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)作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室教授李林課題組，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遺傳層級的200萬個網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法成功預(yù)測了一批重要功能基因, 鑒定出調(diào)控玉米開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)》。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授田豐等當(dāng)天在《植物學(xué)報》發(fā)表熱點述評稱，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），計劃在2020年解析水稻所有基因的功能。

彼時，多種農(nóng)作物的功能基因組解析工作全面開花，越來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驗，也做了分子育種應(yīng)用的評估。

2010年，他將花費了5年時間精細(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審人的意見：這個基因已經(jīng)被別人克隆研究過了。

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

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

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

“那時我就在做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)圖書館-遺傳》上發(fā)表了玉米最早的通過群體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，卻被合作導(dǎo)師否定了。“可能他覺得工作量太大，是不可能完成的任務(wù)。”李林回憶說。

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

“我就把想法提出來與大家討論，最終與楊芳老師一拍即合。得益于國內(nèi)快速發(fā)展的科研實力、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的平臺支持，條件成熟了，三個團(tuán)隊共同推動了這個宏大項目的開展。”李林說，他們正式拉開了在玉米基因組、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。”嚴(yán)建兵說。

生命體內(nèi)部的基因，與人類社會中的人非常相似。要確定一個人在人類社會中的功能或者作用，可以通過他的家庭親屬關(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，就可以推測出任何基因的功能。

基于此，他們在基因行使功能、傳遞遺傳信息的不同層級（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。

該研究對玉米全生育期不同組織/時期的樣品進(jìn)行多維組學(xué)大數(shù)據(jù)測定，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36萬多個蛋白-蛋白互作對。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200萬個網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。

“這是首次如此全面地在一個物種中構(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。

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個調(diào)控籽粒發(fā)育的基因被克隆, 其中62個基因位于該團(tuán)隊此次發(fā)布的整合圖譜中。他們成功預(yù)測并證實了1個未知功能的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)測基因功能的能力。

研究團(tuán)隊重點關(guān)注了玉米重要農(nóng)藝性狀——開花期。為了保障大數(shù)據(jù)預(yù)測的準(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)隊緊密合作，不斷開發(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年開始，他們在海南、湖北、山東和河北四地對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分子實驗與大田試驗，確定了20個預(yù)測基因與開花期性狀相關(guān)，并對其分子機(jī)制進(jìn)行了初步闡釋，加深了對玉米開花期的理解，為玉米開花期的智能設(shè)計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)計育種的基礎(chǔ)。

論文評審人認(rèn)為，該研究描述了一項龐大的實驗工作，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，對于整個玉米研究來說是一個重要的資源。特別是論文中機(jī)器學(xué)習(xí)對于網(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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