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青年科學家的“深圳豬基因”

   轉載 發布時間:2018-08-26 15:00:00   來源:深圳農業基因組研究所   舉報
【導讀】 “基因組學是近年來生命科學領域發展最為前沿的學科之一,在農業科學技術進步中發揮著重要的引領作用,并將整體提升農業行業的競爭力。”中國農業科學院深圳農業基因組研究所所長(以下簡稱基因組所)黃三文表示。...

“基因組學是近年來生命科學領域發展最為前沿的學科之一,在農業科學技術進步中發揮著重要的引領作用,并將整體提升農業行業的競爭力。”中國農業科學院深圳農業基因組研究所所長(以下簡稱基因組所)黃三文表示。

這是一座年輕的國家級研究所,有一支年輕的科學家隊伍,從事著農業基因組學的創新事業,不僅“解讀”作物與動物基因組,而且已經開始“書寫”基因組,為我國農業的跨越式發展貢獻智慧。

從豬談起

基因與農業怎么關聯?基因組所青年科學家在做什么工作?不妨從六畜之首——豬談起。

中國是世界上最大的豬肉生產國和消費國。國家統計局數據顯示,2017 年全國生豬出欄 68861 萬頭。長期以來,在我國肉類消費結構中,豬肉一直占據著主導地位。可以說,豬產業關系著國計民生。

基因組所研究員、豬基因組設計育種創新團隊首席科學家唐中林向記者介紹,“豬肉品質決定著豬產業的價值,關系著我國糧食安全、社會穩定和可持續發展。豬產肉性狀的改良一直是我國豬育種界最重要的研究課題之一”。

在基因組所,就有一群科學家,以豬等動物為主要研究對象,通過全基因組選擇和基因編輯技術,對豬等重要動物進行分子設計育種和種質創新,為農業生產優良動物種質、為人類健康研究提供理想動物醫學模型而努力著。

基因組所的科學家利用高通量組學技術從三維基因組學、基因組、轉錄組、甲基化組、蛋白組和代謝組等多元組學及其互作角度,解析動物骨骼肌等重要組織器官生長發育和經濟性狀形成的遺傳和表觀遺傳機制,闡明關鍵基因和非編碼 RNA 的功能,挖掘調控豬產肉等重要經濟性狀的候選基因。

不僅如此,研究所動物基因組中心還組織了豬基因組設計育種、動物功能基因組學、農業表觀基因組學三支創新團隊發起了“良豬計劃”。

其中,豬基因組設計育種創新團隊主要研究豬產肉性狀形成的分子機制,通過高通量挖掘豬產肉相關關鍵基因和非編碼 RNA 因子,利用高密度 SNP 芯片對豬進行全基因組選擇,培育快長優質的優良品種,并采用基因組定點編輯技術創制豬育種新材料。

動物功能基因組學創新團隊主要以小鼠、豬和斑馬魚等為研究對象,構建脊椎動物的三維轉錄調控網絡,大規模篩選并驗證轉錄調控元件,進而應用于動物遺傳育種。

農業表觀基因組學創新團隊則致力于豬等農業動物生長發育及環境應激過程中的表觀基因組學研究。

近年來,測序技術和計算機技術的進步,為豬育種界的發展提供了極大的便利。唐中林為此感慨道:“記得十幾年前,為了驗證豬的生產性能,我在屠宰場里殺了三四百頭豬,還是半夜起來殺的,因為廠家一大早就要拉走銷售,不能浪費了。如今利用基因組學、云計算平臺、人工智能等現代化技術手段,在豬剛出生時就能預測如母豬的繁殖能力、豬的生長速度、豬肉品質好壞等信息,不用等到它長到 100 公斤時,也不需要屠宰了才知道。”

那么,基因是怎樣影響豬的產肉性狀的?科研人員又是如何提高選擇的準確性和可預見性,并加快育種速度的?

小基因 大探索

“目前,在我國生豬品種結構中占主導地位的是瘦肉型豬,其瘦肉率高、生長速度快,產業價值高,適合規模化養殖,但抗逆性差。與之相比,我國地方豬品種多,豬具有抗病性好、更耐寒或耐熱等優點,所產豬肉細嫩多汁、品質好,但普遍存在瘦肉率低、生長慢、經濟效益低等問題。因此,我們希望通過基因手段開發利用豐富的地方豬種質資源,改良豬肉品質,提升產業價值。”唐中林表示。

豬產肉性狀形成的分子機制極其復雜,受 miRNA、lncRNA 和 circRNA 等多種 RNA 分子及其多維網絡互作調控。其中,circRNA 是區別于傳統線性 RNA 的一類新型 RNA 分子,具有閉合環狀結構,在豬肌肉發育過程中扮演著舉足輕重的角色。

目前,基因組所研究人員已從豬脂肪、心肌和肝等 9 種不同組織以及 3 個發育階段的骨骼肌中,系統鑒定 5934 個 circRNA。其中 30% 以上的 circRNA 作為 miRNA 的核心(sponges)對基因表達發揮重要調控作用。進一步的功能分析表明,豬出生后 0~30 天,circRNA 主要調控骨骼肌的生長發育和肌纖維類型轉換;30~240 天時,circRNA 主要調控骨骼肌糖代謝和鈣離子信號。

為更好地研究 circRNA 在豬肌肉發育過程中的功能,基因組所研究人員首次成功構建了 circRNA-miRNA-mRNA 多維調控網絡和環狀 RNA 數據庫,這也是農業動物首張環狀 RNA 的時空圖譜和首個數據庫。這將為豬肌肉發育機制研究及其他農業動物的相關研究提供重要的參考和研究基礎。

長約 2 米的 DNA 是如何壓縮在小小的細胞里的?折疊的同時如何保證功能正常運行?要解答這個問題,這就不得不提三維基因組學了。

“如果說基因測序是找到一篇文章中段落和句子的位置,功能基因組學是要解析它們所表達的意思,那么三維基因組學就是要弄明白怎么通過語法、通過怎樣的語法把單詞拼成句子,進而組成段落和文章的。”基因組所研究員、動物功能基因組學創新團隊首席科學家張玉波用一個有趣的類比向我們展示了三維基因組學在分子生物學中的重要地位。

此外,他還向記者介紹,探究基因空間結構和功能之間的關系,這在全球范圍內都屬于新興學科。

張玉波長期專注于三維基因組技術研發、三維基因轉錄調控網絡構建及非編碼 DNA 調控元件對基因轉錄調控過程的研究。他帶領團隊原創性地研發了高效的全基因組染色質構象技術 eHi-C,克服了傳統經典 Hi- C 建庫效率低、有效數據比例量低和原位 Hi- C 的酶切不完全和核內連接不確定性的弊端。

三維基因組學從一個新的角度闡釋豬骨骼肌的發育機制,為豬育種界的發展提供了新的突破點,為此,張玉波自信地說:“當你想要達到豬肉品質與生長速度的平衡,又或者想要改善豬肉口感時,都可以利用三維基因組學來設計,采用基因組定點編輯技術創制豬育種新材料。”

落實到人才

以上只是基因組所開展農業基因組學研究和大數據分析的其中一項工作。基因組所建設了農業生物組學基礎、基因組學與動植物育種、基因組學與動植物健康三大學科領域的 18 個學科方向,組建起 12 支多學科多層次的科研團隊,并取得了一批具有國際影響力的研究成果。

秉持“以事業聚才,靠感情留人”的理念,基因組所積極吸引海內外優秀人才。基因組所副所長饒敏杰表示,自 2014 年研究所建立以來通過全球公開招聘引進各類人才,打造了一支多層次、專業交叉的科研隊伍,現有人員近 200 人,平均年齡 32 歲。

博士后是基因組所科研的中堅力量,目前累計招收博士后 45 名。黃三文團隊的博士后祝光濤即為其中一員。

2017 年 1 月,祝光濤作為第一作者在國際學術期刊《科學》(Science)上發表關于番茄風味調控機制的論文;今年 1 月,他又以第一作者在《細胞》(Cell)上發表了研究論文,利用多重組學的大數據繼續破解番茄品質性狀的馴化和遺傳密碼。這些研究成果為番茄果實風味和營養物質的遺傳調控和全基因組設計育種提供了路線圖。

“深圳博士后補貼政策待遇很優厚,我可以靜下心來把科研工作做得更加全面深入,無問生計。深圳發展日新月異,是一個讓年輕人來了就不想走的城市;研究所科研創新氛圍濃厚,非常有活力,擁有一流的導師,專家學者經常前來交流,真是一個做學問、搞研究的好平臺。”祝光濤告訴記者。

研究員阮玨是農業基因組學技術研發與應用創新團隊的首席科學家,其團隊致力于前沿測序技術與多組學分析算法的研發和應用,在基因組組裝、比較基因組學、大片段測序文庫構建以及稀有低頻突變檢測等方向取得重要進展。

阮玨介紹,“基因測序計算量龐大,第三代基因測序技術更甚,測完后的組裝也太慢。我們的基因組組裝工具讓這一時間以年計迅速降至以天計,不到 100 個小時即可完成,極大地節約時間成本,提高科研效率,就像‘深圳速度’。”

“希望未來有更多的人才加入團隊。我們需要你對科研要有一定的領悟力,有志于基因組學計算及實驗技術。”一位研究員為自己鐘愛的研究所打起了“廣告”,“若你精通生物信息,對算法開發感興趣,具有分子生物學實驗開發測序的相關技術與經驗,歡迎來這片熱土從事基因組學研究。”

 
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