植物功能基因组学概述XXX*(XXXXX)摘要：植物功能基因组学是从整体水平研究基因的功能及表达规律的科学。

对植物功能基因组学的研究将助于我们对基因功能的理解和对植物性状的定性改造和利用。

本文简要介绍了植物功能基因组学的概念、研究内容和研究方法。

关键词：植物；功能基因组学；ESTs；SAGESummarize of Plant Functional GenomicsXXX（XXXXX）Abstract：Plant functional genomics studies provide a novel approach to the identification of genome-wide gene expression. It is currently being widely focused on the gene expression by transcript profiling and takes us rapidly forward in our understanding of plant biological traits. In this review, comprehensive of concepts, research contents and methodologies regarding plant functional genomics and transcript profiling are described.Key words: Plant; functional genomics; ESTs; SAGE1 植物功能基因组学基因组学(Genomics)是20世纪最后10年研究最活跃的领域之一。

基因组学是指对所有基因的结构和功能进行分析的一门学科, 1986年由美国科学家Thomas Roderick提出, 兴起于20世纪90年代[1]。

基因组学研究分为结构基因组学( structural genomics) 和功能基因组学( functional genomics)。

结构基因组学代表基因组分析的早期阶段, 以建立生物体高分辨率遗传、物理和转录图谱为主, 以研究基因序列为目标。

功能基因组学(Functional genomics)的研究又被称为后基因组学(Post genomics)研究，它是利用结构基因组学提供的信息和产物，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使得生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转向对多个基因或蛋白质同时进行系统研究。

植物功能基因组学是植物后基因时代研究的核心内容,它强调发展和应用整体的(基因组水平或系统水平)实验方法分析基因组序列信息、阐明基因功能,其特点是采用高通量的实验方法结合大规模的数据统计计算方法进行研究。

基本策略是从研究单一基因或蛋白质上升到从系统角度研究所有基因或蛋白质。

在植物功能基因组学的研究中，拟南芥和水稻是两种最常用的模式植物。

目前, 功能基因组学在水稻、拟南芥等模式植物中取得了较快进展, 主要原因在于这两种植物已完成全基因组测序工作[2], 获得了结构基因组数据, 且遗传背景清楚, 易于开展分子生物学研究, 已率先步入后基因组时代。

2 植物功能基因组学研究内容2、1基因组多样性研究[1]*联系人Tel：XXXXX；E-mail：XXXXX生物多样性是普遍存在的自然现象, 通过研究生物多样性, 可以获得不同个体之间的遗传变异情况, 揭示不同个体存在差异的原因, 进而获得有经济价值的高产、优质、抗病、抗虫及抗逆基因等。

其基本方法是在全基因组水平上完成不同个体重测序, 通过寻找序列差异, 克隆相关基因。

这是一种高通量的基因克隆方法, 同时还可以进行基因间相互作用的研究, 将成为功能基因组学研究的热点。

基因组多样性研究对了解生物的进化、起源和迁徙有重要作用, 能反映生物进化过程和物种传播过程中基因组内的变化、基因组与外部环境的互作, 将对整个生物学产生重要影响。

2、2基因功能研究基因功能研究主要是通过结构基因组学提供的序列, 应用相应的实验手段和生物信息软件,系统分析基因位点, 克隆功能基因。

基因功能研究主要从生化、细胞学和发育方面进行研究：生物化学功能以蛋白质合成和修饰为研究重点，如作为蛋白质激酶对特异的蛋白质进行磷酸化修饰；细胞学功能如胞内外信号传导途径相关基因研究；发育功能包括器官形成及形态建成等系统发育相关基因研究[3]。

目前，获得一段DNA序列的功能信息的最简单的方法是将该DNA序列与GenBank中公布的基因序列进行同源性比较，如利用BLASTn和BLASTx 两种软件分别进行核苷酸和氨基酸序列同源性比较等。

同源性比较的结果大体可以分为如下类型：与生化和生理功能均已知的基因具同源性；与生化功能已知的基因具同源性，但该基因的生理功能未知；与其他物种中生化和生理功能均未知的基因具同源性；虽与生化和生理功能均已知的基因具同源性，但对该基因功能的了解尚不深入，仍停留在表观现象上。

上述同源性检索分析方法仅仅为该DNA片段的功能提供了间接的证据，对基因功能的直接证据还需要实验证明[4]。

2、3 植物基因组的表达及时空调控的研究一个细胞的转录表达水平能精确而特异地反映其类型、发育阶段以及反应状态。

功能基因组学一项重要的研究内容是反映基因在不同植株、不同时期、不同组织、不同生理状态以及体外培养的细胞中mRNA或蛋白质表达的差异等的转录水平, 进而特异性地反映基因的表达水平与抗性、组织器官形成、系统发育、光合作用等的关系，通过对基因表达的研究可望调节与抗性、品质、产量等对人类有价值基因的表达, 从而达到对生物的定向调控。

2、4 蛋白质组学研究由于基因功能的最终体现是以其编码的蛋白质实现的, 只有极少部分是以RNA形式体现的。

所以, 功能基因组学研究必然要涉及到蛋白质的表达及功能研究。

蛋白质组的研究具有动态性、时空性和可调节性, 其实质上是在细胞水平上对蛋白质进行大规模的平行分离和分析, 往往要同时处理成千上万种蛋白质。

依赖于高通量、高灵敏度、高准确性的研究技术平台, 研究技术远比基因组学复杂和困难。

蛋白质组学可以为基因组学提供细胞和组织分布、定位, 基因表达产物的修饰和表达丰度等信息, 可为基因功能深入分析提供信息。

3 植物功能基因组学研究技术方法植物功能基因组学是一个崭新的研究领域，其研究方法也日趋完善。

主要包括扩增性片段长度多态性、基因表达系列分析技术、转座因子、生物芯片和生物信息学等。

3、1 扩增性片段长度多态性(AFLP)[5]AFLP是指扩增的限制性片段长度多态性，是分子标记的一种新技术，也是1992年由荷兰Keygene公司Zabeau等发展的一种将RFLP与PCR相结合的技术。

该技术兼有RFLP标记技术的可靠性和PCR技术的高效性，而且快速、灵敏、稳定，所需DNA量少，多态性检出效率高、重复性好，不管所研究的基因组有多么复杂，用该方法都可以检测出任何DNA之间的多态性。

现已广泛用于遗传图谱构建、遗传多样性研究、基因定位和品质鉴定等方面。

AFLP技术原理是对基因组DNA限制性酶切片段的选择性扩增，使用双链人工接头与基因组DNA的酶切片段相连接作为扩增反应的模板，接头与接头相邻的酶切片段的几个碱基序列作为引物的接合点，根据基因组中被扩增DNA片段两端的序列设计合成相应的引物，引物 3端包含有选择碱基，其作用是延伸酶切片段区，以保证那些能与选择碱基配对的限制性片段被扩增，扩增片段通过聚丙烯酰胺凝胶电泳分离检测。

3、2 表达序列标签表达序列标签( Expressed Sequence Tags, ESTs) 是研究植物基因表达的一个有效方法。

表达序列标签主要用于新基因克隆、基因组图谱绘制、基因组序列编码区的确定等，它在新基因资源中扩展最为迅速，是从cDNA克隆两端获得的短的cDNA部分序列，通过分析基因组序列能够获得基因组结构的完整信息，如基因在染色体上的排列顺序，基因间的间隔区结构，启动子的结构以及内含子的分布等[6]。

公共数据库(NCBI等)中有来自19 种植物的大约160000 个植物EST[7]。

ESTs 提供了一个在植物中发现基因的方法，即模式基因组和其它植物之间的一种同态现象。

因此, 当一个已知功能和特征的基因从一个植物中克隆出来后, 就可以通过EST数据库去鉴定另一种植物中的具有同样特征的直向同源基因。

ESTs 也可以标记多基因家族中的单个成员。

但是, 这些基因的准确功能还有待于通过进一步的实验方法去验证[8] 。

3、3 SAGE技术Velculescu等人1995年发明了基因表达系列分析技术即SAGE(Serial Analysis of Gene Expression)法[9]是同时定量分析大量转录本的另一种方法。

这是一种高通量且快捷有效的基因表达研究技术,可用于研究任何一种由细胞转录变化引起的生物现象,而无须对基因性质和生物系统预先有所了解,因而引起了研究人员的广泛关注[10]。

利用SAGE可以在短期内得到丰富的表达信息，与直接测定cDNA克隆序列方法相比减少了大量的重复测序，从而大大节省了研究时间和费用[6]。

SAGE是以转录子(cDNA)上特定区域9-10bp的寡核苷酸序列作为标签(tag )来特异性代表该转录子。

然后通过连接酶将多个标签(一般为20-60个)随机串联并克隆到载体中,建立SAGE文库。

通过对双标签的序列分析,可获得基因转录的分布以及表达丰度的情况(尤其是可检测到低丰度表达的基因),从而可充分了解基因转录组的全貌[11]SAGE技术原理:(1) 以转录物内特定位置的9-10bp短核苷酸序列即SAGE标签所含信息足以代表其相应的转录物。

(2) SAGE标签经随机连接、扩增并集中在一个克隆中测序,标签重复出现的次数代表该转录物的拷贝数[12]。

SAGE技术已广泛用于全面获取生物基因的表达信息,定量比较不同状态下的基因表达,寻找新基因等研究领域3、4 反向遗传学技术反向遗传学是在已知基因序列的基础上研究基因的生物学功能，一般通过创造功能丧失突变体并研究突变所造成的表型效应。

研究手段包括基因的互补实验、超表达、反义抑制、基因敲除、基因诱捕、基因激活等手段。

其中基因敲除技术(又称为无义突变，null mutations)可为基因产物的功能提供直接证据，其它研究基因功能的方法如基因芯片等多数只是相关性，不能证明基因序列和基因功能之间的因果关系。

目前基因功能的直接证据仍是来自对缺失相应基因的突变体进行的功能分析。

基因敲除包括定点敲除、T—DNA或转座子随机插入突变。

现在发现一种新的生物机制——RNAi．对于致使植物基因沉默有很高的效率，对于研究植物基因功能是一种非常有效的产生突变体的方法。