我国率先绘就水稻基因组物理全图——破解遗传密码

事件日期:
1997年1月6日

1997年1月6日,国家科委、中国科学院与上海市人民政府在上海学术活动中心联合举行新闻发布会,向全世界宣布:中国科学家在世界上首次成功构建了水稻基因组物理全图。这是我国在生命科学领域取得的又一重大突破,也意味着人类在解读稻米基因密码这场国际竞赛中,率先抢下了关键的制高点。

领导这项攻关的,是中国科学院国家基因研究中心研究员洪国藩。早在1994年前后,全球范围内围绕水稻基因组的研究已悄然升温——日本、美国、印度、韩国、菲律宾等国纷纷投入力量。日本先于1994年构建了水稻基因组的遗传图,把物理图这一更难啃的骨头留在了后面。在洪国藩的带领下,中方团队经过三年多的艰苦奋战,利用已经完成的水稻12条染色体BAC(细菌人工染色体)文库,终于拼出了一张前所未有的高分辨率物理全图。

要弄清这项成果的分量,得先了解水稻基因组研究的整体布局。水稻基因组由12条染色体组成,总长度约4.3亿个核苷酸对。整个研究计划包含三大支柱:其一是遗传图的构建,用来标定基因在染色体上的相对位置;其二是物理图的构建,把遗传图落到具体的DNA片段序列坐标上;其三是DNA全顺序的测定,即逐字读出整本生命之书。其中,物理图处于承上启下的枢纽位置——没有它,全顺序测定就缺乏可操作的施工蓝图。

中国构建的这张物理图,有三个鲜明的特点。第一,分辨率(基本尺度)达到12万个核苷酸。这样的精细度,让后续的DNA全顺序测定能够直接依图推进,同时大大简化了获取目标基因的步骤。第二,图中包含565个遗传分子标记,许多标记之间的物理距离已被精确测出,这将显著加快从海量DNA信息中锁定禾谷类作物所需基因的速度。第三,也是最具农业价值的:图中包含近100个通用遗传分子标记,它们在大麦、小麦、燕麦、玉米、高粱、甘蔗这六种主要作物的基因组中是通用的。换言之,这张水稻图不只服务水稻,更为整个禾本科作物的分子育种提供了一把万能钥匙。

物理图的价值,远不止于画一张地图。借助它,科学家可以通过定位克隆等现代技术,高效而系统地为农业遗传育种筛选、提取关键基因及其相关信息——比如抗病虫害基因、耐盐碱基因、高产调控基因。对一个人均耕地有限、以稻米为主粮的农业大国而言,这意味着育种从凭经验杂交、看天吃饭迈向按图索骥、精准设计的可能。洪国藩团队的工作,因此被评价为对最终揭示水稻遗传信息奥秘和农作物育种做出了重大贡献。

成果公布后,国际反响强烈。在不久前召开的国际水稻分子生物学会议上,洪国藩报告此项进展,会场多位学者主动表达与中国团队进一步合作的意愿。这张图的诞生,不仅提升了中国在基因组学领域的国际话语权,也为此后中国深度参与乃至引领国际水稻基因组测序计划埋下了伏笔。

二十多年后再回望1997年1月6日,那张由565个标记、近100个通用标记织就的物理图,已不只是实验室里的一纸蓝图。它通向的是更抗病、更高产、更适应环境的水稻新品种,是无数中国农民粮仓里实实在在的收成。一个关于一粒种子如何被读懂的故事,从这一天起,翻开了属于中国科学家的崭新篇章。

理解这项成果的世界意义,需先看清水稻的分量。作为全球一半以上人口的主食,水稻的每一次产量与抗性突破,都直接关系到数十亿人的饭碗。正因如此,日本、美国、印度、韩国、菲律宾等国的实验室早在20世纪90年代便围绕水稻基因组展开竞赛。日本率先完成遗传图,等于在地图坐标系上占了先;而中国拿下物理图,则等于画出了可放大到街区级别的精细蓝图——两者缺一不可,但物理图对后续测序的牵引作用更直接。

在技术上,物理图的构建依赖一整套现代分子生物学方法:先以限制性内切酶将染色体DNA切割成片段,克隆进BAC载体形成文库,再通过指纹作图与克隆重叠群技术把片段按真实顺序排列,最终锚定到遗传标记上。洪国藩团队用三年多时间,把12条染色体的BAC文库拼成一张连贯的高分辨率图谱,分辨率达12万核苷酸,并嵌入565个遗传标记与近100个跨作物通用标记,工程量之浩大可想而知。

这张图的后续效应在几年内便显现。2002年,中国又率先完成了水稻籼稻基因组的全序列测定,正是站在物理图这一基石之上。此后,抗虫转基因水稻、抗病高产新品种的选育驶入快车道,物理图中那些通用标记更惠及小麦、玉米等作物的分子育种。今天,当我们端起一碗米饭,也许不会想到1997年1月6日那张蓝图——但它确确实实,让这碗饭变得更稳、更饱、更可持续。

从更宏观的视角看,水稻物理图是中国生命科学从跟跑转向并跑乃至领跑的缩影。同一时期,人类基因组计划也在紧锣密鼓推进,而水稻作为模式作物的突破,锻炼出一支能打硬仗的基因组学队伍。这支队伍此后陆续参与了籼稻、粳稻乃至小麦、大豆的测序攻关,使中国在全球农业基因组版图上稳居前列。1997年1月6日那张图,正是这条上升曲线的起点。

对普通人而言,这项基础研究的回报或许要等上十几年才会显形——但当超市里出现更耐储存的米、田间少用几轮农药时,那张物理图早已悄悄兑现了它的承诺。