2012年，伴随着烟草基因组计划重大专项的启动，国家烟草专卖局组织中国烟草总公司郑州烟草研究院、云南省烟草农业科学研究院、中国农业科学院烟草研究所、贵州省烟草科学研究院、西南大学、湖南省郴州市烟草专卖局（公司）等单位同步展开了烟草全基因组基因芯片自主设计、系统创制及产业应用项目联合攻关。

如今，烟草全基因组基因芯片技术创新实现了从无到有、从有到优、从优到先的赶超进位，站在了国际烟草基因芯片研究的最前沿。

2022年4月，由基因芯片领域院士、领军专家为主组成的鉴定委员会一致认为，该项目打通了从基因芯片设计到育种产业应用的技术路径，对于烟草生物育种技术创新具有引领作用，填补了国内外烟草全基因组基因芯片创制应用领域的空白，整体达到国际领先水平。

“烟草基因芯片的创新经验告诉我们，关键核心技术是买不来、要不来的，必须自力更生、自主创新。唯有集中精力、团结一心、接续奋进，才能加快实现高水平科技自立自强。”郑州烟草研究院党组成员、副院长王德平如是说。

自主缔造“烟草芯”

作为一种高通量分析全基因组水平基因表达和遗传变异的工具，基因芯片可研究烟草不同生长发育时期的组织和器官基因表达模式、不同育种材料间的遗传变异，进而鉴定出与烟草生长、发育、抗性、品质等关键性状相关的关键基因，是发现基因、研究基因的重要手段之一。

那么，烟草基因芯片研究怎么突破？从哪里突破？国家烟草专卖局提出了“自我掌控、自主设计、面向前沿、突出应用”的总体思路。

在这一思路的指引下，国家局精心组织项目研发团队用融合叠瓦式设计理念，在有效覆盖了36728个林烟草和绒毛状烟草高度同源基因、38406个林烟草和绒毛状烟草非高度同源基因、18966个栽培烟草基因，烟草基因探针集总数为2190855个的基础上，于2012年年底制作完成全球第一套烟草全基因组基因芯片（Tiling）。

自主研发Tiling芯片不仅成为烟草基因组计划重大专项的标志性成果，更给予了研发人员巨大的勇气与底气。2013年年初，项目组乘势而上，按照全转录本表达谱探针设计策略，特别针对栽培烟草S、T亚基因组间多拷贝高度同源基因进行有效探针设计甄别，成功研发四倍体烟草全基因组基因芯片（WT）；综合中国烟草基因组数据库和公共转录因子数据库TOBFAC，设计38423个探针集和172188个探针，研发制作烟草转录因子基因芯片（TF）。

“Tiling芯片、WT芯片、TF芯片研发数据均源于自主测序数据，自主撰写芯片设计代码，自主设计多类型、高密度探针，自主创新研发形成了品类最全、涵盖基因最多、探针密度最高的全基因组表达谱芯片。”项目组成员、国家烟草基因研究中心主任曹培健自豪地说。

为了得到更真实的基因表达数据，项目组设计了样品采集方案，将温室和大田栽培的红花大金元基因表达谱融于一身，组织科研人员分赴生产一线，在规定的时间段、规定的气候条件下，按照统一技术标准，陆续采集了2220份实验样品，覆盖了主要烟叶品种、烟叶产区，确保了基础数据的全面性。

在曹培健看来，仅仅是完成基因组表达谱芯片，还远远不够，必须通过设计基因变异检测芯片，获得一批烟草重要性状相关功能基因与遗传材料，为分子育种提供数据支撑。

在研发过程中，项目组利用烟草基因组计划重测序数据，基于Axiom高密度基因分型策略，研制高密度四倍体烟草基因分型430K SNP基因芯片、中密度的55K SNP芯片，主要用于遗传图谱构建、基因定位、全基因组分子模块定位鉴定、定向遗传改良品种遗传背景鉴定以及烟草品种鉴定等用途。

十年之力，自主缔造“烟草芯”。项目组研发团队构建一个高通量、高精度、高效率的基因表达/变异鉴定平台和分子育种技术体系，突破了异源四倍体基因组中高度同源基因探针设计难题，解决了异源四倍体SNP二倍体化探针设计瓶颈，研制了全球首套烟草全基因组基因芯片（Tiling、WT、TF、430K SNP、55K SNP），系统绘制了烟草全基因组、多时空、不同组织的基因表达图谱，揭示了烟草全基因组水平上的基因表达互作调控网络，创制一系列能够有效调控烟叶中黄酮醇、绿原酸等品质性状关键代谢物的遗传材料。

创新成果惠发展

创新要经得起实践应用的检验。

项目组成员、国家烟草基因研究中心研究员杨军告记者，烟草全基因组表达图谱有效支撑行业烟草功能基因研究，全面服务于不同类型科研项目/科学研究的基因筛选、基因定位、功能鉴定及生物技术应用研究等，挖掘和克隆烟草重要性状（品质、低害、抗性、农艺等）功能基因，为烟草功能基因研究和育种应用提供重要的基因资源和遗传材料。

——利用全转录本（WT）基因芯片，有效支撑云南省烟草农业科学研究院、中国农科院青州烟草研究所“云烟300”“云烟301”“中烟300”等新品种培育,完成新品种遗传背景鉴定和抗病染色体区段定位，确保改良新品种较之原始品种98％以上的遗传背景恢复率，有效提升烟草定向遗传改良效率。

——利用烟草全基因组生物育种基因芯片（430K、55K SNP芯片），通过绘制高密度遗传连锁图谱、筛选不同世代优良单株、检测优良单株遗传背景、挖掘优良性状相关分子标记等，有力支撑构建最高精度的烟草全基因组分子模块库。

——在国家自然科学基金项目《一个新的烟草黑胫病主效抗性基因qBS-17精细定位》《野生烟草抗番茄斑萎病毒基因的克隆和鉴定》等研究中，应用430K SNP芯片构建了烤烟与雪茄烟组合的高密度遗传图谱，将黑胫病抗性主效位点定位于1.1 Mb范围内，准确定位了普通烟草携带的野生烟草抗TSWV导入片段，大幅提升了精细定位主效抗性基因的效率。

如今，烟草基因芯片技术研究已为其他作物相关功能基因研究和应用提供了借鉴，在西北农林科技大学、西南大学、西部（重庆）科学城种质创制大科学中心、江苏省中国科学院植物研究所等科研机构中应用，这是行业对作物科学研究的直接贡献。

项目组锤炼科技原始创新能力，产生了一批原创科研成果，在期刊发表学术论文37篇，其中SCI收录论文16篇，中科院1区TOP期刊论文1篇；获专利授权36件，其中发明专利17件；发布行业标准1项。

“王中、武明珠在表达谱分析和功能基因挖掘鉴定上作出贡献，谢小东、罗朝鹏在育种芯片应用方面颇有建树……”国家局科技司负责人表示，基因芯片项目还培养锻炼了一支掌握基因芯片研制、检测、分析、应用以及分子育种、定向改良核心技术的科研团队，他们潜心于这一领域的研究，成长为具备原始创新能力的骨干力量。

创新没有终点。采访中，项目组成员表示，要利用好基因芯片这一先进手段，开发利用好未知的烟草功能基因，在烟草生物育种、智慧育种方面取得更多原始性创新成果，坚实支撑行业高质量发展。