一国际研究小组于近日发表了黑三叶杨（Populus trichocarpa，the Black Cottonwood，poplar）完整的DNA序列图谱，这是人类得到的第一个树木基因图谱。此项研究由美国能源部（DOE）、加拿大基因组学研究中心（Genome Canada）和瑞士于默奥植物科学中心（Umea Plant Science Centre）共同参与。黑三叶杨是北美洲最具生态学和商业价值的树木种类之一，它的测序工作是在DOE的联合基因组研究所（JCI）的测序基因组学实验室内（DOE Joint Genome Institute Production Genomics Facility）完成的。

“由于DOE在这项针对第一种树木基因组进行测序的国际合作中所起的领衔作用，使它又一次在探索型（创新类）科学中扮演了先锋角色，他们的工作将产生重要的社会效益。”美国能源部部长斯宾塞 · 亚伯拉罕（Spencer Abraham）说，“杨树基因组序列（图谱）向研究人员们提供了重要资源，来开发培养速生树木种类，产生更多能转变为燃料的生物量的树木种类，以及能鳌合空气中更多的碳（化合物）的树木，或者用来清洁垃圾堆积地的树木种类。正如DOE前一段时期在人类基因组作图和在人类健康事业中所起的领导作用一样，我们（DOE）很高兴取得了杨树基因组的测序成功，应用杨树的遗传学序列，科学家们将在今后生产出可作为更清洁能源和更利于环保的杨树品种来。"

“林业基因组学（Forest genomics）正向我们展示应该如何建立可持续的、集约型林业。”加拿大产业部部长大卫 · L · 爱默生（David L. Emerson）说，“破译完成的杨树遗传密码为我们提供了研究的原始材料，让我们能更好理解和认识那些支撑起林业经济的重要树木的关键性状的控制因素。它将有利于我们种植生长更快、木质更好的树木，并可通过开发早期监测、诊断和控制等的工具，更为警觉地进行森林保护和管理，使森林预防病虫害。”

美国能源部科学局的生物学和环境研究项目处为杨树研究计划提供了总计1200万美元的研究经费，其中800万美元用于测序，另外400万美元用于相关研究。此项为期两年的计划由位于田纳西州的能源部下属的橡树岭国家实验室（ORNL）协调、由能源部下属的联合基因组研究所（JGI）提供测序设备。合作者包括加拿大基因组学研究中心，尤其是不列颠哥伦比亚省基因组研究中心（Genome British Columbia）和不列颠哥伦比亚大学，以及不列颠哥伦比亚省癌症防治署米歇尔 · 史密斯（Michael Smith）基因组科学中心，他们共同合作完成了计划中最关键的DNA作图、测序和指纹识别等战略的实施。加拿大基因组学研究中心和不列颠哥伦比亚省基因组研究中心共向不列颠哥伦比亚省林业基因组学计划投资了1080万加元，其中有200万加元用于了杨树研究计划。瑞士的于默奥植物科学中心负责收集准确基因预测所必需的表达序列标签（EST）资源。瑞士的杨树研究项目的总投资超过了1000万美元，其中300万美元直接与基因组测序工作有关。斯坦福大学在JGI的序列完成和质量控制运作中起到整合作用。比利时根特大学（Chent University）在对已经产生的序列进行注释中也起到重要作用。

黑三叶杨基因组由4.8亿个遗传密码字母组成，为获得最高质量标准的测序结果，黑三叶杨测序得到的序列总长是其基因组序列的8倍（中间有重叠群）。杨树之所以被选择为第一种被解读的树木DNA序列，是因为其相对紧密的遗传内容，它的基因组大约比松树基因组小40倍，这使得杨树成为研究树木的理想模式系统。杨树基因组包含19条染色体，比四年前完成测序的第一种植物——拟南芥（Arabidopsis thaliana）的基因组大四倍，拟南芥是植物分子遗传学家们常用的重要研究工具。

黑三叶杨树叶

“尽管目前尚处于分析杨树基因组的早期阶段，但我们在第一轮分析中还是发现了四万多个基因，其中大多数都与其他植物的基因有着显著的相关性。”JGI的计算基因组学实验室主任丹尼尔 · 罗克哈萨尔（Daniel Rokhsar）说，“接下来的工作是要弄清楚这些相似的基因组成是如何在杨树中构成和重新部署的，从而使得杨树成为枝叶茂盛的大型植物，而不是矮小的杂草。目前，我们正在将杨树基因组序列与水稻、拟南芥的基因组进行比较，以便揭示出这些基因的进化、了解它们在这些多种多样、各自迥异的植物中是如何分化调控的。”杨树研究联盟的研究人员们计划在明年（2005年）早期公开发表他们分析的结果。

“碳的处理等一系列问题令人头疼，但是杨树在这些问题的解决方案中可以起到显著作用。”杰拉尔德 · 图斯坎（Gerald Tuskan）说，他是ORNL杨树研究计划的负责人。“各种树木都有一种固有的机制、将捕捉到的二氧化碳储存在叶子、枝条、树干和根内。这种碳螯合的天然机制提示了进一步净化空气的机会，途径是使树木（基因）工程化，从而更加有效地运输和储存更多的碳在树木根部和土壤中。”

“这项科学成就对林学领域之外的科学研究也会带来巨大影响。”于默奥植物科学中心的斯蒂芬 · 简森（Stefan Jansson）说，“现在，除了已经建立的拟南芥和水稻两种模式生物体外，全球的植物科学家们拥有了一种树木的模式生物体系统。树木所具有的许多独特特性，例如木质的形成、长寿命、季节性生长和（对环境的）耐受性模式等，意味着杨树可用来研究许多基本的生物学问题。”

“杨树的测序工作极其富有价值，因为在杨树这种模式生物体中发现的特性将同样可以应用于其他树木种类。”道 · 理德尔（Don Riddle）补充说，他是不列颠哥伦比亚省基因组研究中心的首席科学家。“在包括产业、生态和娱乐在内的加拿大的经济组成中，林业是至关重要的组成部分。尽管由于人类需求、病虫害爆发和全球气候变化等因素的影响，林业资源的压力日益增加，而优质树木育种仍处于发展的初步阶段，但本项研究将为树木基因组学提供坚实的基础，使之引入先进的生物学知识和辅助育种项目。”

JCI开发了杨树基因组浏览器（所有杨树基因组序列信息的数据库），其查询网址是http：//www.jgi.doe.gov/poplar。作为补充，一个名为Populus的瑞士数据库提供了（杨树基因组的）基因表达信息，可以在www.populus.db.umu.se网址获取相关信息。今年12月，JCI将主办名为“杨树（信息）注释的大聚会”的会议，会议上的国际学术报告将对注释基因组成中发现的特定功能进行阐释，还将整理其他有价值的基序（motifs），以进一步充实用于杨树研究的可公开查询数据库。