国家植物基因组计划》概况
１９９７年５月，美国总统行政办公室根据相关提案组建了植物基因组机构间工作组（ＩＷＧ），负责制定美国的《国家植物基因组计划》（ＮＰＧＩ），并协调全国的植物基因组研究工作。Ｉ-ＷＧ的成员来自于对ＮＰＧＩ进行资助和管理的主要联邦机构，包括农业部、国家科学基金会、国立卫生研究院、能源部、白宫科技政策办公室和预算管理局。经过ＩＷＧ半年的筹划，ＮＰＧＩ的第一个五年计划于１９９８年１月正式启动。其研究内容主要包括结构基因组研究、功能基因组研究和基因组研究成果的应用三大部分。主要研究目标包括：①参照物种拟南芥和水稻的基因组测序。②开展主要农作物和经济植物的结构基因组研究。③开展以植物产量基因为重点的功能基因组研究。④进行植物基因组学研究工具的开发。⑤植物基因组数据库和研究资源的分发与应用。⑥开展植物基因组知识和研究成果的培训与推广。五年来，ＮＰＧＩ严格实行研究项目的立项评审制度，注重开展与私有机构和其他国家的研究合作，充分利用联邦政府的资金投入（约３.５亿美元），确保了ＮＰＧＩ第一个五年计划目标的顺利实现。
ＮＰＧＩ第一个五年计划的主要成就
五年来，ＮＰＧＩ的各个研究领域都取得了良好的进展，全面实现了第一个五年计划的预定目标，为第二个五年计划的实施奠定了扎实的基础。在此，仅将部分主要成就列举如下：
１.比原计划提前四年完成了拟南芥基因组测序。拟南芥的基因组序列是迄今为止人们所完成的最完整的真核生物基因组序列，它为世界各国在２０１０年前确定拟南芥所有基因的功能奠定了基础。
２.比原计划提前六年完成了水稻基因组的深度序列草图。水稻的基因组序列信息，已被用于研究包括玉米、小麦、大麦和高粱在内的其它禾谷类作物的基因组。
３.获得了一些基础科学方面的新发现。如发现了高等植物着丝点的结构与组织，鉴定出了大多数调控植物对不利环境的反应的基因，发现了水稻的第一个活性转位子和真核生物的第一个活性微倒转重复序列，重新认识了后生基因沉默的机理，发现了植物识别和抵抗病原菌的新途径和新基因等。
４.汇集了植物基因组研究的丰富资源。例如，在基因库中收集了２００万个植物表达序列标识，建立了７２种植物的ＢＡＣ文库，收集了一大批用于研究玉米和拟南芥基因功能的转位子标记系，完成了玉米、大豆、小麦和其他植物的深度物理图谱，建立了各种可供科学界使用的植物基因组数据库。
５.开发出了一系列植物基因组研究工具。
６.建立了一套良好的植物系因组研究国际合作模式和协调机制。
ＮＰＧＩ第二个五年计划的新目标
ＮＰＧＩ第一个五年计划的重点是为植物基因组研究打基础，包括开发相关的研究资源和研究工具等。第二个五年计划的关键在于：开发出大量的低成本技术；有效地管理信息量巨大的植物基因组数据库；并培训新一代植物基因组科学家，使其能够正确理解和有效利用这些信息资料，以促进植物基因组学乃至整个植物科学的继续进步。
１.继续探索植物基因组的结构和组织
过去五年中对动物和微生物基因组的测序实践，形成了一批具有指导意义的概念。其中包括重视参考基因组和比较序列分析的应用等。已经获得的参考基因组序列可用作相关物种基因组序列草图的装配模板，比较序列分析则有助于发掘在进行单个物种基因组序列分析时难以发现的新基因。比较基因组学研究将有助于人们在序列水平上加深对新物种或特殊性状形成过程的认识。ＮＰＧＩ第二个五年计划所开发的序列资源将可用于描述单个基因组的结构，并阐释基因组形成的动力学过程。具体内容包括：①继续参与国际水稻基因组测序计划。主要任务是弥补现有水稻基因组测序的缺口，形成完整的水稻基因组序列，以用作禾谷类植物基因组测序的参考基因组。②完成对玉米基因组基因密集区域的测序。玉米基因组约含２８亿个碱基对，与人类基因组的大小相当，比拟南芥基因组大２１倍。其基因组的组织复杂，８０％以上的基因组ＤＮＡ由重复序列组成，只有约１５％为编码基因。通过ＮＰＧＩ第一个五年计划的技术积累，目前已经具备了对玉米基因组基因密集区进行测序的能力。③对少数关键植物的基因组进行详尽的分析。目前基因组测序的成本约为每个碱基对９美分。如果要获得小麦基因组序列的完成图（准确率９９.９９％），则需投入１４.４亿美元。如此高额的投入，使得现阶段不可能对所有植物物种的基因组进行测序。尽管美国国家人类基因组研究所打算在未来１０年中开发出测序成本仅为每个基因组１０００美元的廉价测序技术，但在这类廉价技术尚未开发成功之前，ＮＰＧＩ仍将基于第一个五年计划中关于参考基因组工具的概念，重点开发一些关键植物物种基因组基因密集区的序列草图。关键物种的选择标准包括：试验的可控性、基因组结构的复杂性、用作参考基因组的潜力和基因组序列信息对促进植物科学进步的作用。④开发对具有重要生物学意义和经济意义的植物进行基因组分析的资源，如深度遗传图和物理图、ＥＳＴ、ＢＡＣ文库等。在未来五年中尚无法对大批植物物种进行基因组测序分析的情况下，开发这些基因组分析资源将不仅可以满足研究工作的需要，而且还能有效节省成本。⑤认识植物基因组组织的结构基础。植物非常适宜用来研究复杂基因组组织的结构基础，且基因组组织含有植物进化历史的记录，因此，通过有选择性的比较分析就可揭示植物基因组现有结构和组织的形成过程。今后几年将会开发出更多的基因组序列、ＥＳＴ序列和其他结构基因组学资源。充分利用这些资源开展比较研究，将增进人们对植物基因组结构与组织之间关系的了解，并有助于探索植物科学方面的一些尚未解答的问题，如植物驯化过程与其基因组结构之间的相互影响、异源多倍体亚基因组的作用等。
２.认识植物基因组序列的生物学作用
在拟南芥和水稻基因组的测序工作完成以后，研究重点已经从获得基因组序列的初级信息转移到了认识基因组序列的生物学作用，这将是未来５年功能基因组学的研究重点。具体内容包括：①完成拟南芥功能基因组国际合作项目。通过合作各方的努力，争取在２０１０年前探明拟南芥２.６万多个基因的功能。②建立一个多国参与和协调的水稻功能基因组国际合作项目。ＮＰＧＩ第二个五年计划将根据拟南芥功能基因组国际合作项目的成功模式，启动水稻功能基因组国际合作项目，以探明水稻全部基因的功能，用作禾谷类植物的参考物种。③建立植物基因组研究资源的信息库。功能基因组学的研究成果，如植物种质、ＤＮＡ文库和克隆等，是开展生物学研究的重要资源。必须建立这些资源的公共信息库，以供研究工作者使用。
３.开展植物基因组学工具的应用
在掌握了一些关键物种基因的功能之后，要注重运用这些信息来解决一些植物生物学的基本问题，并开发出相应的新技术来生产具有更高经济价值和更广泛用途的植物。具体内容包括：①运用基因组学工具来研究植物的一些重要生物学性状和重要经济性状，如控制块茎和磷茎发育的基因网络、控制木本植物木质（软质和硬质）形成的基因网络、控制各种水果生物学发育过程的基因网络、控制植物氮磷营养应用能力（如空气固氮和对土壤中磷养分的吸收能力）的基因网络等。②将植物基因组学研究拓宽到生物多样性、生态学和生态系统等研究领域，以探索生物学领域的一些新机理和更高级法则，如植物形态多样性和生境多样性的形成机理、植物体内各种天然化合物的形成机理、植物体内化学成分随环境变化的调节机理、植物基因功能随着植物对新环境和新生态系统的适应性进化而发生改变的机理等。③将植物基因组学研究拓宽到可再生资源和生物新材料领域，以解决资源消耗和环境问题。例如，如果能通过基因组学研究成果的实际应用而使植物的光合效率有所提高，则将对植物生产产生很大的影响。
４.开发出适用的生物信息学工具
随着植物基因组学研究的深入，相应的信息资料急剧增多。科学界所面临的一个现实任务，就是开发出高效率的生物信息学工具，使研究工作者能够方便地获得、分析和比较这些信息，以便充分发挥已有基因组信息的作用。具体内容包括：①开发有助于研究工作者获得和使用各种基因组数据库的生物信息学工具。②开发建立基因组信息数据库所需的通用标准和界面，以增强数据库的互用性能。③建立基因组数据库中信息资料贮存的国际协调机制，包括数据库的信息贮存机制和数据库的标准化操作准则等。④开发进行植物基因组学数据分析的新运算法则，尤其是比较基因组学和群体遗传学的新运算法则。通过开发针对基因组信息分析的计算资源和分析工具，将有助于增加人们对一些植物基本过程的认识，如光合作用、呼吸作用、碳氮代谢、固氮、初级代谢和次级代谢、多倍性与驯化、植物与微生物的关系等。
５.加强植物基因组知识的教育和培训
ＮＰＧＩ的最终成功将取决于它对美国植物科学发展的促进作用。但是，让公众了解和认识植物基因组研究的重要意义也是ＮＰＧＩ的重要任务之一。为了使ＮＰＧＩ产生最佳效果，必须注意教育和培训下一代植物基因组学方面的科学家。未来五年的具体活动内容包括：①在植物基因组学研究领域，建立本科生、研究生和博士后研究人员的培训机制。通过设立培训资助计划，培训下一代植物基因组学科学家。②加强对植物基因组学新、老研究人员的生物信息学知识培训。生物信息学是开展植物基因组学研究的关键工具，也是不同级别研究人员的基础工具。因此，对植物基因组研究人员的生物信息学知识培训十分必要。③对高校教师队伍和植物科学工作者进行植物基因组学知识的在职培训。④通过各种形式的研修讨论会，让更多的研究人员获得和应用ＮＰＧＩ的研究资源。⑤将植物基因组学知识普及到１２年制的中小学基础教育群体。植物基因组研究工作者可以协助中小学开展科学课程的教学，邀请中小学师生参加植物基因组学研究项目，以培养出一批热爱植物基因组学科的潜在大学生群体。
６.进一步扩大ＮＰＧＩ的影响
根据ＮＰＧＩ第一个五年计划所积累的经验，第二个五年计划将进一步加强以下工作：①继续鼓励私有机构参与ＮＰＧＩ研究项目的合作。作为一个政府科研计划，ＮＰＧＩ不会直接资助私有机构的研究工作。但是，ＮＰＧＩ鼓励公共研究机构和私有研究机构双方集成研究资源，加速研究进程，与公众共享研究成果。②充分利用国际合作机遇，促使ＮＰＧＩ项目参与国际合作。由于越来越多的国家正在建立各自的植物基因组研究计划，因此，该领域的国际合作机会也越来越多，ＮＰＧＩ将鼓励所属的研究项目参与国际合作。③向公众宣传植物基因组学研究成果，让公众充分了解植物基因组学研究在人们日常生活中的作用。
ＮＰＧＩ第二个五年计划的经费概算
根据ＩＷＧ的估算，如果要全面实现ＮＰＧＩ第二个五年计划的目标，则需投入约１３亿美元，约相当于第一个五年计划中联邦政府实际投入的３.７倍。由于美国政府在预算和拨款体制上具有严格的法定程序，因此，ＩＷＧ的经费估算结果既不代表联邦政府的ＮＰＧＩ预算方案，也不代表国会批准的ＮＰＧＩ拨款方案，仅仅反映了ＮＰＧＩ的经费需求。至于今后五年联邦政府对ＮＰＧＩ的实际投入，将在考虑ＮＰＧＩ经费需求的基础上，按照联邦政府的预算和拨款程序进行核定。ＩＷＧ对未来五年ＮＰＧＩ经费需求估算的细节如下：①４亿美元用于植物基因组的结构和组织研究。②２亿美元用于功能基因组研究。③３亿美元用于开展植物基因组学工具的应用研究。④２.５亿美元用于植物基因组数据管理和生物信息学工具开发。⑤１.２５亿美元用于开展各类教育和培训活动。
讨论与建议
１.美国ＮＰＧＩ第一个五年计划的成功经验之一，是充分利用与私有机构和其他国家的合作研究关系，集成资源，加速研究目标的实现。在目前我国植物基因组研究的人力、物力和财力相对有限的情况下，借鉴美国ＮＰＧＩ的这一经验，将对加速我国的植物基因组研究工作产生重要影响。
２.加强相关领域研究工作的协调和信息共享，将大大提高植物基因组研究的效率。尤其要注意建立植物基因组研究计划与动物基因组研究计划之间的协调、沟通和信息共享机制，充分利用具有共性的研究成果及分析和研究方法等，尽可能寻求捷径，减少或避免重复劳动，提高研究工作的效率。
３.加强对公众的教育培训及下一代人才培养。鉴于植物基因组学研究成果对未来人类生活广泛而重大的影响，以及植物基因组学研究对人才需求不断增长的趋势，美国ＮＰＧＩ对公众的教育培训计划和向１２年制中、小学基础教育的扩展、渗透计划，实属具有远见的明智之举，值得我国管理部门在制定相关规划时借鉴。
４.美国ＮＰＧＩ资金投入的急剧增长趋势值得关注。１９９８年，ＩＷＧ对ＮＰＧＩ第一个五年计划资金需求的估算额度为４亿美元。但是，ＩＷＧ对ＮＰＧＩ第二个五年计划资金需求的估算额度猛增到１３亿美元，是第一个五年计划的３倍多。这一经费增长趋势，从一个侧面反映了美国积极应对植物基因组研究领域日益激烈的国际竞争、努力抢占植物基因组研究制高点的科技战略，应当引起我国相关部门重视，并合理配置我国该领域的研究资源，确保我国植物基因组研究的国际地位。
