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水稻基因體定序完成

水稻基因體定序完成,成果刊登於Nature期刊。

"Cereal numbers" Nature

"Painstaking Approach Pays Off for Rice Sequencing Project" Science

"耗時7年 稻米基因完成定序" 聯合新聞網

"Genetic Map Completed, New Rice Age Dawns" Los Angeles Times

"Rice genome unravelled at last" BBC News

"水稻有3萬8千個基因,是人類的1.7倍" 讀賣新聞

"Rice Genome Fully Mapped" Washington Post

"Rice Plant: DNA Mapped" Washington Post

"Scientists crack DNA code of rice" USA Today

IRGSP新聞稿

  • 水稻是第一個定序完成的作物:世界上一半以上的人口仰賴稻米作為主要的糧食來源。
  • 對作物改良有重大幫助:高精確度、以圖譜方式進行定序的水稻基因體,已經協助辨識數個影響重要農藝性狀的基因,在農業栽培環境日益嚴苛的同時,提供快速成長的世界人口充足的糧食來源(例如:影響植物生長勢、提高水稻產量的基因,改變水稻光週期、擴展優良栽培種種植面積的基因)。
  • 高精確度與完整的基因體序列:水稻基因體是高等生物中定序最為完整與正確的序列。辨識了約37500個基因,同時是植物或動物中唯一完成染色體中節定序的基因體。
  • 與過去發表的定序草圖比較:過去所發表的水稻基因體定序草圖,缺乏辨識重要基因的基因組涵蓋率以及精確度。
  • 國際水稻基因體定序計畫:該計畫由日本主導,包括日本、美國、中國大陸、中華民國、法國、印度、韓國、泰國、英國與巴西等十國的國家型定序實驗室,組成國際水稻基因體定序團隊,各國共享實驗材料、定序資料與技術。定序完成的DNA序列馬上公佈於公開資料庫上,供各國水稻研究人員使用。
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    水稻為人類重要糧食之一,被人類栽培已經有超過一萬年的歷史,世界上超過30億的人口仰賴稻米作為主要的糧食來源。根據聯合國統計資料,水稻提供世界人口20%的飲食能量來源,是所有作物中比例最高者。單在亞洲地區,水稻以及相關的副產品,是超過20億人口每日所需能量的60-70%來源。水稻產量在過去30年成長了兩倍,然而隨著世界人口急速增加,預計在2025年時水稻必須再提高30%的產量,才能提供充足的糧食來源供人類食用。

    在農業栽培環境日益嚴苛的同時,如何提供快速成長的世界人口充足的糧食來源,能夠提高產量又兼顧生態保育的要求,是未來農業生物學家面臨的嚴苛挑戰。由於其重要性,水稻的遺傳育種研究歷史悠久,已累積大量研究成果,例如植物生理上各項功能與反應的作用、重要農藝性狀的遺傳模式、細胞學上詳盡的遺傳圖譜及物理圖譜及與其他禾本科作物物種基因組間的線性關係,在應用上如傳統育種或近年來轉殖技術亦有所成就且不斷進步,因此水稻成為研究上的模式植物。

    由於水稻的基因組在重要的禾本科作物中是最小的,加上上述種種優勢,使得水稻基因組定序計畫水到渠成,在1998年開始國際合作定序工作,聯合10個國家成立國際水稻基因組定序計畫(International Rice Genome Sequencing Project,IRGSP),該計畫由日本主導,包括我國、日本、南韓、英國、加拿大、美國、巴西、印度、法國與中國等十國的國家型定序實驗室,共同解讀水稻十二條染色體的基因密碼,各國共享實驗材料、定序資料與技術。且將定序完成的DNA序列馬上公佈於公開序列資料庫上,供各國研究人員使用。此計畫所完成的高精確度、並以圖譜定位方式進行定序的水稻基因體。這幾年已經協助辨識數個影響重要農藝性狀的基因,例如:影響植物生長勢、提高水稻產量的基因,改變水稻光週期、使優良栽培種得以擴展種植面積的基因、控制植株高度的基因等等。

    水稻基因組共訂出全長370,733,456鹼基對,基因組大小是人類基因組的八分之一。經過多年的努力,國際水稻基因組定序計畫先在2002年底宣布完成草圖,且繼續完成彌補空隙與基因註解工作。繼而在2004年年底水稻基因組定序工作宣告達成目標,準確度高達99.99%且涵蓋97%以上基因組的序列解讀。此工作比過去所發表的水稻基因體定序草圖嚴謹,因為過去的基因體資料缺乏辨識重要基因的基因組涵蓋率以及精確度。由國際水稻基因組定序計畫所發表的水稻基因體定序,是高等生物中定序最為完整與正確的序列。是動、植物中唯一完成染色體中節定序的基因體。該研究成果發表在八月十一日出版的”自然”科學期刊。

    我國自1998年參與此計畫至今,負責第五條染色體約三千三百萬鹼基對的定序分析工作,這個龐大計畫的經費由國科會農委會中研院院本部及植微所支持。由中研院植物所、成功大學生科所的數位研究人員共同主持,並有多位博士後研究員、研究助理及研究生的努力參與。在2002年IRGSP要求提高定序速度時,榮陽團隊與賽亞基因公司亦加入協助定序的行列中。在水稻第五條染色體上,我們共定序了318個殖系,扣除殖系間的重複區域後,建構出全長29,916,617鹼基對的水稻第五條染色體,為十二條染色體中涵蓋率第三名。序列解讀之後,經由比對已知的基因序列或是基因模式,可以預測基因組中基因出現的位置分布,目前分析預測水稻第五條染色體有超過4,500個基因,而全部水稻基因組估計約為37,500。這些序列解讀後經過詳細的確認程序,隨即在網路上的公共資料庫註冊登錄,以達到資源分享的目的,而定序工作的詳細資料也列在我們的工作網址-http://genome.sinica.edu.tw,內容包括解讀出的高品質序列及序列在公共序列資料庫的連結,可以由此連結瀏覽序列的結構與註解。

    基因組定序與註解工作除了實驗室中的龐大定序工作之外,高速電腦的輔助也是不可或缺,尤其水稻基因組中有大量的重複序列,這些重複序列對基因組的結構、演化研究及基因定位分析上相當重要,但高度重複區域的定序及序列拼接工作都相對地困難許多。我們在第五條上完成許多高重複區域的定序,其中包括約2百萬鹼基對的中節及約0.4百萬鹼基對的末端(telomere),以及許多由轉位因子造成的重複基因,可以顯示我們在定序工作上的精確度。目前預測的基因中大約有一半左右的功能尚待確定,在愈趨豐富的資料庫以及科學家運用各種技術與策略的努力下,基因的功能持續被揭知,且基因間相互作用的研究也蓬勃進行中。

    水稻基因組定序工作完成宣告了後基因組時代的正式來臨,目前台灣的各研究單位、大專院校等都在進行功能基因組研究,例如產生突變株、特定基因功能研究、基因定位等等。我們在完成此一世紀任務之際,也將持續把累積的經驗及國際間研發的新知,繼續投入水稻更深入的研究工作上,希望對台灣水稻及其他作物的遺傳育種研究有更實際的幫助。