植物比较基因组学

比较基因组学在植物中的研究进展和应用

摘要：比较基因组学是利用某些基因组图谱和测序获得的信息推测其他生物基因组的基因数目、位置、功能、表达机制和物种进化的学科。近10年来植物比较基因组学发展迅速，并获得了一些激动人心的研究成果，甚至使我们对生命和生命科学产生了全新的认识。植物比较基因组学的研究方法主要有比较作图、比较生物信息学，比较遗传图谱的制作及对微观共线性的研究。比较基因组学在植物研究中的应用主要有：比较基因组学在进化和分类研究上的应用，比较基因组学在基因克隆中的应用，比较基因组学在其它遗传研究和作物改良中的应用。

关键词：比较基因组研究方法应用植物比较遗传图谱作物改良微共线性

一．植物比较基因组学的研究方法

1.比较作图和比较生物信息学

比较作图和比较生物信息学是比较基因组学研究方法有两大支柱。基本方法是先用相同的一套cDNA探针对不同物种进行作图，然后用生物信息学方法进行分析。现在发展成为用DNA 序列来比较基因组的方法，尽管这对研究大多数种总基因组间的宏观共线性不太适用，但对研究部分区段的微观共线性还是有效的。

使用同一套探针，可以确定关系较远的基因组间的同源区域，也可比较不同实验室的作图结果。美国康乃尔大学曾确定了一套探针，在过去的几年中向50多个研究单位进行了发放［2］。这套探针包括152 个cDNA（67 个来自水稻、63个来自燕麦、21个来自大麦、1个来自小麦）。这些cDNA满足了以下要求：（1）在Southern 分析中能与大多数禾谷类作物（水稻、小麦、大麦、燕麦、玉米、高粱和甘蔗）基因组杂交；（2）在水稻中为单拷贝或低拷贝；（3）基因组覆盖面大。这些探针的5’和3’端均已测序，序列已送到Gen Bank(序列号为

AA231638-AA231938。其中78%的DNA序列编码的蛋白质序列与已知基因的蛋白质序列有相似性。

在禾谷类作物的比较基因组学研究中，水稻常常也被当作模式植物，因为水稻上已有非常密集的分子标记及其他标记，基因组小。研究发现，其它基因组的连锁群包含有与水稻连锁群同源的区段，只是伴有复杂的重排而已。

同等重要的是比较生物信息学，因为要把不同基因组当作一个整体遗传系统分析和处理还必须开发相应的算法和软件。美国开发出了一个交互显示软件以确定和显示不同种间的保守连锁区段（:8300），另一个互联网站

也提供了水稻基因组的比较图谱（/rice/quickqueries）。该软件综合了水稻、玉米、燕麦和小麦的比较图谱资料，用户可以利用软件提供的一些方法研究进化关系、基因组结构及发现新基因。但比较生物信息学还需要进一步发展已适应更高层次的研究需要。

2. 比较遗传图谱（consensus genetic map）

第一张比较遗传图谱发表于1995年［3］，该图把7种禾谷类作物的遗传图谱用圆形进行对应整合，以水稻连锁区段(rice linkage block,RLB）为单位。这张图谱目前仍在进一步精细化。英国John Innes研究中心开发出了一个专门软件进行这方面工作。目前的比较遗传图谱已可用于快速构建其它禾谷类作物种的连锁图，并用它预测一些关键基因的染色体位置。

尽管绘制于图上的大多数位点是RLFP标记，但也有一些已知基因和同工酶位点有共线性关系。如所有种的蜡质基因（Wx）都位于RLB6a 内，大麦、玉米和水稻的无叶舌基因（Lg）位于RLB4b 内，小麦（Rht）和玉米（d8,d9）中控制赤霉酸不敏感性和株高的基因位于RLB3b 内，小麦(R）和水稻（Rd）的红粒基因位于RLB1b内，控制矮秆和落粒的基因也有相似情况［3,4,5］。

另外，对芸薹属作物Brassica rapa, B. oleracea 和B.nigra也绘制了比较遗传图谱，它们之间有很好的共线性，并与拟南芥也有共线性。共线性的机制是一个很有趣的问题。一方面，不同种携带的基因的差异小于它们所含有基因的等位基因之间的差异。另一方面，控制不同形态学或生理性状的遗传差异可能只是少数基因（调节基因位点）的差异而已。在大多数植物种中均存在差不多相同的生化途径，我们观察到的差异可能是由于这些途径表达的时间、组织或程度的微小变化而造成的。但这方面还需要做更深入的研究才能证实。

3.微观共线性（microcolinerarity）

到目前为止，比较基因组学研究的主要信息来源是为数不多的一些已知基因和尚不清楚的GHI 序列，它们的物理距离相当大。如果我们要在图位克隆中应用比较基因组学的研究

成果，就要求了解是否所有基因的排列顺序都一样，是否各个物种有其独特基因以适应其特殊生长环境等。要回答这个问题，必须对已知共线性区域进行GHI 测序。这方面已取得了

一些进展。Chen等对高粱和水稻的长达19kb 的一个区域（包含A1、Sh2 和一个相同的未知基因）进行了测序，发现同源性只限于外显子（几乎完全相同），而内含子和基因间区域则完全不同，玉米基因间是分散分布的重复序列（主要是逆转座子），而高粱和水稻中重复序列较少。对小麦、大麦、玉米和水稻的基因组中Lrk 基因位点进行分析，也发现了微观共线性的存在[6]

二．比较基因组学在植物中的应用

比较基因组学的重要性在于它把不同的学科、不同的生物种类联系在一起，架起了基础研究和应用研究之间的桥梁。跨种、跨属、跨界的基因组比较对我们了解基因及基因组的结构、基因结构与功能的关系及DNA 变化如何导致生物多样性等有十分重要的意义。

1. 比较基因组学在进化和分类研究上的应用

从比较遗传图谱上可以发现，RLB10C插入到RLB5中即小麦族第1 组染色体和燕麦染

色体A，也可能是禾本科中所有Pooideae 亚科的种所共有的。与此类似，在Panicoideae 亚

科的种的基因组中，则是RLB9插入到RLB7，RLB10 插入到RLB3。由于RLB10 在Pooideae

和Panicoideae 两个亚科中均能见到，可以推测水稻基因组是最原始的。

以前曾假定染色体重排是随机发生的，因此可以作为确定进化时间表的依据，现在从比较基因组学的研究结果看这个假定存在一定问题。例如，普通小麦的D染色体组与水稻基因组的共线性有11个断点，二者的染色体基数分别为7和12；小麦和黑麦的基因组共线性有11 个断点，小麦和小伞山羊草的基因组共线性有12个断点，它们的染色体基数均为7；小麦D 染色体组与大麦基因组的共线性则没有断点。说明这些物种的形成时间显然与共线性的断点没有直接关系。但是，用比较基因组学方法可以从某种程度上判断基因组结构形成的时间早晚。例如，在玉米中DNA片段常常重复，它们可能是多倍体发生的结果，即在早期曾是四倍体，其发生应在玉米从甘蔗和高粱分开之后，因为后两者的基因组没有这么多重复现象。Wilson 等用B262个玉米的cDNA 探针对水稻进行作图，鉴定出相对水稻的20个染色体重排，它们包括水稻连锁群的端粒融合和巢式插入、染色体内倒位和非对等易位。他们提出玉米的祖先基因组有8个连锁群，玉米进化中，这个祖先基因组发生重复（同源多倍体）或因种间杂交（异源多倍体）而产生四倍体状态。玉米染色体2和10，3 和4上的同源区段发生的四次重复分别对应于水稻染色体11和12上的内部重复区段，说明水稻基因组的重复的发生早于Panicoideae亚科和Oryzoideae 亚科的分化。

比较基因组学还可以为研究不同种类基因的进化提供线索。例如，对水稻、大麦和谷子的抗病性抗性基因同源物进行作图，发现这些基因可能比其它基因进化快[7]。

2. 比较基因组学在基因克隆中的应用

如果确定了共线性关系，那么就有可能应用图位克隆技术从基因组较小的模式植物中克隆较大基因组中的基因（如从水稻中克隆小麦基因，从拟南芥中克隆油菜基因），但该基因也需要进行精细定位。曾利用这种策略在水稻上克隆小麦中的控制染色体配对的基因Ph，克隆大麦中的控制条锈病抗性基因。尽管这两个实验不是非常圆满，但发现对应区域的共线性还是很明显的。跨物种基因克隆策略的有效性与微观共线性的程度密切相关。杜邦公司曾对水稻的Adh1-Adh2 区域（330kb）进行测序，发现所有基因均在玉米上找得到，管家基因共线性好而与已知抗病性基因同源的序列保守性差[8]。因此，通过这种方法来克隆抗病性基因还需要做更多工作。

3.比较基因组学在其它遗传研究和作物改良中的应用

比较基因组学研究发现，存在生殖隔离的物种的基因组其实高度保守，这对很多遗传研究和作物改良具有启发意义。对控制数量性状和质量性状的基因进行比较，发现数量性状位点（QTL）和主基因常常是相同的。如果已从一个种中克隆出控制某性状的基因，那么它也可能是对应的QTL候选基因。从一个种的表型突变体中鉴定出的候选基因还可以在其它种中检测它对相关性状的效应。通过比较基因组学研究，可以鉴定出每个种中每个基因的作用，发现造成种间差异的遗传变化及其原因[9]。概括起来，比较基因组学给我们提供了一个新的基因发现方法。例如，玉米和高粱可能拥有相同的抗旱性途径，高粱长期在干旱环境下进化而获得了优良的等位基因，如果鉴定出高粱的抗旱基因，那么通过转基因途径也可使玉米获得抗旱性。准确地说，这种方法其实是使玉米的等位基因变异拓宽了。比较基因组学的研究成果可以使遗传研究和作物改良的思路和策略发生改变。