生物信息學(xué)在農(nóng)學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

孫云昌

摘要：本文綜合敘述了生物信息學(xué)對(duì)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的影響，介紹了生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)模式植物、種質(zhì)資源優(yōu)化、農(nóng)藥的設(shè)計(jì)開發(fā)、作物遺傳育種、生態(tài)環(huán)境、食品安全等研究領(lǐng)域的應(yīng)用概況，闡述了生物信息學(xué)為農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)的意義。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域應(yīng)用

“生物信息學(xué)”是英文單詞“Bioinformatics”的中文譯名，其概念是1956年在美國(guó)田納西州Gatlinburg召開的“生物學(xué)中的信息理論”討論會(huì)上首次被提出的，由美國(guó)學(xué)者Lim在1991年發(fā)表的文章中首次使用。生物信息學(xué)自產(chǎn)生以來(lái)，大致經(jīng)歷了前基因組時(shí)代、基因組時(shí)代和后基因組時(shí)代三個(gè)發(fā)展階段。2003年4月14日，美國(guó)人類基因組研究項(xiàng)目首席科學(xué)家Collins F博士在華盛頓隆重宣布人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project，HGP）的所有目標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)。這標(biāo)志著后基因組時(shí)代（Post Genome Era，PGE）的來(lái)臨，是生命科學(xué)史中又一個(gè)里程碑。生物信息學(xué)作為21世紀(jì)生物技術(shù)的核心，已經(jīng)成為現(xiàn)代生命科學(xué)研究中重要的組成部分。研究基因、蛋白質(zhì)和生命，其研究成果必將深刻地影響農(nóng)業(yè)。本文重點(diǎn)闡述生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)模式植物、種質(zhì)資源優(yōu)化、農(nóng)藥的設(shè)計(jì)開發(fā)、作物遺傳育種、生態(tài)環(huán)境改善等方面的最新研究進(jìn)展。

1、生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)模式植物研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

1997年5月美國(guó)啟動(dòng)國(guó)家植物基因組計(jì)劃（NPGI），旨在繪出包括玉米、大豆、小麥、大麥、高粱、水稻、棉花、西紅柿和松樹等十多種具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的關(guān)鍵植物的基因圖譜。國(guó)家植物基因組計(jì)劃是與人類基因組工程（HGP）并行的龐大工程。近年來(lái)，通過各國(guó)科學(xué)家的通力合作，植物基因組研究取得了重大進(jìn)展，擬南芥、水稻等模式植物已完成了全基因組測(cè)序。人們可以使用生物信息學(xué)的方法系統(tǒng)地研究這些重要農(nóng)作物的基因表達(dá)、蛋白質(zhì)互作、蛋白質(zhì)和核酸的定位、代謝物及其調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)等，從而從分子水平上了解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能。目前已經(jīng)建立的農(nóng)作物生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)研究平臺(tái)有植物轉(zhuǎn)錄本（TA）集合數(shù)據(jù)庫(kù)TIGR、植物核酸序列數(shù)據(jù)庫(kù)PlantGDB、研究玉米遺傳學(xué)和基因組學(xué)的MazeGDB數(shù)據(jù)庫(kù)、研究草類和水稻的Gramene數(shù)據(jù)庫(kù)、研究馬鈴薯的PoMaMo數(shù)據(jù)庫(kù)，等等。

2、生物信息學(xué)在種質(zhì)資源保存研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

種質(zhì)資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源，它包括許多農(nóng)藝性狀（如抗病、產(chǎn)量、品質(zhì)、環(huán)境適應(yīng)性基因等）的等位基因。植物種質(zhì)資源庫(kù)是指以植物種質(zhì)資源為保護(hù)對(duì)象的保存設(shè)施。至1996年，全世界已建成了1300余座植物種質(zhì)資源庫(kù)，在我國(guó)也已建成30多座作物種質(zhì)資源庫(kù)。種質(zhì)入庫(kù)保存類型也從單一的種子形式，發(fā)展到營(yíng)養(yǎng)器官、細(xì)胞和組織，甚至DNA片段等多種形式。保護(hù)的物種也從有性繁殖植物擴(kuò)展到無(wú)性繁殖植物及頑拗型種子植物等[6]。近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越多地應(yīng)用各種分子標(biāo)記來(lái)鑒定種質(zhì)資源。例如微衛(wèi)星、AFLP、SSAP、RBIP和SNP等。由于對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行分子標(biāo)記產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，因此需要建立生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和采用分析工具來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算機(jī)分析等。

3、生物信息學(xué)在農(nóng)藥設(shè)計(jì)開發(fā)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的藥物研制主要是從大量的天然產(chǎn)物、合成化合物，

以及礦物中進(jìn)行篩選，得到一個(gè)可供臨床使用的藥物要耗費(fèi)大量的時(shí)間與金錢。生物信息學(xué)在藥物研發(fā)中的意義在于找到病理過程中關(guān)鍵性的分子靶標(biāo)、闡明其結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)能激活或阻斷生物大分子發(fā)揮其生物功能的治療性藥物，使藥物研發(fā)之路從過去的偶然和盲目中找到正確的研發(fā)方向。生物信息學(xué)為藥物研發(fā)提供了新的手段，導(dǎo)致了藥物研發(fā)模式的改變。目前，生物信息學(xué)促進(jìn)農(nóng)藥研制已有許多成功的例子。ItzstEin等設(shè)計(jì)出兩種具有與唾液酸酶結(jié)合化合物：4—氨基—Neu5Ac2en和4—胍基—Neu5Ac2en。其中，后者是前者與唾液酸酶的結(jié)合活性的250倍[11]。目前，這兩種新藥已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。TANG SY等學(xué)者研制出新一代抗AIDS藥物saquinavir[12]。Pungpo等已經(jīng)設(shè)計(jì)出幾種新型高效的抗HIV—1型藥物。楊華錚等人設(shè)計(jì)合成了十多類數(shù)百個(gè)除草化合物，經(jīng)生物活性測(cè)定，部分化合物的活性已超過商品化光合作用抑制劑的水平。

現(xiàn)代農(nóng)藥的研發(fā)已離不開生物信息技術(shù)的參與，隨著生物信息學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展，將會(huì)大大降低藥物研發(fā)的成本，提高研發(fā)的質(zhì)量和效率。

4、生物學(xué)信息學(xué)在作物遺傳育種研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著主要農(nóng)作物遺傳圖譜精確度的提高，以及特定性狀相關(guān)分子基礎(chǔ)的進(jìn)一步闡明，人們可以利用生物信息學(xué)的方法，先從模式生物中尋找可能的相關(guān)基因，然后在作物中找到相應(yīng)的基因及其位點(diǎn)。農(nóng)作物的遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的研究積累了大量的基因序列、分子標(biāo)記、圖譜和功能方面的數(shù)據(jù)，可通過建立生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)整合這些數(shù)據(jù)，從而比較和分析來(lái)自不同基因組的基因序列、功能和遺傳圖譜位置。在此基礎(chǔ)上，育種學(xué)家就可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)模型來(lái)提出預(yù)測(cè)假設(shè)，從多種復(fù)雜的等位基因組合中建立自己所需要的表型，然后從大量遺傳標(biāo)記中篩選到理想的組合，從而培育出新的優(yōu)良農(nóng)作物品種。

5、生物信息學(xué)在生態(tài)環(huán)境平衡研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

在生態(tài)系統(tǒng)中，基因流從根本上影響能量流和物質(zhì)流的循環(huán)和運(yùn)轉(zhuǎn)，是生態(tài)平衡穩(wěn)定的根本因素。生物信息學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域主要應(yīng)用在控制環(huán)境污染方面，主要通過數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的運(yùn)用構(gòu)建遺傳工程特效菌株，以降解目標(biāo)基因及其目標(biāo)污染物為切入點(diǎn)，通過降解污染物的分子遺傳物質(zhì)核酸 DNA，以及生物大分子蛋白質(zhì)酶，達(dá)到催化目標(biāo)污染物的降解，從而維護(hù)空氣、水源、土地等生態(tài)環(huán)境的安全。