传物质DNA水平来客观、准确地检测不同竹类植物种质间的差异。Friar等(1991)首先应用RFLP方法对26种竹子的42个不同基因型进行了研究,根据品种间亲缘关系鉴定出25种为散生竹。

SSR在基因的不同位置均有分布,且具有不同的功能,5’非翻译区的SSR具有转录调控功能,内含子内的SSR调节基因的表达,外显子中的SSR会影响基因的转录、mRNA的剪切与运输等(Li et al., 2004)。SSR可能与其表型有着密切关系,作为筛选标记更为有效。因此作为DNA分子标记中的典型,SSR已广泛应用于真假杂种的鉴定(de Oliveira et al., 2002)。随着竹类植物基因组序列和EST序列的不断增加,为SSR标记的筛选提供了大量的数据来源,通过生物信息学分析可挖掘出有效SSR分子标记。利用NCBI公共数据库中毛竹基因组GSS(genome survey sequences)序列开发出来的SSR标记对杂交竹种的鉴别结果表明,在3个SSR位点(PBM014,PBM018和PBM025)上扩增产物的电泳条带分别为其父母本条带的组合,测序结果表明杂种和亲本之间的相对应的序列具有同源性,证明了杂交竹种的真实性(卢江杰等,2009)。利用EST序列开发出来的EST-SSR分子标记,因其来自表达序列表现为共显性标记,在亲本与子代之间的可转移性较高(Bouck et al., 2007),所以对于杂种的鉴定更为有效。利用从乌脚绿竹(Bambusa odashimae)和绿竹cDNA文库中开发的EST-SSRs,对花竹(Bambusa textilis)与麻竹(Dendrocalamus latiflorus)、版纳甜龙竹(Dendrocalamus hamiltonii)与麻竹、撑篙竹与绿竹的种间杂种真实性的鉴别均取得了良好的效果,对于这些共显性标记,相对应的杂交竹种扩增产物的电泳结果分别表现为其父母本条带的组合,测序结果进一步验证了杂种和亲本之间的序列具有同源性,证实了EST-SSR分子标记的有效性(吴妙丹等,2009; Dong et al., 2011)。

除了利用竹类植物自身开发出来的分子标记来进行种质鉴别外,其他植物的通用性分子标记,尤其是竹类植物近缘种水稻、玉米、小麦、大麦等的分子标记也可作为很好的借鉴。娄永峰等(2010)参考加拿大哥伦比亚大学(UBC)的ISSR引物序列,从中筛选出8个多态性较高的引物用于假毛竹(Phyllostachys kwangsiensis)和毛竹的正反交疑似杂种H1和H2的遗传距离分析,结果表明杂种H1,H2在基因组水平上与双亲之间存在明显差异,父本的遗传信息已渗入子代,证实了2个疑似杂种的真实性; 2个杂种之间、杂种与父母本之间均存在丰富的遗传变异,并且2个杂种在亲缘关系上偏向于假毛竹。

2 功能基因研究 2.1 开花相关基因研究

不同竹种的开花时间、周期各异,因此开花生物学和生殖生物学一直是竹类植物研究中的难点,极大程度地限制了竹类植物杂交育种工作的开展。分子生物学技术的飞速发展为从分子水平来研究竹类植物的花发育提供了良好的借鉴。

MADS-box基因家族是花发育调控中一类重要的转录因子,参与器官发育、开花时间的控制。田波等(2005)采用RACE技术从丛生竹麻竹克隆到了一个MADS盒基因DlMADS18,并通过在拟南芥中异位表达的表型分析,初步证明该基因很可能参与麻竹开花时间的调控。高志民等(2010b)采用RT-PCR和RACE技术,从毛竹中分离了MADS-box基因PeMADS1,应用农杆菌介导将目的基因转入拟南芥中异位表达,转基因拟南芥具有开花提早、莲座叶卷曲、发育迟缓等表型,表明PeMADS1很可能参与毛竹由营养生长转向生殖生长的发育调控。同时,还有一些与竹类植物开花相关的基因,如BoMADS1(高志民等,2007b)、RFT1(Hisamoto et al., 2007)、TB1(肖新超,2007)、CONSTANS(崔丽莉等,2010)等相继被克隆,并进行了相应的功能预测与表达分析。

2.2 细胞壁生物合成相关基因研究

细胞壁是植物细胞的界限膜,是构成植物的实体,它的功能几乎与植物的一切生命活动都有关联,其生物合成的研究一直备受关注。竹类植物细胞壁直接影响竹材的材性,人们已经开始从分子水平、蛋白水平对其生物合成的相关基因及其编码的蛋白进行研究。

细胞壁重要组分木质素、纤维素等多糖及单糖的生物合成调控一直是细胞壁研究的热点。苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia-lyase,PAL)是苯丙烷类代谢的关键酶,是细胞壁重要组分木质素生物合成的第1个酶,研究表明从绿竹笋壳中分离的PAL具有PAL/TAL的双重活性,在绿竹内有4个同源基因(Hsieh et al., 2010a; 2011);体外表达研究证实,其中BoPAL2BoPAL4表达的蛋白具有PAL /TAL双重活性(Hsieh et al., 2010b),而BoPAL1,BoPAL3表达的蛋白仅有PAL活性,这意味着在绿竹体内的不同PAL可能编码PAL的不同亚基,行使各自的功能。咖啡酸-O-甲基转移酶(COMT)是木质素生物合成的另一关键酶,作者所在研究组对转反义绿竹COMT基因烟草(Nicotiana tabacum)的木质素含量测定结果显示,转基因株系木质素含量都有不同程度的变化,其中下降最多的木质素含量比对照下降了28.7%,说明抑制植物内源COMT的表达有效地降低了烟草中木质素含量。蔗糖合成酶基因是最早从竹子中分离出来的参与糖类代谢的基因,在绿竹中至少有4个同源基因,其表达丰度与其生长速率相一致,但在不同部位的表达丰度却存在着一定的差异,体外表达的蛋白活性检测显示,重组蛋白rBoSuS1,rBoSuS2,rBoSuS3和rBoSuS4对蔗糖底物的活性分别为0.115,2.397,0.804和0.306 U·mg-1,这意味着4种基因编码的蛋白在竹子体内有着各自不同的功能,对竹子细胞壁的发育以及速生发挥着重要作用(Chiu et al., 2006)。当然,已经分离的参与竹类植物细胞壁生物合成的基因还有CoCOMT(李雪平等,2008),F5H(杨学文等,2009),PePAL1(高志民等,2009),PheCYP-1(杨学文等,2010),C4H (金顺玉等,2010),BoSUT2 (高志民等,2010a)和PpCesA1(杜亮亮等,2010)等。

2.3 光合作用相关基因研究

竹类植物速生的特点意味着其可能具有较强的同化能力,而其同化能力是通过光合作用的分子调控来实现的。近年来,已有从分子水平来探讨竹子光合作用相关内容的报道,如对绿竹中lhcb1 (高志民等,2007a)、lhca4基因(李雪平等,2010)的分析与表达研究,对毛竹、红壳竹(Phyllostachys rutila)和角竹(Phyllostachys fimbriligula)中lhca基因的克隆与分析(唐文莉等,2008a; 2008b)。作者所在研究组(刘颖丽,2008)从毛竹中分离到12个捕光色素结合蛋白基因,分别属于PSⅡ的lhcb1lhcb2lhcb3lhcb4lhcb5lhcb6类基因,其中lhcb1lhcb2lhcb3编码的蛋白属于大量捕光天线,lhcb4lhcb5lhcb6编码的蛋白属于微量捕光天线。蛋白结构预测表明,lhcb1lhcb2lhcb3类基因编码的蛋白均包含导肽,且成熟蛋白的二级结构均包含4个α螺旋结构、3个类胡萝卜素结合位点以及相应的叶绿素a,b结合位点。组织特异性表达检测表明,6类基因在叶片、叶鞘和幼茎中均有表达,且在叶片中最高,而在根中未检测到表达。在强光照射(1 500 μmol·m-2s-1)条件下,6类基因的表达量均呈现下调的趋势。体外表达毛竹lhcb1lhcb2lhcb3编码成熟蛋白并与类囊体色素重组形成复合体的特征显示,Lhcb1和Lhcb2均能形成单体和三体,而Lhcb3不能; 不同重组单体和三体的蛋白序列特征、色素构成、光谱特征和热-光稳定性分析结果表明,Lhcb3的各方面特征明显不同于Lhcb1和Lhcb2,Lhcb3具有较低的传递能和较高的热稳定性,在单体中Lhcb2最稳定。这意味着在可变的环境中竹子不同的Lhcb蛋白可能在光能捕获和过剩能量的耗散中发挥着不同的功能。

2.4 抗逆相关基因研究

随着全球环境的变化,干旱、高温、低温、盐碱、重金属等非生物胁迫已经成为影响植物正常生长发育的重要限制因子,开展竹类植物抗逆相关基因研究对于通过基因工程培育抗逆新品种具有重要价值。锌指蛋白(zinc finger protein)基因家族是一个庞大的转录因子家族,对干旱、高盐和低温等非生物胁迫具有一定的调节作用。刘志伟等(2010)从毛竹中分离了PeZFP基因,其编码蛋白与其他锌指结构蛋白有较高的同源性,序列C端具有典型的AN1类型的锌指结构Cx2-4Cx9-12cx2Cx4cx2Hx5HxC,在N端具有典型的A20类型锌指蛋白结构,推测此PeZFP为植物抗逆OsIAP1类似基因,在功能上与毛竹抗逆性相关。作者所在研究组从绿竹中分离到1个B-Box型锌指蛋白基因BoBZF(GenBank登记号:EU606025),其编码的蛋白具有2个B-Box结构域,属于B-Box型锌指蛋白; 组织特异性表达显示BoBZF为组成型表达,在叶片、叶鞘、幼茎和根中均有表达,其中在叶片的表达丰度较高; 在拟南芥中异位表达,转BoBZF基因植株耐旱性明显提高,意味着BoBZF与植物的抗旱能力有关。另外,抗逆相关基因如甘油醛-3-磷酸脱氢酶基因(杨洋等,2010)、β-1,3-葡聚糖酶基因(张艳等,2010)、液泡膜Na +/H+逆向运输蛋白基因(张智俊等,2011)等也相继从毛竹中分离,对于未来的竹类植物分子育种提供了有益的参考。

除了以上几类功能基因研究外,还有通过消减抑制杂交鉴别毛竹节间快速延长的表达序列标签(Zhou et al., 2011a)、紫竹(Phyllostachys nigra)多酚氧化酶基因(王弋等,2010)、赤霉素的信号传导相关基因BvCIGR(Zhou et al., 2011b)等一些功能基因克隆与分析的相关报道,但均缺乏深入的功能研究。

3 测序研究 3.1 第1代测序技术的应用

在基因组学研究中,DNA的序列分析是进一步研究和改造目的基因的基础。利用手工测序进行竹类植物的研究尚未见报道,随着自动测序成为DNA序列分析的主流,竹类植物DNA序列研究报道也随之增加,如前所述的各类基因都是通过自动测序技术获得碱基序列来进行生物信息学分析与功能初步验证的。截至2008年1月NCBI中竹亚科的基因组序列2 586条,胡娇丽等(2008)对其相关信息进行了统计分析,并对其在GSS序列、分子标记、基因克隆、系统进化等方面的应用进行了论述。

随着测序技术的不断发展,第1代测序仪的多通道技术很好地提高了测序效率。利用ABI的3700测序仪分别从绿竹的花芽和竹笋cDNA文库中获得了4 470和3 878条EST(Lin et al., 2010a),应用ABI的3730测序仪分别获得了麻竹和绿竹叶绿体基因组数据139 350 bp和139 365 bp(Wu et al., 2009),并对获得数据进行了相应的分析。作者所在研究组应用ABI的3730XL测序仪对毛竹不同材料类型的全长cDNA文库进行测序,获得了37 797条5'端序列,包含了10 608个全长cDNA序列,平均长度为1 092 bp,其中82%的序列含有100个氨基酸以上的ORF,并首次在接近基因组的水平上对竹类植物结构基因特点进行了分析研究(Peng et al., 2010); 另外,还通过对麻竹叶片均一化文库的测序,获得了9 574个高质量的EST,经组装得到5 317个unigenes (Gao et al., 2011)。利用TIGR Plant Transcript Assemblies数据库,将竹亚科的毛竹与稻亚科(Oryzoideae)中的水稻,早熟禾亚科(Pooideae)中的小麦、大麦和二穗短柄草,黍亚科(Panicoideae)中的玉米、高粱、甘蔗(Saccharum officinarum)和柳枝稷(Panicum virgatum)等进行序列比对,发现在禾本科植物中毛竹序列与水稻相似性最高,达49.2%;在9个禾本科物种和1个旁系物种拟南芥中找到了43条同源序列,总计38 418 bp,利用最大可能性方法和Bayes inference方法得到的进化树表明竹亚科和早熟禾亚科亲缘关系更近,而由Neighbor Joining方法得到的进化树则显示竹亚科和稻亚科亲缘关系更近(Peng et al., 2010)。

3.2 第2代测序技术的应用

目前,第2代高通量测序技术已广泛应用于生物基因组测序,在竹类植物上的应用也得到了较快发展。利用罗氏公司的454 GS FLX测序仪和ABI公司的3730xl测序仪相结合的手段对毛竹11个BAC克隆进行了研究,获得了2个完整的BAC全序列(GQ252886和GQ252887),所得基因组序列与水稻、高粱基因组之间表现为较高的共线性,这意味着水稻、高粱的已知序列对于解密竹类植物基因组具有重要价值(Gui et al., 2010)。利用Illumina公司的Solexa测序仪测定了1种热带竹子和5种温带竹子的叶绿体基因组全序列,并与已知的2种竹子叶绿体基因组序列(Wu et al., 2009)比对发现,竹亚科植物的叶绿体基因组非常保守,具有良好的共线性和较低的分子进化速率,利用现有的禾本科植物叶绿体基因全序列构建的禾本科系统发育树显示,竹亚科和早熟禾亚科为姐妹群关系,在竹亚科分支中热带分支和温带分支分别为2个很好的单系,证明采用叶绿体系统发育基因组学手段对温带竹子进行系统发育重建是比较行之有效的方法(Zhang et al., 2011)。

然而,对于竹类植物全基因组测序的报道尚属空白,为加速中国林木遗传育种进程,使中国林业在微观领域有所突破,2007年作者率先倡导了中国林业第1个物种的全基因组测序计划———毛竹基因组测序研究,并联合国内优势单位付诸实施。该项目利用Solexa测序与BAC末端测序相结合的策略来进行,目前已经组装获得了接近2 Gb的基因组序列总量,相当于毛竹全基因组序列总量的90%以上,具体数据即将公布。

高通量测序技术加速了揭开竹类植物遗传奥秘的进程,通过测序既可以了解单个基因的结构,进行功能预测、开展功能研究,又可以了解整个基因组结构与组成,开展比较基因组学研究,通过生物信息学开展竹类植物系统发育学和进化研究,探讨竹类植物在禾本科或者整个植物界的系统演化关系、进化速率等。同时,可以开发出大量有益的分子标记,用于竹类植物的分子辅助育种。

4 研究与发展趋势

竹类植物资源是陆地森林生态系统的重要组成部分,具有良好的生态、经济和社会效益,在我国已成为林业发展中的一个新的经济增长点,其基础性研究日益受到重视。纵观竹类植物基因组学研究进展,在分子标记的开发与应用,功能基因的分离、测序与分析,比较基因组学等方面均取得了可喜的进展,我国对竹类植物基因组学的研究也走在了世界前列。但由于竹类植物自身的特殊性,导致其结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学等基础性研究尚存在许多不足,尤其是对竹类植物分子育种的相关研究,明显落后于其他模式植物与农作物,这意味着竹类植物的基因组学研究有着巨大的发展空间。

4.1 新1代测序技术的开发与应用

随着各种现代科技手段的迅速发展,焦磷酸测序、半导体测序(Rothberg et al., 2011)技术不断完善,同时又出现了一些新的测序技术,如荧光焦磷酸测序(Sims et al., 2011)、金纳米粒子的高通量长片段单倍型分析技术(Chen et al., 2011)等,这为竹类植物的基因组学研究提供了强有力的支撑,伴随着高通量测序技术在竹类植物上的应用,竹类植物的基因组学必将得到全面的发展。

4.2 新遗传学理论的借鉴与指导

在以经典遗传学理论为指导的实践中,出现了许多无法用传统遗传理论来解释的生命现象,伴随研究的不断深入,新的遗传学理论———DNA拼图理论已被提出(Wu et al., 2006),该理论认为任何生物的基因组都是由40种元件构成,其中包括6种结构元件(GC含量、基因、转座子、反转座子、简单重复序列和低级结构重复)、3种进化相关的元件(重组率、碱基替换和碱基插入与缺失)和31类功能基因,该理论的正确性不断得到证实(Chang et al., 2011)。这为竹类植物的研究与开发带来了新的思路,有助于开发调控竹类植物重要性状的功能基因,并用于竹类植物的聚合分子育种。

4.3 重要研究方向

要实现竹类植物基因组学的全面发展尚需在以下几个方面深入开展研究: 1)遗传转化体系的建立与优化; 2)全基因组的深度测序与比较基因组学研究; 3)大片段基因组转化与功能基因组学研究; 4)多种分子标记的开发与辅助育种应用研究。伴随着竹类植物基因组学研究工作的全面展开,其基础研究将会有飞跃性的发展,培育具有自主知识产权的竹类新品种将逐渐变为现实。

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