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                        煙草全基因組基因芯片技術:十年之力 邁上自主創新高地

                        2023-05-08來源:東方煙草網 作者:張百厚、范楷

                        2012年,伴隨著煙草基因組計劃重大專項的啟動,國家煙草專賣局組織中國煙草總公司鄭州煙草研究院、云南省煙草農業科學研究院、中國農業科學院煙草研究所、貴州省煙草科學研究院、西南大學、湖南省郴州市煙草專賣局(公司)等單位同步展開了煙草全基因組基因芯片自主設計、系統創制及產業應用項目聯合攻關。

                        如今,煙草全基因組基因芯片技術創新實現了從無到有、從有到優、從優到先的趕超進位,站在了國際煙草基因芯片研究的最前沿。

                        2022年4月,由基因芯片領域院士、領軍專家為主組成的鑒定委員會一致認為,該項目打通了從基因芯片設計到育種產業應用的技術路徑,對于煙草生物育種技術創新具有引領作用,填補了國內外煙草全基因組基因芯片創制應用領域的空白,整體達到國際領先水平。

                        “煙草基因芯片的創新經驗告訴我們,關鍵核心技術是買不來、要不來的,必須自力更生、自主創新。唯有集中精力、團結一心、接續奮進,才能加快實現高水平科技自立自強。”鄭州煙草研究院黨組成員、副院長王德平如是說。

                        自主締造“煙草芯”

                        作為一種高通量分析全基因組水平基因表達和遺傳變異的工具,基因芯片可研究煙草不同生長發育時期的組織和器官基因表達模式、不同育種材料間的遺傳變異,進而鑒定出與煙草生長、發育、抗性、品質等關鍵性狀相關的關鍵基因,是發現基因、研究基因的重要手段之一。

                        那么,煙草基因芯片研究怎么突破?從哪里突破?國家煙草專賣局提出了“自我掌控、自主設計、面向前沿、突出應用”的總體思路。

                        在這一思路的指引下,國家局精心組織項目研發團隊用融合疊瓦式設計理念,在有效覆蓋了36728個林煙草和絨毛狀煙草高度同源基因、38406個林煙草和絨毛狀煙草非高度同源基因、18966個栽培煙草基因,煙草基因探針集總數為2190855個的基礎上,于2012年年底制作完成全球第一套煙草全基因組基因芯片(Tiling)。

                        自主研發Tiling芯片不僅成為煙草基因組計劃重大專項的標志性成果,更給予了研發人員巨大的勇氣與底氣。2013年年初,項目組乘勢而上,按照全轉錄本表達譜探針設計策略,特別針對栽培煙草S、T亞基因組間多拷貝高度同源基因進行有效探針設計甄別,成功研發四倍體煙草全基因組基因芯片(WT);綜合中國煙草基因組數據庫和公共轉錄因子數據庫TOBFAC,設計38423個探針集和172188個探針,研發制作煙草轉錄因子基因芯片(TF)。

                        “Tiling芯片、WT芯片、TF芯片研發數據均源于自主測序數據,自主撰寫芯片設計代碼,自主設計多類型、高密度探針,自主創新研發形成了品類最全、涵蓋基因最多、探針密度最高的全基因組表達譜芯片。”項目組成員、國家煙草基因研究中心主任曹培健自豪地說。

                        為了得到更真實的基因表達數據,項目組設計了樣品采集方案,將溫室和大田栽培的紅花大金元基因表達譜融于一身,組織科研人員分赴生產一線,在規定的時間段、規定的氣候條件下,按照統一技術標準,陸續采集了2220份實驗樣品,覆蓋了主要煙葉品種、煙葉產區,確保了基礎數據的全面性。

                        在曹培健看來,僅僅是完成基因組表達譜芯片,還遠遠不夠,必須通過設計基因變異檢測芯片,獲得一批煙草重要性狀相關功能基因與遺傳材料,為分子育種提供數據支撐。

                        在研發過程中,項目組利用煙草基因組計劃重測序數據,基于Axiom高密度基因分型策略,研制高密度四倍體煙草基因分型430K SNP基因芯片、中密度的55K SNP芯片,主要用于遺傳圖譜構建、基因定位、全基因組分子模塊定位鑒定、定向遺傳改良品種遺傳背景鑒定以及煙草品種鑒定等用途。

                        十年之力,自主締造“煙草芯”。項目組研發團隊構建一個高通量、高精度、高效率的基因表達/變異鑒定平臺和分子育種技術體系,突破了異源四倍體基因組中高度同源基因探針設計難題,解決了異源四倍體SNP二倍體化探針設計瓶頸,研制了全球首套煙草全基因組基因芯片(Tiling、WT、TF、430K SNP、55K SNP),系統繪制了煙草全基因組、多時空、不同組織的基因表達圖譜,揭示了煙草全基因組水平上的基因表達互作調控網絡,創制一系列能夠有效調控煙葉中黃酮醇、綠原酸等品質性狀關鍵代謝物的遺傳材料。

                        創新成果惠發展

                        創新要經得起實踐應用的檢驗。

                        項目組成員、國家煙草基因研究中心研究員楊軍告記者,煙草全基因組表達圖譜有效支撐行業煙草功能基因研究,全面服務于不同類型科研項目/科學研究的基因篩選、基因定位、功能鑒定及生物技術應用研究等,挖掘和克隆煙草重要性狀(品質、低害、抗性、農藝等)功能基因,為煙草功能基因研究和育種應用提供重要的基因資源和遺傳材料。

                        ——利用全轉錄本(WT)基因芯片,有效支撐云南省煙草農業科學研究院、中國農科院青州煙草研究所“云煙300”“云煙301”“中煙300”等新品種培育,完成新品種遺傳背景鑒定和抗病染色體區段定位,確保改良新品種較之原始品種98%以上的遺傳背景恢復率,有效提升煙草定向遺傳改良效率。

                        ——利用煙草全基因組生物育種基因芯片(430K、55K SNP芯片),通過繪制高密度遺傳連鎖圖譜、篩選不同世代優良單株、檢測優良單株遺傳背景、挖掘優良性狀相關分子標記等,有力支撐構建最高精度的煙草全基因組分子模塊庫。

                        ——在國家自然科學基金項目《一個新的煙草黑脛病主效抗性基因qBS-17精細定位》《野生煙草抗番茄斑萎病毒基因的克隆和鑒定》等研究中,應用430K SNP芯片構建了烤煙與雪茄煙組合的高密度遺傳圖譜,將黑脛病抗性主效位點定位于1.1 Mb范圍內,準確定位了普通煙草攜帶的野生煙草抗TSWV導入片段,大幅提升了精細定位主效抗性基因的效率。

                        如今,煙草基因芯片技術研究已為其他作物相關功能基因研究和應用提供了借鑒,在西北農林科技大學、西南大學、西部(重慶)科學城種質創制大科學中心、江蘇省中國科學院植物研究所等科研機構中應用,這是行業對作物科學研究的直接貢獻。

                        項目組錘煉科技原始創新能力,產生了一批原創科研成果,在期刊發表學術論文37篇,其中SCI收錄論文16篇,中科院1區TOP期刊論文1篇;獲專利授權36件,其中發明專利17件;發布行業標準1項。

                        “王中、武明珠在表達譜分析和功能基因挖掘鑒定上作出貢獻,謝小東、羅朝鵬在育種芯片應用方面頗有建樹……”國家局科技司負責人表示,基因芯片項目還培養鍛煉了一支掌握基因芯片研制、檢測、分析、應用以及分子育種、定向改良核心技術的科研團隊,他們潛心于這一領域的研究,成長為具備原始創新能力的骨干力量。

                        創新沒有終點。采訪中,項目組成員表示,要利用好基因芯片這一先進手段,開發利用好未知的煙草功能基因,在煙草生物育種、智慧育種方面取得更多原始性創新成果,堅實支撐行業高質量發展。

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