亚虎国际娱乐

您的位置:亚虎国际娱乐_亚虎国际娱乐pt老虎机_亚虎国际娱乐官方网站 > 绿色农业 > 解锁稻种基因密码 推动生物种质研究
解锁稻种基因密码 推动生物种质研究
发表时间 2017-05-17 10:19 来源 本站原创
  导语:种质又称作遗传质,是决定生物遗传性状并将遗传信息从亲代传递给子代的遗传物质的总称。种质资源即是具有种质(遗传物质)并能繁殖的生物体的统称。在育种学上,植物种质资源是现代育种的物质基础,育种上的每一次突破性进展都离不开种质资源,尤其是关键的优异种质。除此之外,植物种质资源还是生物学理论研究的重要基础材料,生物技术的发展也与植物种质资源密切相关。植物种质资源学是研究植物分类、起源与演化、种质考察与搜集、种质保存、种质评价与鉴定以及种质利用的科学。   为了研究和探索植物种质资源的奥秘,解锁基因组学和生物信息密码,中国科学院昆明植物研究所的高立志研究员潜心探索二十余年,取得了多项关键性成绩。   让世界震惊的发现   2017年伊始,来自中国科学家的一项研究成果颠覆了学界对植物叶绿体基因组的认知,聚集了世界各国的目光——经过历时五年的艰苦研究,科学家发现整个叶绿体基因组都是可以转录的。   相关成果发表在《自然》出版集团的《科学报告》上。审稿专家一致认为:“这一成果首次发现了我们从来没有想象过的现象,颠覆了传统遗传学上认为的只有叶绿体编码基因才能转录以及单个基因逐一发生转录的看法,获得了学界对叶绿体基因组转录模式的新认识,使得我们可以全面重新认识叶绿体基因组的功能,对研究和利用叶绿体的光合作用具有非常深远的意义。”   作为本成果的发现者之一、论文通讯作者,高立志研究员介绍:“我们的研究团队历时五年,通过对三种高等植物:水稻、玉米、拟南芥以及两种藻类(衣藻、灰藻)的叶绿体转录组数据进行分析,惊奇地发现了整个叶绿体基因组都能够发生转录。这种叶绿体基因组的全转录模式意味着,转录不仅发生在大家熟知的叶绿体基因的编码区,而且还能发生在叶绿体基因组的所有非编码区。”   “学术界的传统观点是植物叶绿体基因组是以多顺反子操纵子的方式进行转录的,通俗地说,就是叶绿体基因组的多个基因组合在一起,以同一条转录本的形式进行转录,但这种转录模型并不能解释叶绿体基因组的全转录模式以及转录本的多样性与复杂性,而我们的成果彻底颠覆了这一认识。”高立志说。   叶绿体是地球上的绿色植物通过光合作用把光能转化为化学能、供给地球上的其它生物能量来源的细胞器。可以说,叶绿体是植物的“养料制造车间”和“能量转换站”。对叶绿体的功能和叶绿体基因组转录机制的研究一直是全球细胞生物学家、遗传学家和分子生物学家孜孜以求的研究热点。   高立志研究员和同事们的发现,无疑是具有里程碑式的意义的。他解释,所谓转录,是指遗传信息由脱氧核糖核酸(DNA)变成核糖核酸(RNA)的过程。而转录本,是指由一个基因通过转录形成的一种或多种可供编码蛋白质的成熟的信使核糖核酸(mRNA)。“叶绿体起源于古代的蓝藻,我们用同样的方法对蓝藻的基因组进行了分析,结果表明蓝藻基因组也能全部转录,这说明了叶绿体基因组的全转录模式在植物进化的早期就已经存在,可以追溯到蓝藻。”   基于上述研究发现,高立志研究员和团队提出了一种新的叶绿体基因组双向启动子多重转录模型。他介绍:“这代表了植物的叶绿体基因组几乎能够在任意位置发生转录起始和终止,从而产生了诸多长短不一的转录本;其中很多转录本包含不完整的编码框甚至是假基因。这些转录本经内切酶和外切酶的作用,剪切掉不行使功能的序列,最终形成了具有特定功能的转录本。叶绿体基因组的这种转录起始位点和终止位点可以随机组合的转录模式,产生了若干相互重叠、长短各异的初始转录本,从而形成了我们所观察到的叶绿体基因组全转录现象。”   这项基础性的研究成果将帮助科学家进一步了解叶绿体基因组转录机制和表达的复杂性。可以预期,对叶绿体基因组转录的重新认识将对今后培育高光效的农作物、经济作物、能源植物新品种具有重要的指导意义,也将促进高效光合生物反应器的研制与改良。   引领植物种质基因组学 探索种质资源研究新方向   高立志研究员涉足的范围囊括了基因组学、生物信息学、群体遗传学、进化生物学、保护遗传学、分子生态学、植物种质资源学和作物遗传育种等众多领域,并做出了世界一流的成绩。   近十余年间,高立志瞄准国际前沿的重要科学问题,利用基因组学和生物信息学手段开展研究,对基因重复、转座子、小RNA等在植物基因组结构、进化与功能的贡献等方面取得了一系列有重要国际影响的原创性成果。例如,他的研究首次较为客观地认识了基因重复发生的速率,揭示了重复基因产生后被过去研究者忽视的基因转换现象及其进化机制。研究结果发表在 2004 年的 Science 上,引起了极大反响,迄今已被国际顶尖刊物作为重要文献他引 120 多次,被几乎所有的国际遗传学顶尖综述性刊物(如Nature Reviews Genetics等)重点介绍引用,其科学意义业已产生了重要的影响,并且还将激发大量的后续研究。到目前为止,他已主持或参加完成了近30 个国家和省部级重要项目。   2007年,高立志研究员被国家大科学装置“中国西南野生生物种质资源库”引入。此后他创建了“植物种质资源与基因组学研究中心”的人才团队,主导购置了5000多万元的基因组学与生物信息学实验平台,卓有成效地推动了“植物种质资源与基因组学”学科在我国西南的建设与发展。另外他还力举荐并全面负责引进的基因组学领域国际一流的科学家、美国科学院院士Jeffrey L.Bennetzen教授,入选了中共中央组织部第七批“千人计划”;引进的美国科学院院士Evan E. Eichler教授入选了中共中央组织部第九批“千人计划”,共建了昆明理工大学计算基因组学实验室,实现了云南省领军人才引进的重大突破。   历时两年,他参与了中国科学院战略研究系列报告《创新2050:科学技术与中国的未来》的编研,负责完成了“2050 生物质资源科技领域发展路线图战略研究报告”中的“生物质能源植物基因资源与基因组学”。应环保部的邀请,他于 2011年6月作为中国代表团成员参加了加拿大蒙特利尔《生物多样性国际公约名古屋议定书》的国际谈判,获得预期成果。瞄准国家对热带野生植物基因资源的重大战略需求,他带领的 “云南热带作物种质资源与基因组学”省级创新研究团队,立足于我国西南,面向东南亚,以野生稻、橡胶树、茶树、油茶和云南山茶等为对象,所得成果现已在国内外产生日益重要的影响。   揭秘药用植物三七基因组   三七是举世闻名的传统中药之一,也是云南白药的主要成分,具有非常重要的医药产业价值。“然而,抗病性差、连作障碍、药材品质退化严重及优良新品种匮乏等因素长期以来制约着三七产业的发展。”高立志研究员说。   通过近一年的高效努力,高立志带领的研究团队首次获得了三七较高质量的参考基因组序列,该成果已于近日发表在国际植物学顶尖期刊《分子植物》上。研究发现,三七经历了一系列基因组进化事件后造就了其独特的药用特性。比如,大约 2千6百万年前发生了近期多倍化事件并形成了众多基因簇。基于比较基因组学、转录组学和植物化学比较分析后,科学家进一步证实:快速的基因组功能变异与进化决定了与三七药效息息相关的生物化学成分的多样性。此外,他们还发现,与三七中的有效活性成分“三七皂苷”生物合成相关的大多数基因主要集中在花和叶里表达与合成,然后才转运并储存在根部。“我们的这个发现校正了学界一直认为三七皂苷在根里合成的观点。”高立志说。   三七这一重要二倍体植物参考基因组的获得和相关代谢通路的解析,对三七、人参和西洋参的育种、种植与产业发展具有非常重要的指导意义。   攻克茶树基因组测序难题   2010年,高立志团队在国际上首次上启动了茶树基因组计划,历经7年刻苦攻关,最终通过基因组建库与测序等关键实验技术的掌握和基因组序列拼接、注释与分析等生物信息学平台的构建,攻克了茶树高杂合、高重复和基因组庞大的植物基因组测序的难题(相较于目前已经测序的土豆、西红柿、咖啡和辣椒基因组来说,茶树基因组不仅具有庞大的基因组而且含有大量的重复序列)。   高立志课题组联合华南农业大学、云南农业大学、广东省农业科学研究院、辽宁师范大学、云南省茶叶科学研究所、金华国际山茶园、华中农业大学和华盛顿大学等单位的相关研究团队,于近日率先在国际上完成了栽培茶树大叶茶种(Camellia sinensis var. assamica)云抗10号核基因组的测序和组装,不但成功破译了茶树基因组,而且揭示了茶叶风味、适制性及茶树全球生态适应的遗传学基础。   据悉,高立志团队的这项研究获得了栽培茶树大叶茶种(Camellia sinensis var. assamica)云抗10号约有30.2亿碱基对的高质量基因组参考序列,注释得到36,951个蛋白编码基因。他们的研究结果表明,茶树基因组中重复序列含量极高,约占整个基因组的80.9%;在过去的5000万年以来,茶树基因组中长末端重复序列反转录转座子家族经历了多次大量的爆发,加上它们长期而缓慢地扩增但缺少有效的DNA删除机制,导致茶树基因组变得十分庞大。研究还发现最大的长末端重复序列反转录转座子家族约占茶树基因组的36.79%,这是单个长末端重复序列反转录转座子家族在植物基因组里扩张和生存长达5000万年中的首次报道。   高立志研究员特别强调,他们的研究发现了茶树近期曾经发生过一次全基因组重复事件;茶树基因组里与茶叶的香气、风味与品质密切相关的诸如黄酮、萜类等生物合成相关的基因家族显著地扩增;除了参与黄酮和萜类生物合成的基因家族的大量扩增可以促进茶树环境适应性以外,他们还发现了强烈的自然选择促进了茶树抵抗生物和非生物逆境的抗病基因家族的大量增长。这解释了为什么茶树可以在全球扩散并广泛地种植在亚洲、非洲、欧洲、北美、南美和大洋洲的不同气候条件下的多样化生境中,从成为世界性的饮料植物。   “茶树所在的山茶属植物多达100余种,一个重要但让学界长期困惑的问题是,为什么只是茶组植物的叶子适合制茶,而非茶组植物诸如我们熟知的茶花、油茶和金花茶等的叶片不作为茶饮。”高立志研究员说。为此,他和课题组对大多数茶组植物和非茶组的代表植物——共25个山茶属物种中决定茶叶适制性和品质的三个主要的特征性成分(儿茶素或茶多酚、茶氨酸和咖啡因)进行了植物化学成分比较分析,发现茶树和其它的茶组植物富含茶多酚和咖啡因而区别于非茶组物种,比如茶多酚中的特征性成分(EGCG,EGC,C,EC 和 ECG)的含量在茶组物种之间差别很大但显著地高于非茶组物种,而茶氨酸含量没有显著差别,这说明,高含量的茶多酚和咖啡因决定了山茶属植物能否适合制茶和茶叶风味。基于在茶树基因组里获得的与茶多酚、茶氨酸和咖啡因生物合成相关的基因序列,他们的比较基因组学研究还发现,茶组与非茶组物种共同地拥有与茶叶特征性成分生物合成相关的基因,说明了茶树的三大特征性成分的生物合成途径约在6.3百万年前在山茶属植物的共同祖先里就已形成并且高度保守至今。   经过进一步的比较转录组学研究,高立志和同事们发现与茶多酚和咖啡因生物合成相关的关键基因在茶组植物中的表达水平显著地高于非茶组植物,但是与茶氨酸生物合成相关基因的表达模式在两者之间则无明显区别,说明了茶多酚和咖啡因代谢通路相关基因的不同表达模式决定了山茶属植物作为茶饮的适制性、茶叶的品质和滋味;茶多酚和咖啡因代谢通路相关基因表达的巨大差别导致了茶组不同物种中茶多酚和咖啡的不同富集进而形成了多种多样的茶叶的风味。他们由此指出,一些茶树的野生近缘物种的优异茶种资源,比如厚轴茶含有非常高的茶多酚但是极低的咖啡因,具有培育茶树新品种的巨大潜力;茶组中的栽培茶树的野生近缘物种因蕴藏着丰富的优异新基因,是未来茶叶品质改良的巨大遗传资源宝库。   高立志团队通过三大饮料植物的比较基因组学分析还发现,与咖啡相比,咖啡因生物合成途径在茶树和可可中发生了独立的进化,这与咖啡基因组报道的咖啡因生物合成途径的协同进化的发现明显有别。他们的进一步分析还发现,茶树和其它山茶属植物的咖啡因生物合成途径可能起源于可可,但是后来经历了独立的进化,从而首次证实了茶树咖啡因生物合成途径的近期发生了快速而独立的进化。   高立志研究员介绍,茶树高质量基因组图谱的成功绘制揭示了决定茶叶适制性、风味和品质以及茶树全球生态适应性的遗传基础,必将大大地加速茶树功能基因组学研究和优异新基因的发掘利用,加快旨在提高茶叶品质和适应性的茶树新品种培育。而且还将促进全球野生茶树种质资源的遗传保护,成为新时期中华文化向世界传播的新载体。   破解稻种遗传学关键密码   自1994年至今,高立志研究员与合作者专注我国和世界水稻育种与稻米安全的野生稻资源研究、保护和利用并做出了突出的贡献。他们对我国三种野生稻的近400个自然生境开展了全面的野外调查和取样,获得了包括云南在内的全国野生稻濒危状况的第一手资料,明确了“普通野生稻濒危程度最高,药用野生稻和颗粒野生稻分别次之”的濒危状况,相关事迹被《科学时报》等报刊报道。   同时,高立志团队共抢救性收集了2000多份野生稻活体种质,构建了代表我国不同生态地理分布约4000多个个体的DNA库;他们适时地利用等位酶和微卫星标记对三种野生稻共92个居群2000多个个体开展了大规模的群体遗传学和保护遗传学研究,首次分析了国家种质库和野生稻圃中保存的稻种资源遗传变异的丰富度,评价了我国野生稻异位保存的效果,为我国野生稻原生境保护体系建设与稻种资源的进一步收集保存提供了重要的理论依据。   他们取得的相关研究成果在国际著名刊物上发表20多篇论文,被本领域国际主流刊物发表的论文广泛引用,极大地深化了我国和国际上对野生稻群体遗传变异和保护策略的认识。此外,高立志和国际水稻研究所、云南农科院的合作者还致力于我国野生稻优异基因资源的发掘与育种利用研究,为“滇超1号” 和 “滇超3号” 等水稻新品种的培育做出了贡献。   自2007年起,高立志带领的植物种质资源、基因组学与生物信息学研究团队,独立自主地以低成本首次在国际上完成了稻属 AA-基因组 5 个物种尼瓦拉野生稻、非洲栽培稻、短舌野生稻、展颖野生稻和南方野生稻核基因组的测序和拼接,获得了高质量基因组参考序列。本项成果于 2014 年 11 月 3 日在线发表于美国《国家科学院刊》:“Rapid diversification of five Oryza AA genomes associated with rice adaptation”。发表次日被国务院官网列为新闻要闻。继上述研究成果后,本团队目前完成的还有高度杂合的长雄蕊野生稻和普通野生稻精细图谱的绘制。   高立志研究员介绍,到目前为止,他们与水稻育种利用密切相关的稻属AA基因组8个物种基因组图谱已全部完成。他们在国际上首次构建了多达8个水稻及其近缘物种的比较与进化基因组学研究框架,获得了水稻及其近缘物种基因组与基因功能变异及其适应性进化的崭新认识,为我国和世界优异野生稻基因资源的发掘利用奠定了重要基础。   这一系列成果的获得为我国和世界水稻科学家高效地发掘与利用野生稻种质资源中丰富的基因资源提供了坚实的科学基础与强大的研究平台,奠定了我国科学家在稻种资源与基因组学领域的世界领军地位。同时,高立志带领的团队还致力于水稻杂种不育、多倍体水稻育种和野生稻优异新基因资源的发掘与利用研究并取得了重要进展。例如,他带领的研究团队与华南农业大学刘向东教授合作,历经五年,针对表观遗传修饰中的核心内容之一——DNA甲基化,采用人工合成第48世代的同源四倍体水稻(Oryza sativa ssp. indica, 2n=48)及其对应世代的亲本二倍体籼稻矮脚南特为材料。他们利用亚硫酸氢盐转化测序、小RNA测序、转录组测序等方法,在全基因组水平上开展了多倍化事件发生后DNA甲基化变异与基因组短期效应关系的研究。结果表明二、四倍体水稻的大部分基因表达水平没有差异,四倍体水稻没有因为基因拷贝数目的倍增而表现出剂量效应。转座子DNA甲基化水平在基因组范围内表现出广泛的差异,四倍体水稻DNA转座子的CHG和CHH甲基化水平普遍升高,同时伴随着siRNAs丰度的增加。同时DNA转座子甲基化水平的升高抑制转座子邻近基因的表达,使得尽管四倍体水稻基因的拷贝数目增加但大部分基因表达量维持在与二倍体相当的水平,表现出剂量补偿效应。   本项成果意味着多倍化对基因组造成的冲击带来了转座子DNA甲基化水平的变异,大量地分布在常染色质区域的DNA转座子甲基化水平的升高,很可能干扰了DNA转座子周围基因的表达,使得新产生的四倍体中绝大部分基因的表达水平与二倍体基因的表达水平相当,有利于缓冲多倍化刚发生时基因组即刻倍增与细胞环境结构不能迅速增加之间的矛盾。高立志介绍,这可能是新产生的多倍体适应基因组加倍冲击而成功存活的一条有效途径。他们的这项研究成果首次为多倍化事件发生后植物基因组进化受表观遗传修饰影响的研究提供了重要的理论基础,以“Autotetraploid rice methylome analysis reveals methylation variation of transposable elements and their effects on gene expression”为题发表于国际著名期刊《美国国家科学院刊》。该成果首次为多倍化事件发生后水稻基因组进化受表观遗传修饰影响的研究提供了重要的理论基础,极大地促进了多倍体水稻育种和野生稻优异新基因资源的发掘与利用研究。   凭借着在植物种质基因组学和遗传学方面的诸多重要成果,高立志被联合国粮农组织(FAO)国际植物遗传资源研究所(IPGRI,现名为Biodiversity International)授予 1999 年度 Vavilov-Frankel Fellow 的荣誉称号,并连续地得到了瑞典国际科学基金会(IFS)的两项荣誉资助。他在2008 年入选中国科学院“百人计划”, 同年获得了“引进国外杰出人才”的择优支持,并且入选首届“云南省引进高端科技人才计划”,获得云南省高层次科技人才培引工程专项人才基金的支持;2009 年入选人力资源社会保障部等七部委联合设立的“新世纪百千万人才工程”国家级人选;2011年被遴选为云南省委联系专家,同年入选云南省委首批“百名海外高层次人才引进计划”,并且荣获何梁何利基金会科学与技术创新奖;2012年起享受“国务院政府特殊津贴”;2013年入选科技部推进计划中青年科技创新领军人才。由他领衔的“热带作物种质资源与基因组学”研究团队也于2014年入选了云省创新团队;2016年入选国家万人计划科技创新领军人才,同年入选“科学中国人”年度人物。   除科研工作外,高立志研究员在培养年轻一代人才方面也花费了极大心血。到目前为止他共培养了2名博士后以及博士研究生12人、硕士研究生16人,其中5人次获得国家奖学金,3人次获得中国科学院朱李月华奖学金和中国科学院院长奖学金。他说:“年轻人是一个行业的未来,一个国家和民族发展的希望。看到年轻一代的成长、成才,对我来说比自己取得成绩还高兴。”为了推动我国在植物种质资源研究方面的发展,让科学的火炬一代代传承下去,未来他还将继续奋斗。
亚虎国际娱乐亚虎娱乐城龙8国际齐乐娱乐
优乐娱乐齐乐娱乐优乐娱乐龙8娱乐网址
优乐娱乐亚虎娱乐城龙8国际梦之城娱乐平台
亚虎国际娱乐亚虎国际娱乐pt老虎机亚虎国际娱乐官方网站齐乐娱乐
优乐娱乐齐乐娱乐优乐娱乐龙8娱乐网址