2012年，伴隨著煙草基因組計(jì)劃重大專項(xiàng)的啟動(dòng)，國(guó)家煙草專賣(mài)局組織中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院、云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所、貴州省煙草科學(xué)研究院、西南大學(xué)、湖南省郴州市煙草專賣(mài)局（公司）等單位同步展開(kāi)了煙草全基因組基因芯片自主設(shè)計(jì)、系統(tǒng)創(chuàng)制及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目聯(lián)合攻關(guān)。

如今，煙草全基因組基因芯片技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到先的趕超進(jìn)位，站在了國(guó)際煙草基因芯片研究的最前沿。

2022年4月，由基因芯片領(lǐng)域院士、領(lǐng)軍專家為主組成的鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為，該項(xiàng)目打通了從基因芯片設(shè)計(jì)到育種產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的技術(shù)路徑，對(duì)于煙草生物育種技術(shù)創(chuàng)新具有引領(lǐng)作用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外煙草全基因組基因芯片創(chuàng)制應(yīng)用領(lǐng)域的空白，整體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

“煙草基因芯片的創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)告訴我們，關(guān)鍵核心技術(shù)是買(mǎi)不來(lái)、要不來(lái)的，必須自力更生、自主創(chuàng)新。唯有集中精力、團(tuán)結(jié)一心、接續(xù)奮進(jìn)，才能加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。”鄭州煙草研究院黨組成員、副院長(zhǎng)王德平如是說(shuō)。

自主締造“煙草芯”

作為一種高通量分析全基因組水平基因表達(dá)和遺傳變異的工具，基因芯片可研究煙草不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的組織和器官基因表達(dá)模式、不同育種材料間的遺傳變異，進(jìn)而鑒定出與煙草生長(zhǎng)、發(fā)育、抗性、品質(zhì)等關(guān)鍵性狀相關(guān)的關(guān)鍵基因，是發(fā)現(xiàn)基因、研究基因的重要手段之一。

那么，煙草基因芯片研究怎么突破？從哪里突破？國(guó)家煙草專賣(mài)局提出了“自我掌控、自主設(shè)計(jì)、面向前沿、突出應(yīng)用”的總體思路。

在這一思路的指引下，國(guó)家局精心組織項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)用融合疊瓦式設(shè)計(jì)理念，在有效覆蓋了36728個(gè)林煙草和絨毛狀煙草高度同源基因、38406個(gè)林煙草和絨毛狀煙草非高度同源基因、18966個(gè)栽培煙草基因，煙草基因探針集總數(shù)為2190855個(gè)的基礎(chǔ)上，于2012年年底制作完成全球第一套煙草全基因組基因芯片（Tiling）。

自主研發(fā)Tiling芯片不僅成為煙草基因組計(jì)劃重大專項(xiàng)的標(biāo)志性成果，更給予了研發(fā)人員巨大的勇氣與底氣。2013年年初，項(xiàng)目組乘勢(shì)而上，按照全轉(zhuǎn)錄本表達(dá)譜探針設(shè)計(jì)策略，特別針對(duì)栽培煙草S、T亞基因組間多拷貝高度同源基因進(jìn)行有效探針設(shè)計(jì)甄別，成功研發(fā)四倍體煙草全基因組基因芯片（WT）；綜合中國(guó)煙草基因組數(shù)據(jù)庫(kù)和公共轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)庫(kù)TOBFAC，設(shè)計(jì)38423個(gè)探針集和172188個(gè)探針，研發(fā)制作煙草轉(zhuǎn)錄因子基因芯片（TF）。

“Tiling芯片、WT芯片、TF芯片研發(fā)數(shù)據(jù)均源于自主測(cè)序數(shù)據(jù)，自主撰寫(xiě)芯片設(shè)計(jì)代碼，自主設(shè)計(jì)多類型、高密度探針，自主創(chuàng)新研發(fā)形成了品類最全、涵蓋基因最多、探針密度最高的全基因組表達(dá)譜芯片。”項(xiàng)目組成員、國(guó)家煙草基因研究中心主任曹培健自豪地說(shuō)。

為了得到更真實(shí)的基因表達(dá)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了樣品采集方案，將溫室和大田栽培的紅花大金元基因表達(dá)譜融于一身，組織科研人員分赴生產(chǎn)一線，在規(guī)定的時(shí)間段、規(guī)定的氣候條件下，按照統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，陸續(xù)采集了2220份實(shí)驗(yàn)樣品，覆蓋了主要煙葉品種、煙葉產(chǎn)區(qū)，確保了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的全面性。

在曹培健看來(lái)，僅僅是完成基因組表達(dá)譜芯片，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須通過(guò)設(shè)計(jì)基因變異檢測(cè)芯片，獲得一批煙草重要性狀相關(guān)功能基因與遺傳材料，為分子育種提供數(shù)據(jù)支撐。

在研發(fā)過(guò)程中，項(xiàng)目組利用煙草基因組計(jì)劃重測(cè)序數(shù)據(jù)，基于Axiom高密度基因分型策略，研制高密度四倍體煙草基因分型430K SNP基因芯片、中密度的55K SNP芯片，主要用于遺傳圖譜構(gòu)建、基因定位、全基因組分子模塊定位鑒定、定向遺傳改良品種遺傳背景鑒定以及煙草品種鑒定等用途。

十年之力，自主締造“煙草芯”。項(xiàng)目組研發(fā)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建一個(gè)高通量、高精度、高效率的基因表達(dá)/變異鑒定平臺(tái)和分子育種技術(shù)體系，突破了異源四倍體基因組中高度同源基因探針設(shè)計(jì)難題，解決了異源四倍體SNP二倍體化探針設(shè)計(jì)瓶頸，研制了全球首套煙草全基因組基因芯片（Tiling、WT、TF、430K SNP、55K SNP），系統(tǒng)繪制了煙草全基因組、多時(shí)空、不同組織的基因表達(dá)圖譜，揭示了煙草全基因組水平上的基因表達(dá)互作調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)制一系列能夠有效調(diào)控?zé)熑~中黃酮醇、綠原酸等品質(zhì)性狀關(guān)鍵代謝物的遺傳材料。

創(chuàng)新成果惠發(fā)展

創(chuàng)新要經(jīng)得起實(shí)踐應(yīng)用的檢驗(yàn)。

項(xiàng)目組成員、國(guó)家煙草基因研究中心研究員楊軍告記者，煙草全基因組表達(dá)圖譜有效支撐行業(yè)煙草功能基因研究，全面服務(wù)于不同類型科研項(xiàng)目/科學(xué)研究的基因篩選、基因定位、功能鑒定及生物技術(shù)應(yīng)用研究等，挖掘和克隆煙草重要性狀（品質(zhì)、低害、抗性、農(nóng)藝等）功能基因，為煙草功能基因研究和育種應(yīng)用提供重要的基因資源和遺傳材料。

——利用全轉(zhuǎn)錄本（WT）基因芯片，有效支撐云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院、中國(guó)農(nóng)科院青州煙草研究所“云煙300”“云煙301”“中煙300”等新品種培育,完成新品種遺傳背景鑒定和抗病染色體區(qū)段定位，確保改良新品種較之原始品種98％以上的遺傳背景恢復(fù)率，有效提升煙草定向遺傳改良效率。

——利用煙草全基因組生物育種基因芯片（430K、55K SNP芯片），通過(guò)繪制高密度遺傳連鎖圖譜、篩選不同世代優(yōu)良單株、檢測(cè)優(yōu)良單株遺傳背景、挖掘優(yōu)良性狀相關(guān)分子標(biāo)記等，有力支撐構(gòu)建最高精度的煙草全基因組分子模塊庫(kù)。

——在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《一個(gè)新的煙草黑脛病主效抗性基因qBS-17精細(xì)定位》《野生煙草抗番茄斑萎病毒基因的克隆和鑒定》等研究中，應(yīng)用430K SNP芯片構(gòu)建了烤煙與雪茄煙組合的高密度遺傳圖譜，將黑脛病抗性主效位點(diǎn)定位于1.1 Mb范圍內(nèi)，準(zhǔn)確定位了普通煙草攜帶的野生煙草抗TSWV導(dǎo)入片段，大幅提升了精細(xì)定位主效抗性基因的效率。

如今，煙草基因芯片技術(shù)研究已為其他作物相關(guān)功能基因研究和應(yīng)用提供了借鑒，在西北農(nóng)林科技大學(xué)、西南大學(xué)、西部（重慶）科學(xué)城種質(zhì)創(chuàng)制大科學(xué)中心、江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所等科研機(jī)構(gòu)中應(yīng)用，這是行業(yè)對(duì)作物科學(xué)研究的直接貢獻(xiàn)。

項(xiàng)目組錘煉科技原始創(chuàng)新能力，產(chǎn)生了一批原創(chuàng)科研成果，在期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文37篇，其中SCI收錄論文16篇，中科院1區(qū)TOP期刊論文1篇；獲專利授權(quán)36件，其中發(fā)明專利17件；發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。

“王中、武明珠在表達(dá)譜分析和功能基因挖掘鑒定上作出貢獻(xiàn)，謝小東、羅朝鵬在育種芯片應(yīng)用方面頗有建樹(shù)……”國(guó)家局科技司負(fù)責(zé)人表示，基因芯片項(xiàng)目還培養(yǎng)鍛煉了一支掌握基因芯片研制、檢測(cè)、分析、應(yīng)用以及分子育種、定向改良核心技術(shù)的科研團(tuán)隊(duì)，他們潛心于這一領(lǐng)域的研究，成長(zhǎng)為具備原始創(chuàng)新能力的骨干力量。

創(chuàng)新沒(méi)有終點(diǎn)。采訪中，項(xiàng)目組成員表示，要利用好基因芯片這一先進(jìn)手段，開(kāi)發(fā)利用好未知的煙草功能基因，在煙草生物育種、智慧育種方面取得更多原始性創(chuàng)新成果，堅(jiān)實(shí)支撐行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。