战略与机遇：迈进烟草基因组时代

战略与机遇：迈进烟草基因组时代

中国烟草基因组重大专项首席科学家团队

中国烟草基因组计划是中国烟草行业实施的科技重大专项之一，是烟草行业对国家创新发展战略的具体落实，是顺应当前生物技术和生命科学发展趋势、加强基础前沿研究、抢占科技制高点、增强行业核心竞争力的重要举措。本文介绍了中国烟草基因组计划的提出背景、研究进展和主要成就，展望了未来烟草基因组研究的方向。中国烟草基因组计划旨在从源头上攻克烟叶生产关键技术的瓶颈制约，推动中国烟草基础与应用研究步入基因时代，实现从传统育种向精准育种的战略跨越，全面引领烟草科技发展未来。

烟草；基因组；计划；战略

1 基因时代

26年前，人类基因组计划启动。这个计划被认为是人类科技史上与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划同样重要的一项大计划，总共耗时16年的时间，总投资约30亿美元[1]。中国以及一些主要发达国家参与了这个计划。人类基因组计划引领并开创了一个时代，从完成至今，全世界已经完成全基因组测定的动物有300多种[2]、植物100多种[3]和微生物1000多种[4]，目前还有成千上万的基因组计划正在全球实施。中国以人类基因组，水稻基因组和家蚕基因组测序为契机，经过20年的发展，成为世界基因组研究中的强国，同时也为中国烟草基因组计划奠定了很好的基础。

为什么那么多的国家都要实施基因组计划呢？其中一个最根本的原因就是：地球上所有的生物，包括动物、植物、微生物，其基本特性、生长发育以及生老病死，都与基因有关。最近由美国提出的精准医学、精准治疗风生水起，我国也紧跟其后。其实“精准”二字，落脚点就在基因之上。基因技术带来了精准医疗，人类基因组计划带来了精准医学。那么烟草基因组计划会带来什么呢？其最大的意义在于烟草的精准育种。

世界人口数量增长快速，粮食一直是人类生存面临的最重大挑战。对于作物高产、抗逆、品质的研究，大多数的国家都要追溯到基因组来解决问题，这也是农业发展的大趋势。正是在这样一个大的历史背景下，国家烟草专卖局制定了中国烟草基因组计划，并把它列入“十二五”期间的重大专项之一。

2 中国烟草基因组计划

2.1 背景

栽培烟草与大多数植物不同，属于异源四倍体，包含有来自祖先种绒毛状烟草和林烟草的两套基因组[5]；烟草基因组庞大，遗传背景复杂，拥有45亿对碱基，远超水稻、玉米、牛羊等动植物，是人类基因组大小的1.5倍[6]。中国烟草基因组计划首先面临的挑战是测序规模大、组装分析难度高，远远超出已完成测序的物种。美国、欧盟都曾试图攻下烟草基因组堡垒，皆因难度太大，都未能达到预期。中国烟草同国际一流研究平台深圳华大基因研究院紧密合作，组成烟草测序科研团队，设计出独特的测序、组装、分析技术策略，在国际上首次攻克四倍体烟草基因组，完成了一整套高标准高质量的基因组图谱。

用两句话可以概括中国烟草基因组计划实施的历史大背景：第一句话是“英美起步较早，但是进展缓慢，质量不高”，目前来看有点像个烂尾工程。第二句话就是：“中国正是在这样的一个契机下，抓住了机遇，制定了非常好的战略层面和战术层面的设计，所以弯道超车，后来居上”。

烟草行业卷烟制品优质原料来自于优良的品种。过去传统育种发挥了至关重要的作用，但受规模和技术限制，现在已经遇到了天花板。从总体上讲，烟草基因组计划就是要突破这个障碍，针对烟草行业主体需求，以“优质、特色、绿色、安全”为目标，推进现代烟草精准育种，使烟草育种走到精准化、设计化的道路上去。国家烟草专卖局制定了“发现基因、研究基因、利用基因”三大任务，制定要从结构基因组走到功能基因组，走到分子育种的道路，制定了破译密码、揭示机理、然后分子育种的主攻任务，这是一整套战略和战术上的方案措施。

2.2 主要成就

2010年12月9日，中国烟草基因组计划正式拉开帷幕，烟草育种研究从此进入基因时代。

2011年，完成绒毛状烟草和林烟草全基因组序列图谱。

2012年，完成标记数最多、密度最高的烟草分子遗传连锁图谱[7-10]。

2013年，完成栽培烟草全基因组序列图谱。

2014年，构建首张烟草单倍体型图，揭示烟草百年育种进程。

中国烟草拥有了世界上最系统完备、最准确精细的烟草基因图谱，使我国成为掌握烟草基因资源最多的国家，一举抢占国际烟草基因研究制高点。在烟草结构基因组研究取得辉煌成就的同时，配套关键技术也取得了重大突破。

创制全球第一套烟草全基因组基因芯片，探针数目超200万，密度和质量稳居国际首位，揭示烟草全植株、全生育期基因表达规律；

创制全球最大规模的烟草突变体库，突变体材料达27万份，鉴定挖掘一大批具有研究价值和应用潜力的突变体植株[11-14]；

开展300多个烟草品种的基因组关联分析，揭示了37个关键性状的遗传基础[15,16]；

建立国际先进的烟草代谢组学平台，获得超过2万个烟草代谢组基础数据，揭示了不同香型、不同产区、不同品种的烟叶代谢差异，构建了烟草香气、品质等部分关键性状的代谢途径[17-19]；

首次在烟草中突破基因组编辑技术，能够在规避转基因风险的前提下，实现对烟草品种进行人工设计、人工纠错、人工改良，是烟草精准育种的重要工具[20]。

发现烟草开花期调控基因，成功开发出缩短烟草生育期技术，能快速收获种子，育种效率提高三分之一[21]。

建立烟草基因组数据库，汇集基因序列、基因芯片、突变体、代谢组等所有产出的数据资源，数据容量相当于大英图书馆馆藏图书内容的20万倍，已经成为国际上覆盖烟草基因组数据最全面、体系最完整、最有应用和研究价值的数据库和云计算平台。

中国烟草在结构基因组及配套关键技术的突破，带动了功能基因组研究和分子育种的跨越。五年来，中国烟草基因组计划解析烟草重要性状功能基因230多个，申请基因发明专利125项，开创了从功能基因出发、从突变体出发、从大数据出发的育种技术路径，围绕抗病、抗逆、品质、低害、农艺等性状的品种定向改良，系统布局，有效推进，育成品种或品系18个，第一次打通从基因到品种的创新链条。

在抗病性状方面，成功培育抗黑胫病的红花大金元、兼抗黄瓜花叶病和普通花叶病的K326、抗赤星病的NC82、抗普通花叶病的中烟100、抗青枯病的翠碧1号等新品系，田间试验和感官评吸综合表现良好。

在低害性状方面，完成重金属转运、N-亚硝基降烟碱（NNN）合成、苯并芘相关基因筛选和鉴定，并应用于品种选育。实验材料中镉含量下降50%，N-亚硝基降烟碱（NNN）含量下降50%，烟气苯并芘含量降低20%[22]。

在品质性状方面，获得烟草钾通道、钾转运相关基因132个，腺毛分泌物合成相关基因25个，类黄酮和萜类化合物等致香物质合成相关基因45个[23-25]，筛选和鉴定高香气突变体5个[26]，育种应用正加紧进行。

在农艺性状方面，获得了烟草腋芽突变体，精确锁定了2个腋芽控制基因位点，积极布局少腋芽烟草品种的选育[27,28]。

在抗逆性状方面，开展了抗旱、抗低温、抗蚜虫等一系列基因的功能研究，部分基因功能和调控手段已基本明确[29,30]。

五年来，中国烟草基因组计划作为一场贯穿大科学、大数据、大产业的科研大工程，实现了从无到有、从弱到强的华丽蜕变。在结构基因组、功能基因组、分子育种三方面成果丰硕，用五年的时间完成了其他作物基因组十年的工作，取得了一批具有国际水准的标志性成果。

成绩的背后是组织运作和体制机制的大创新。坚持“科学、严谨、创新、突破”的方针，以“发现基因、研究基因、利用基因”为主线，以自主科研力量为主力军，“大兵团”联合作战，协同攻关。中国烟草基因组计划先后成立国家烟草基因研究中心、国家烟草基因工程中心2个中心，布局7个技术平台，形成链条完整、优势互补的生物技术研究集群；面向全球招聘首席科学家，开创烟草科技项目首席专家负责制的先河；成立国内外多名院士领衔的专家委员会，开放吸纳国内外优质资源。

成绩的背后是一支具有较高专业素养、富有活力和创造力、敢于与国际一流团队动真碰硬、同台竞技的研究队伍。他们平均年龄35岁，90%以上具有博士学位，30%以上具有海外留学经历，就是这样一群80后，挥洒着自己的智慧和汗水，与烟草基因组计划共成长，行走在基因科学最前沿。

2.3 实践

烟草黑胫病是烟草生产上具有毁灭性的病害之一，严重影响烟草产量和质量[31]，根据烟草基因图谱，锁定了抗黑胫病基因[32]，绘制了抗病基因的位置信息图，成功获得了改良的红花大金元品种。2016年在大理、昆明、玉溪等地进行了一定规模的种植。结果显示在改良后的红花大金元植株上，没有发现任何一个黑胫病的病斑！在同一个地块的对照，没有经过改良的红花大金元植株黑胫病发病率却很高。单从黑胫病防治而言，每亩就能节约60元。这和转基因没有丝毫关系。以后整个重大专项的育种，不会使用一个转基因技术，都是合法合规的技术。

同时也育成了抗病毒病的K326品种，同样在四川西昌、山东诸城等地进行了大田种植，其发病率大幅度降低，然而烟草也会受到其他病毒的侵害，并不是找不到一个病毒病斑。改良后的K326每亩能节约70元的病毒病防治成本。通过基因组图谱，红花大金元和K326两个品种的抗病改良都取得了成功，不仅节约了病害防治的成本，还提高了烟草品质和烟叶安全性。

行业内外知名专家组成的专家组鉴定认为：“在过去短短的五年中，烟草基因组计划完成了基础研究，并且进行了成果转化，这种效率远远超过了水稻、玉米那些国家大团队联合作战测序的大物种，这可以说是烟草生物技术革命的一个前奏。”

3 展望

未来五年，中国烟草基因组计划将推动研究升级，开展全基因组、全信息、全材料的模块育种，实现烟草育种从单基因、单性状定向改良到多基因、多性状有效聚合的转变，努力实现每个烟叶主产区都至少有一个适应当地生态特点的突破性特色品种，把烟草基因资源优势转化为生产力优势。

烟草基因组重大专项要将影响行业当今和未来发展的所有烟草重要性状作为主要研究任务，包括四个大的方面：一是抗性方面，包括抗病、抗逆和抗虫等；二是农艺性状方面，包括高效生产、容易采烤、克服连作障碍等；三是低害方面，持续地降低烟草的危害；四是品质方面，提高烟草香气成分等，这些都是工业和农业关心的性状，要全部纳入重大专项，成为重大专项的进攻目标。目前这一规划，已获得了国家烟草专卖局的正式批准。

“十三五”期间，要获得更多的基因，构建更多的模块，培育更多的品种。为此，利用模块育种技术手段，开展聚焦品质性状的烟草全基因组模块育种。策略上分左右两路军来实现：一个是农业育种线路，另一个是工业育种线路，总的目标是要实现烟草精准育种和高效育种。充分利用“十二五”期间已建好的两个中心和七个研究平台，以及超过十个以上的省级局研究所，一起协同攻关，继续发扬大团队的协作精神。“十三五”期间，随着烟草工业企业加入基因组计划，搭建工业育种平台，包括云南中烟平台、上海烟草平台等。同时，也要联合国际上的大平台，以及中国在医学、生物科学和农学方面最先进的团队，形成一个更大规模的作战集群。

模块育种是烟草“十三五”以及未来烟草育种的核心理念。烟草有很多性状是需要改良的，并不是简单地把所有的性状加在一起就成为了一个超级品种，原理上应该是把有用的性状组合起来，去适应不同的产区，甚至于为不同的工业品牌做专属的品种，这样的品种才是最好的品种。可以用打麻将举例说明：用同样一副麻将可以打出“清一色”，也可以打出“七对”，打出不同的组合。把自己要的牌留下，把不要的牌打出去，说起来简单，做起来并不容易。首先要制造麻将块，其次还要会打。不但要会打，还要在最短的时间内打出来！这就是模块化育种的主体思想。“十三五”期间，继续发挥农业大军团作战，就是从大数据、从突变体、从功能基因出发，瞄准烟草重要的品质性状，然后进行模块化育种。

正在模块化育种计划执行的过程中，国际上也发生了一件重大的事情。各大种业跨国公司，拜耳、孟山都、杜邦等公司都在利用基因编辑开展育种，同时规避转基因。从能够查到的信息上看，这些公司已经投入30亿美元用于基因组编辑技术研发。基因编辑是一个更好、更快的技术。不仅开展技术研发，而且在小麦、水稻、玉米、蘑菇、卷心菜和马铃薯等农作物上，通过基因组编辑改良的品种已经开始面世[33-35]。两年前，基因组编辑技术刚刚萌发的时期，国家烟草专卖局紧急布局了相关项目，当年启动，当年结题，在烟草上一举拿下了这项技术。这是中国科学家取得的，世界上第一个在栽培烟草中突破的基因组编辑技术。而且，利用这个技术创造了抗马铃薯Y病毒的素材、低NNN的素材和高烟碱的素材[36]，品种正在培育，很快会有成果出来。

农业育种作为烟草育种的主要方式，是必须继续坚持做的。“十三五”期间最重要的另外一件事情，就是做好设计，让工业参与育种。通常情况下，烟草育种应用先是由农业育成品种后，再请工业来评价，看是否符合工业生产卷烟的需求。现在想采取第二条路线，请工业部门加入，把育种的现场从农田搬进工厂，利用基因组编辑技术实现自动化、流程化、规模化，可控、快速、定向、精准育种。工业育种满足卷烟生产需求后，再请农业育种部门评价，这是一项系统性的育种工程。

利用基因组重大专项先期取得的成果和研发的技术，国家局计划在云南中烟建立中国第一的工厂化、规模化烟草素材创新平台。工厂中烟草不种在土壤上，全部种在水培管道里，并且全部用计算机进行栽培调控。在“十三五”期间，计划利用这个工业育种平台创制1万份素材，争取获得50-100份全新品种。

原来的农业品种培育、工业原料加工、商业品牌利用之间的关系总是单行道。未来，随着基因组计划重大专项的继续深入实施，将把它建成双车道，并且是双向八车道！再把品质问题、品质追求、个性设计、原料加工等都整合起来，形成一个大的集群。这不是一个简单的品种问题，更要深入到全行业应用！

烟草基因组团队还要主动对接新型烟草制品。针对加热不燃烧、电子烟、无烟气烟草制品，抓紧做专属的、专用的烟草品种。不但在工业加工方面、配方装备方面跟国外竞争，而且在新型烟草原料创制方面，基于基因组技术和精准育种手段，抢占未来新型烟草品种方面的优势。

凌成兴局长指出烟草未来要供给侧改革，占领个性化、差别化的市场。在精准育种的基础上，在信息化、物流化，和现在高水平工业制造业的支持下，烟草未来的工业4.0版本，应该是为每一个用户订制所需要的烟草：满足需求的同时，把危害降到最低。这就需要足够多的品种，足够丰富的类型，这就是基因组重大专项团队应该要去想和要去做的事情。从工厂化育种做起，以数量和品质重新定义烟草品种，多元化品种支撑品牌发展，最后实现烟草精准育种和满足个性化卷烟需求。

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Chief Scientist Team of China Tobacco Genome Project

:Chief Scientist Team of China Tobacco Genome Project. Strategy and opportunity: striding into tobacco genome era [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2017,23(3)

*Corresponding author.Email：xiaqy@swu.edu.cn

Strategy and opportunity: striding into tobacco genome era

China's tobacco genome project is one of major science and technology projects for China tobacco industry, which is the concrete implementation of national innovation development strategy in tobacco industry and an important step forward to adapt to the current development trend of biotechnology and life sciences. It is also an important measure to strengthen basic frontier research, scale the heights of science and technology, and enhance core competitiveness of the industry. The background, research progress and main achievements of China's tobacco genome project were introduced in this paper, while future tobacco genome research direction was prospected. China's tobacco genome project aims to break the bottleneck in key technologies of tobacco production, and to promote research of China tobacco basic and applied research into the era of genome, so that to realize the strategic leap from traditional breeding to precision breeding, and to guide the future development of tobacco science and technology.

tobacco; genome; plan; strategy

中国烟草基因组重大专项首席科学家团队. 战略与机遇：迈进烟草基因组时代[J]. 中国烟草学报，2017,23（3）

中国烟草基因组重大专项首席科学家团队，Email: xiaqy@swu.edu.cn

2017-03-23；< class="emphasis_bold">网络出版日期：

日期：2017-06-23