青年科学家的“深圳基因”—新闻—科学网

 
作者:王方 来源:中国科学报 发布时间:2018/2/14 9:02:28
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青年科学家的“深圳基因”

 

基因组所供图

■本报记者 王方

“基因组学是近年来生命科学领域发展最为前沿的学科之一,在农业科学技术进步中发挥着重要的引领作用,并将整体提升农业行业的竞争力。”中国农业科学院深圳农业基因组研究所所长(以下简称基因组所)黄三文表示。

这是一座年轻的国家级研究所,有一支年轻的科学家队伍,从事着农业基因组学的创新事业,不仅“解读”作物与动物基因组,而且已经开始“书写”基因组,为我国农业的跨越式发展贡献智慧。

从猪产业谈起

基因与农业怎么关联?基因组所青年科学家在做什么工作?不妨从六畜之首——猪谈起。

中国是世界上最大的猪肉生产国和消费国。国家统计局数据显示,2017年全国生猪出栏68861万头。长期以来,在我国肉类消费结构中,猪肉一直占据着主导地位。可以说,猪产业关系着国计民生。

基因组所研究员、猪基因组设计育种创新团队首席科学家唐中林向记者介绍,“猪肉品质决定着猪产业的价值,关系着我国粮食安全、社会稳定和可持续发展。猪产肉性状的改良一直是我国猪育种界最重要的研究课题之一”。

在基因组所,就有一群科学家,以猪等动物为主要研究对象,通过全基因组选择和基因编辑技术,对猪等重要动物进行分子设计育种和种质创新,为农业生产优良动物种质、为人类健康研究提供理想动物医学模型而努力着。

基因组所的科学家利用高通量组学技术从三维基因组学、基因组、转录组、甲基化组、蛋白组和代谢组等多元组学及其互作角度,解析动物骨骼肌等重要组织器官生长发育和经济性状形成的遗传和表观遗传机制,阐明关键基因和非编码RNA的功能,挖掘调控猪产肉等重要经济性状的候选基因。

不仅如此,研究所动物基因组中心还组织了猪基因组设计育种、动物功能基因组学、农业表观基因组学三支创新团队发起了“良猪计划”。

其中,猪基因组设计育种创新团队主要研究猪产肉性状形成的分子机制,通过高通量挖掘猪产肉相关关键基因和非编码RNA因子,利用高密度SNP芯片对猪进行全基因组选择,培育快长优质的优良品种,并采用基因组定点编辑技术创制猪育种新材料。

动物功能基因组学创新团队主要以小鼠、猪和斑马鱼等为研究对象,构建脊椎动物的三维转录调控网络,大规模筛选并验证转录调控元件,进而应用于动物遗传育种。

农业表观基因组学创新团队则致力于猪等农业动物生长发育及环境应激过程中的表观基因组学研究。

近年来,测序技术和计算机技术的进步,为猪育种界的发展提供了极大的便利。唐中林为此感慨道:“记得十几年前,为了验证猪的生产性能,我在屠宰场里杀了三四百头猪,还是半夜起来杀的,因为厂家一大早就要拉走销售,不能浪费了。如今利用基因组学、云计算平台、人工智能等现代化技术手段,在猪刚出生时就能预测如母猪的繁殖能力、猪的生长速度、猪肉品质好坏等信息,不用等到它长到100公斤时,也不需要屠宰了才知道。”

那么,基因是怎样影响猪的产肉性状的?科研人员又是如何提高选择的准确性和可预见性,并加快育种速度的?

小基因 大探索

“目前,在我国生猪品种结构中占主导地位的是瘦肉型猪,其瘦肉率高、生长速度快,产业价值高,适合规模化养殖,但抗逆性差。与之相比,我国地方猪品种多,猪具有抗病性好、更耐寒或耐热等优点,所产猪肉细嫩多汁、品质好,但普遍存在瘦肉率低、生长慢、经济效益低等问题。因此,我们希望通过基因手段开发利用丰富的地方猪种质资源,改良猪肉品质,提升产业价值。”唐中林表示。

猪产肉性状形成的分子机制极其复杂,受miRNA、lncRNA和circRNA等多种RNA分子及其多维网络互作调控。其中,circRNA是区别于传统线性RNA的一类新型RNA分子,具有闭合环状结构,在猪肌肉发育过程中扮演着举足轻重的角色。

目前,基因组所研究人员已从猪脂肪、心肌和肝等9种不同组织以及3个发育阶段的骨骼肌中,系统鉴定5934个circRNA。其中30%以上的circRNA作为miRNA的核心(sponges)对基因表达发挥重要调控作用。进一步的功能分析表明,猪出生后0~30天,circRNA主要调控骨骼肌的生长发育和肌纤维类型转换;30~240天时,circRNA主要调控骨骼肌糖代谢和钙离子信号。

为更好地研究circRNA在猪肌肉发育过程中的功能,基因组所研究人员首次成功构建了circRNA-miRNA-mRNA多维调控网络和环状RNA数据库,这也是农业动物首张环状RNA的时空图谱和首个数据库。这将为猪肌肉发育机制研究及其他农业动物的相关研究提供重要的参考和研究基础。

长约2米的DNA是如何压缩在小小的细胞里的?折叠的同时如何保证功能正常运行?要解答这个问题,这就不得不提三维基因组学了。

“如果说基因测序是找到一篇文章中段落和句子的位置,功能基因组学是要解析它们所表达的意思,那么三维基因组学就是要弄明白怎么通过语法、通过怎样的语法把单词拼成句子,进而组成段落和文章的。”基因组所研究员、动物功能基因组学创新团队首席科学家张玉波用一个有趣的类比向我们展示了三维基因组学在分子生物学中的重要地位。

此外,他还向记者介绍,探究基因空间结构和功能之间的关系,这在全球范围内都属于新兴学科。

张玉波长期专注于三维基因组技术研发、三维基因转录调控网络构建及非编码DNA调控元件对基因转录调控过程的研究。他带领团队原创性地研发了高效的全基因组染色质构象技术eHi-C,克服了传统经典Hi-C建库效率低、有效数据比例量低和原位Hi-C的酶切不完全和核内连接不确定性的弊端。

三维基因组学从一个新的角度阐释猪骨骼肌的发育机制,为猪育种界的发展提供了新的突破点,为此,张玉波自信地说:“当你想要达到猪肉品质与生长速度的平衡,又或者想要改善猪肉口感时,都可以利用三维基因组学来设计,采用基因组定点编辑技术创制猪育种新材料。”

落实到人才上

以上只是基因组所开展农业基因组学研究和大数据分析的其中一项工作。基因组所建设了农业生物组学基础、基因组学与动植物育种、基因组学与动植物健康三大学科领域的18个学科方向,组建起12支多学科多层次的科研团队,并取得了一批具有国际影响力的研究成果。

秉持“以事业聚才,靠感情留人”的理念,基因组所积极吸引海内外优秀人才。基因组所副所长饶敏杰表示,自2014年研究所建立以来通过全球公开招聘引进各类人才,打造了一支多层次、专业交叉的科研队伍,现有人员近200人,平均年龄32岁。

博士后是基因组所科研的中坚力量,目前累计招收博士后45名。黄三文团队的博士后祝光涛即为其中一员。

2017年1月,祝光涛作为第一作者在国际学术期刊《科学》(Science)上发表关于番茄风味调控机制的论文;今年1月,他又以第一作者在《细胞》(Cell)上发表了研究论文,利用多重组学的大数据继续破解番茄品质性状的驯化和遗传密码。这些研究成果为番茄果实风味和营养物质的遗传调控和全基因组设计育种提供了路线图。

“深圳博士后补贴政策待遇很优厚,我可以静下心来把科研工作做得更加全面深入,无问生计。深圳发展日新月异,是一个让年轻人来了就不想走的城市;研究所科研创新氛围浓厚,非常有活力,拥有一流的导师,专家学者经常前来交流,真是一个做学问、搞研究的好平台。”祝光涛告诉记者。

研究员阮珏是农业基因组学技术研发与应用创新团队的首席科学家,其团队致力于前沿测序技术与多组学分析算法的研发和应用,在基因组组装、比较基因组学、大片段测序文库构建以及稀有低频突变检测等方向取得重要进展。

阮珏介绍,“基因测序计算量庞大,第三代基因测序技术更甚,测完后的组装也太慢。我们的基因组组装工具让这一时间以年计迅速降至以天计,不到100个小时即可完成,极大地节约时间成本,提高科研效率,就像‘深圳速度’。”

“希望未来有更多的人才加入团队。我们需要你对科研要有一定的领悟力,有志于基因组学计算及实验技术。”一位研究员为自己钟爱的研究所打起了“广告”,“若你精通生物信息,对算法开发感兴趣,具有分子生物学实验开发测序的相关技术与经验,欢迎来这片热土从事基因组学研究。”

《中国科学报》 (2018-02-14 第6版 科研)
 
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