科學(xué)家利用經(jīng)典遺傳學(xué)手段，克隆并解析了一批重要的功能基因。然而，在功能基因組提出二十幾年后的今天，水稻和玉米中克隆的功能基因仍不到其所有基因的10%，已克隆基因的新功能也在不斷被發(fā)現(xiàn)。

如何快速克隆功能基因、解析重要性狀變異的分子機(jī)制，并全局解碼重要作物的遺傳變異奧秘，仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室教授李林課題組，聯(lián)合該校楊芳課題組、嚴(yán)建兵課題組，研究構(gòu)建了玉米第一代多組學(xué)整合網(wǎng)絡(luò)圖譜，涉及基因組、轉(zhuǎn)錄組、翻譯組和蛋白互作組多個(gè)遺傳層級(jí)的200萬(wàn)個(gè)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法成功預(yù)測(cè)了一批重要功能基因, 鑒定出調(diào)控玉米開(kāi)花期等重要性狀的分子調(diào)控通路。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《自然-遺傳學(xué)》。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授田豐等當(dāng)天在《植物學(xué)報(bào)》發(fā)表熱點(diǎn)述評(píng)稱，玉米多維組學(xué)整合網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是玉米功能基因組學(xué)研究的重大進(jìn)展，不僅為玉米重要性狀新基因克隆、分子調(diào)控通路解析和玉米基因組進(jìn)化分析提供了新工具，也為玉米基因組設(shè)計(jì)育種提供了重要基因資源和分子模塊，為玉米智能育種奠定了重要基礎(chǔ)。

功能基因解析進(jìn)展緩慢

2008年，中國(guó)科學(xué)院院士、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授張啟發(fā)在《分子植物》上發(fā)表了水稻功能基因組倡議（Rice 2020），計(jì)劃在2020年解析水稻所有基因的功能。

彼時(shí)，多種農(nóng)作物的功能基因組解析工作全面開(kāi)花，越來(lái)越多的科研人員投入到這一龐大和艱巨的研究當(dāng)中。

李林讀博期間的主要工作就是克隆和解析一個(gè)玉米籽粒油分主效功能基因。他做了非常完善的分子與遺傳實(shí)驗(yàn)，也做了分子育種應(yīng)用的評(píng)估。

2010年，他將花費(fèi)了5年時(shí)間精細(xì)定位并克隆的基因投給一本學(xué)術(shù)期刊。然而，信心滿滿的他卻收到評(píng)審人的意見(jiàn)：這個(gè)基因已經(jīng)被別人克隆研究過(guò)了。

“當(dāng)時(shí)非常沮喪，認(rèn)為花5年克隆一個(gè)基因太低效了。”于是，李林開(kāi)始思考能不能快速全局解析基因功能。

與此同時(shí)，農(nóng)作物功能基因組的全面解析并沒(méi)有像預(yù)想的那樣快速推進(jìn)。

2013年，李林在美國(guó)做博士后期間，產(chǎn)生了通過(guò)生物大數(shù)據(jù)方法系統(tǒng)解析每一個(gè)基因功能的想法。

“那時(shí)我就在做eQTL定位與共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，并以此解析玉米的全局基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。”2013年底，李林在《公共科學(xué)圖書(shū)館-遺傳》上發(fā)表了玉米最早的通過(guò)群體RNA-seq進(jìn)行eQTL研究調(diào)控關(guān)系的論文。

當(dāng)他希望進(jìn)一步深入研究，擬從多維組學(xué)的角度構(gòu)建各個(gè)尺度以及介尺度水平的基因與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，從而全面解析生物遺傳奧秘時(shí)，卻被合作導(dǎo)師否定了。“可能他覺(jué)得工作量太大，是不可能完成的任務(wù)。”李林回憶說(shuō)。

不過(guò)，這個(gè)想法卻在李林心中扎下了根。2016年，李林回國(guó)成為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的教師。嚴(yán)建兵讓他組織大家討論未來(lái)的重大課題。此時(shí)，楊芳團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了高通量酵母雙雜交系統(tǒng)，并開(kāi)始解析作物蛋白組學(xué)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

“我就把想法提出來(lái)與大家討論，最終與楊芳老師一拍即合。得益于國(guó)內(nèi)快速發(fā)展的科研實(shí)力、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的平臺(tái)支持，條件成熟了，三個(gè)團(tuán)隊(duì)共同推動(dòng)了這個(gè)宏大項(xiàng)目的開(kāi)展。”李林說(shuō)，他們正式拉開(kāi)了在玉米基因組、轉(zhuǎn)錄組、翻譯組，以及蛋白組學(xué)等水平構(gòu)建玉米多維網(wǎng)絡(luò)圖譜的序幕。

鍛造生物網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)之劍

生物學(xué)研究業(yè)已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。“基于生物大數(shù)據(jù)，從全局水平構(gòu)建所有基因的上下游及分子伴侶網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為可能，為我們?nèi)纸馕霰M可能多的基因功能，進(jìn)而全面破解生物遺傳變異的奧秘提供了前所未有的機(jī)會(huì)。”嚴(yán)建兵說(shuō)。

生命體內(nèi)部的基因，與人類社會(huì)中的人非常相似。要確定一個(gè)人在人類社會(huì)中的功能或者作用，可以通過(guò)他的家庭親屬關(guān)系、朋友圈關(guān)系，以及工作圈關(guān)系等了解。同樣，要了解一個(gè)基因的功能，也就是要了解它在不同遺傳層次下與其他基因的關(guān)系，甚至基于“物以類聚，人以群分”的邏輯，就可以推測(cè)出任何基因的功能。

基于此，他們?cè)诨蛐惺构δ?、傳遞遺傳信息的不同層級(jí)（基因組、轉(zhuǎn)錄組、翻譯組和蛋白互作組等）內(nèi)部分別進(jìn)行基因與基因關(guān)系的鑒定。

該研究對(duì)玉米全生育期不同組織/時(shí)期的樣品進(jìn)行多維組學(xué)大數(shù)據(jù)測(cè)定，獲得了大量組學(xué)數(shù)據(jù)。楊芳介紹，他們使用高通量酵母系統(tǒng)構(gòu)建了玉米蛋白互作網(wǎng)絡(luò)，獲得了36萬(wàn)多個(gè)蛋白-蛋白互作對(duì)。最終構(gòu)建了玉米第一代多組學(xué)整合網(wǎng)絡(luò)圖譜，涉及200萬(wàn)個(gè)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。

“這是首次如此全面地在一個(gè)物種中構(gòu)建了基因組、轉(zhuǎn)錄組、翻譯組以及蛋白組的網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)圖譜，為全面系統(tǒng)解析玉米遺傳變異機(jī)制提供了基礎(chǔ)。”李林說(shuō)。

革新經(jīng)典遺傳學(xué)研究的范式

基于成功構(gòu)建的玉米多維網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)圖譜，研究人員重構(gòu)了玉米已經(jīng)克隆的株型功能基因以及籽粒發(fā)育相關(guān)功能基因的分子網(wǎng)絡(luò)。田豐等指出，截至目前, 玉米中共有63個(gè)調(diào)控籽粒發(fā)育的基因被克隆, 其中62個(gè)基因位于該團(tuán)隊(duì)此次發(fā)布的整合圖譜中。他們成功預(yù)測(cè)并證實(shí)了1個(gè)未知功能的PPR蛋白能夠影響玉米籽粒的皺縮。上述研究結(jié)果充分證明了該整合網(wǎng)絡(luò)圖譜具有強(qiáng)大的預(yù)測(cè)基因功能的能力。

研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注了玉米重要農(nóng)藝性狀——開(kāi)花期。為了保障大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，他們與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院教授陳洪團(tuán)隊(duì)緊密合作，不斷開(kāi)發(fā)前沿人工智能算法，快速進(jìn)行性狀解析，為系統(tǒng)解析基因功能以及性狀變異的遺傳機(jī)制提供了新手段，在一定程度上革新了經(jīng)典遺傳學(xué)的研究范式。

2020年開(kāi)始，他們?cè)诤Ｄ?、湖北、山東和河北四地對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分子實(shí)驗(yàn)與大田試驗(yàn)，確定了20個(gè)預(yù)測(cè)基因與開(kāi)花期性狀相關(guān)，并對(duì)其分子機(jī)制進(jìn)行了初步闡釋，加深了對(duì)玉米開(kāi)花期的理解，為玉米開(kāi)花期的智能設(shè)計(jì)育種提供了理論基礎(chǔ)與基因資源。

田豐等人指出，基因組、表型組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組等多維組學(xué)大數(shù)據(jù)，是利用機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)精準(zhǔn)挖掘關(guān)鍵基因和分子模塊進(jìn)行基因組智能設(shè)計(jì)育種的基礎(chǔ)。

論文評(píng)審人認(rèn)為，該研究描述了一項(xiàng)龐大的實(shí)驗(yàn)工作，用以鑒定玉米基因組編碼的大分子之間的復(fù)雜分子關(guān)系；構(gòu)建了玉米不同生育期不同組織的綜合分子網(wǎng)絡(luò)圖譜，對(duì)于整個(gè)玉米研究來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的資源。特別是論文中機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的挖掘應(yīng)用，是一種創(chuàng)新性的功能基因分子網(wǎng)絡(luò)圖譜的解讀方式。

這篇論文已成功解析了玉米多維組學(xué)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，下一步他們要搞清楚多維組學(xué)之間的調(diào)控關(guān)系。此外，這一研究范式還可應(yīng)用到水稻、小麥等其他作物的功能基因組研究上。

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