生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

1、生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用摘要： 20 世紀(jì) 80 年代末，人類基因組方案 (Human Genome Proiect ， HGP)的啟動(dòng)推動(dòng)了生物信息學(xué)的產(chǎn)生和蓬勃開展。 而2002年和2021 年相繼完成的水稻和高粱 1基因組測序， 那么宣告了相對低迷的農(nóng)作物 基因工程的一個(gè)繁榮的信息時(shí)代的到來。 生物信息學(xué)已經(jīng)成為生物學(xué) 實(shí)驗(yàn)的一種有力的輔助工具，在科學(xué)研究中發(fā)揮著無比卓越的作用。 隨著植物基因組方案和功能基因組學(xué)的開展， 生物信息學(xué)將為世界糧 食作物的根底和應(yīng)用性研究提供珍貴的數(shù)據(jù)化信息， 其在農(nóng)作物基因 工程研究中必將發(fā)揮出更加巨大的作用。 因此，有效地將生物信息學(xué) 應(yīng)用于農(nóng)作物基因工

2、程的研究是一項(xiàng)極有意義的工作。關(guān)鍵字： 農(nóng)作物基因工程 生物信息學(xué)1. 生物信息學(xué)生物信息學(xué)概述20世紀(jì)末，互聯(lián)網(wǎng)的日益普及和生命科學(xué)的蓬勃興起孕育了一門 嶄新的學(xué)科生物信息學(xué)。 生物信息學(xué)以生物大分子數(shù)據(jù)庫中核酸、 蛋白質(zhì)為主要研究對象， 綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、 計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)多種工 具對其進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、注釋、加工，使之成為具有明確生物學(xué)意的 信息，同時(shí)通過對生物信息的查詢、搜索、比擬、分析，從中獲取基 因編碼、基因調(diào)控、核酸和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能及其相互關(guān)系等知識。目 前，生物信息學(xué)已經(jīng)成為生物科學(xué)家一種必不可少的工具。 這門學(xué)科 在農(nóng)作物研究中也有著非常廣泛的應(yīng)用。 擬南芥、水稻等模式植物的 全

3、基因組測序工作完成之后， 其序列圖譜完全可以在基因組數(shù)據(jù)庫中 查詢。玉米、棉花等農(nóng)作物的基因組數(shù)據(jù)庫也正在構(gòu)建之中。在功能 基因組研究方面， 有關(guān)農(nóng)作物生長發(fā)育、 細(xì)胞信號和基因調(diào)控的網(wǎng)絡(luò) 資源層出不窮。對于得到的全基因組序列，也就是規(guī)模的序列數(shù)據(jù)， 必須用全新的視角來觀察， 考慮怎樣才能更好的組織和解讀好這些數(shù) 據(jù)。對于一個(gè)特定的農(nóng)作物，如果還沒有它的全基因組序列，可以用 相關(guān)的親緣關(guān)系近的同線物種的基因組來替代。 由于水稻、 高粱和其 他重要的農(nóng)作物有相似的基因組水平， 水稻和高粱基因組全基因組測 序完成已經(jīng)對農(nóng)作物生物技術(shù)學(xué)和農(nóng)作物生物信息學(xué)產(chǎn)生了重大的 影響。因此，生物信息學(xué)應(yīng)用于農(nóng)作

4、物基因工程的研究必將有著廣闊 的前景。生物信息學(xué)資源生物信息學(xué)資源是由數(shù)據(jù)庫、 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件三大局部組 成。目前，有一些大型生物學(xué)數(shù)據(jù)庫包含了眾多的生物學(xué)資源，我們 可以方便地從國際互聯(lián)網(wǎng)上查詢， 不僅方便了思想和資料的交流， 減 少了許多重復(fù)性的工作，也提供了一種新的工作方式和思維方式。核酸序列數(shù)據(jù)庫用于核酸分析的數(shù)據(jù)庫主要有 Gen Ba nk、EMBL、DDBJ等 3大數(shù)據(jù)庫Gen Bank的數(shù)據(jù)來源于約140 000個(gè)物種，包含了所有的核 酸序列和蛋白質(zhì)序列，以及與它們相關(guān)的文獻(xiàn)著作和生物學(xué)注釋。EMBL現(xiàn)由 EBI(European Bioinformatics Instit

5、ute) 管理，有全基因組 鳥槍序列和序列版本文檔參加。DDBJ近來開發(fā)了 SQmatcKE具，用來 搜索基因或蛋白質(zhì)中短的堿基或氨基酸序列區(qū)域， 并建立了簡便且易 操作的效勞器。蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫主要有SWISS-PROT,它只收錄蛋白質(zhì)序 列，并且每一條數(shù)據(jù)均有詳細(xì)注釋，包括功能、結(jié)構(gòu)域、翻譯后修飾 以及一些相關(guān)的綜述。TrEMB是從EMBL庫中的核酸序列翻譯出來的 氨基酸序列，并可以作為SWISS-PROT的一種補(bǔ)充。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫主要包括蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、核酸結(jié)構(gòu)、小分子數(shù)據(jù)庫等。這里就重要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫加以介紹。 PDB(Protein Data Bank) 是最

6、為詳盡的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，它收錄由x射線晶體衍射和核磁共 振得到的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫主要是 SCOP(StructuralClassification of Proteins) ， 它將蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)按照進(jìn)化與結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了全面的分類。基因組數(shù)據(jù)庫基因組數(shù)據(jù)庫主要是指人類基因組。TIGR數(shù)據(jù)庫包含大量正在測定中 的基因組數(shù)據(jù)，特別是EST序列以及cDNA數(shù)據(jù)庫。人類基因組數(shù)據(jù)庫 主要是GDB(Genome Database)，它保存了大量人類基因圖譜和疾病 數(shù)據(jù)。EnsembI數(shù)據(jù)庫擁有大量基因序列注釋信息，目前包括脊椎動(dòng) 物、蠕蟲和昆蟲共 9個(gè)基因組數(shù)據(jù)。2 生物信息學(xué)在農(nóng)作物研究中

7、的應(yīng)用目前，生物信息學(xué)方法越來越廣泛地被應(yīng)用于農(nóng)作物研究領(lǐng)域。 許多文獻(xiàn)的基因克隆思路是： 先在基因組數(shù)據(jù)庫中查詢有關(guān)基因的序 列信息，然后使用軟件設(shè)計(jì)引物，接著運(yùn)用 RT-PCF克隆該基因，最 后應(yīng)用Southen雜交等技術(shù)對獲取的基因進(jìn)行檢測。許多農(nóng)作物微衛(wèi) 星序列(SSR引物的開發(fā)也采取此策略，防止了煩瑣的基因組文庫雜 交篩選工作。 就水稻全基因組測序而言， 一局部工作集中于基因組文 庫的構(gòu)建和DNA序列的測定，而另外一局部工作那么利用計(jì)算機(jī)軟件對 鳥槍法獲得的片段進(jìn)行組裝拼接。Ewing等利用Gen Bank中獲得的大量擬南芥和水稻EST也分析了 這兩個(gè)物種間的差異 2。利用禾谷類作物

8、的共線性，根據(jù)擬南芥 功能的基因序列，還可以為其他禾谷類作物未知功能的EST序列確定功能。Toda等依據(jù)類黃酮羥化酶基因F3' H的同源EST序列設(shè)計(jì)引物， 擴(kuò)增了長為1690bp的sf3' h1基因，對sf3' h1基因的系列分析說明， sf3' hl與F3' H基因位于同一個(gè)T位點(diǎn)。并推測sf3' hl基因是因一個(gè) 堿基缺失導(dǎo)致移碼突變， 從而控制大豆灰色茸毛的基因。 繆海珍等 通 過對大豆、玉米、油菜、棉花等農(nóng)作物樣品的檢測，由常規(guī)PCR技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)基因芯片的檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，并提高了檢測效率， 可用于農(nóng)作物轉(zhuǎn)基因背景的鑒定。黃迎春等

9、 (2003)以2種報(bào)告基因、 2 種抗性基因、2種啟動(dòng)子序列和2種終止子序列為探針，利用其PCR產(chǎn) 物制成基因芯片，對 4種轉(zhuǎn)基因水稻、木瓜、大豆、玉米進(jìn)行檢測， 表現(xiàn)出快速、準(zhǔn)確的優(yōu)勢。劉煊等 利用基因芯片技術(shù)檢測了轉(zhuǎn)基因 大豆(Rou ndup Ready)和非轉(zhuǎn)基因大豆，說明芯片技術(shù)具有良好的特 異性和重復(fù)性，檢測靈敏度可達(dá)，而且效率很高?？梢?，生物信息學(xué)已經(jīng)成為生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的一種有力的輔助工具， 在植物科學(xué)中發(fā)揮著無比卓越的作用。 在功能基因組日益興盛的今天， 生物信息學(xué)必將在植物科學(xué)領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。3. 生物信息學(xué)與農(nóng)作物研究的展望 農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)基因圖譜研究為加快轉(zhuǎn)基因作

10、物育種和生物信息學(xué)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用打下了良好根底， 對作物進(jìn)行基因組分析需要生物信 息學(xué)工具。生物信息學(xué)的特殊作用主要表達(dá)在以下3個(gè)方面：(1) 通過比擬基因組學(xué)、表達(dá)分析和功能基因組分析識別重要基因， 為培育轉(zhuǎn)基因作物、改進(jìn)作物的質(zhì)量和數(shù)量性狀奠定根底；(2) 以信號受體和轉(zhuǎn)錄途徑組分分析為根底，進(jìn)行農(nóng)業(yè)化合物設(shè)計(jì)，結(jié)合化學(xué)信息學(xué)方法，鑒定可用于殺蟲劑和除草劑的潛在化學(xué)成分；(3) 利用植物遺傳資源，保護(hù)農(nóng)作物遺傳多樣性。隨著遺傳操作技術(shù)特別是動(dòng)植物細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)移技術(shù)之不斷創(chuàng) 新和完善，如外源基因在轉(zhuǎn)基因禾谷類作物中的表達(dá)、 “報(bào)告基因 用于植物的轉(zhuǎn)化、 優(yōu)良性狀基因的別離技術(shù)等一系列技術(shù)的突破，

11、 將 農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)與常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合， 提高育種效率、 創(chuàng)新遺傳資 源、加快育種進(jìn)程，已成為育種界的開展趨勢。綜上所述， 植物功能基因組學(xué)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。 上述研究 方法也只是功能基因組學(xué)研究中的一局部，各種方法都各有側(cè)重點(diǎn)， 也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以相互輔助。有效運(yùn)用生物信息學(xué)研究手段， 結(jié)合我國特有的豐富的種質(zhì)資源， 大力開展中國優(yōu)良農(nóng)作物資源的研 究，別離、克隆有自主知識產(chǎn)權(quán)的有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的新基因及基因表 達(dá)調(diào)控元件， 發(fā)現(xiàn)控制優(yōu)良性狀基因的分子標(biāo)記， 為我國農(nóng)作物應(yīng)用 研究和育種提供全面的生物信息學(xué)效勞。 而且隨著基因組研究的深入 和國際合作的加強(qiáng)， 現(xiàn)有的研究手段將會(huì)不斷完善和加強(qiáng)，