生物信息學在農業領域的應用及展望

徐佳瑩 寧璐

摘 要：該文闡述了生物信息學在農業領域如農業數據的挖掘與利用等方面的具體應用，對生物信息學在其他領域的發展進行了展望，并提出了今后發展的幾點建議。

關鍵詞：生物信息學;數據庫;農業應用

中圖分類號 G642.0文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）22-0125-03

Research and Prospect of Bioinformatics in Agriculture

Xu Jiaying1 et al.

（1School of Computer and Information Engineering ，Beijing University of Agriculture，Beijing 102206，China）

Abstract：The article mainly expounds the specific application of bioinformatics in the field of agriculture，such as the mining and utilization of agricultural data，and draws on the development experience of bioinformatics in other fields，and puts forward relevant development suggestions.

Key words：Bioinformatics;Database;Agricultural application

生物信息學一詞的由來，最早是在1956年首次召開的“生命科學中的信息理論討論會”上被提出的，之后隨著基因組計劃的提出和現代生物技術的飛速發展，不斷持續增長的生物信息量成為了阻礙傳統研究的最大問題。因此，以分子生物學為基礎，與計算機技術、數學等學科結合產生的交叉學科——生物信息學應運而生，并逐漸發展成為了最具潛力的學科之一，現已經涉及到生物科學的各個方面。

農業生產的發展同樣離不開生物科學的發展，將生物信息學的相關技術滲透到農業生產發展當中，對進一步推動我國農業現代化的發展進程具有重要的意義。目前，對于生物信息學硬件設施的建設經基本趨于完善，但在生物信息數據分析方面還存在一定的差距。利用計算機對數據的處理能力，并結合在生物學等方面的研究數據，能夠便捷的實現對這些數據的獲取與存儲、組織與分析以及檢索與可視化，這使得生物信息學在農業領域能更充分地發揮其優勢作用。因此，在未來農業發展的過程中，生物信息學勢必會對其產生深遠的影響。

1 生物信息學在農業上的研究應用

1.1 農業數據的挖掘與利用 隨著農業耕種措施的改變，數字農業的發展必將成為主要的發展方向。農業生物信息數據庫的使用，可以實現農業數據的錄入導出、檢索分析等基本數據處理的功能，便于使用者能夠快速地從大量的數據中提取到有用的信息。數據庫作為存放數據的存儲器，是進行信息處理的基礎，位于開展各項工作的起始位置，可以進行數據的整理與存儲。例如，在對國際大豆基因組測序計劃的過程中，研究人員建立了完整的大豆轉座子數據庫和相關網站，為用戶提供瀏覽查找、搜索下載等功能，這些功能為研究人員在對豆科植物基因組的注釋、基因功能、基因組進化以及分子育種等方面的研究提供了極大的幫助。農業生物信息數據庫的應用，能夠實現對農業生產研究當中的數據錄入查詢并能進行統計計算等基本功能;通過對農業數據的挖掘與利用，再從這些數據當中高效地提取出有效的數據信息，通過對農作物基因組的識別與新基因組的發現，利用生物信息學相關工具，就可能實現對農作物品種的改良和豐富種質資源數量等，從而滿足科學研究和人類生活等方面的基本需求[1]。

1.2 農業模式植物方面的研究 模式植物是指一種植物的特征明顯并且可以很容易與其他植物區別開的植物，一般都從命名植物學家所采集的標本為準。目前，世界上已經被命名的任何一種植物都有其模式植物[2]。農業模式植物就是在農業生產和利用上特征明顯、常用來可以區分其他植物的特征植物。1997年5月，美國開展了國家植物基因計劃，在該計劃實施的背景下，各國科學家通力合作經過多年的努力，使得植物基因組的研究取得了重大進展，實現了對某些模式植物的全基因組測序。在此基礎上，從基因組的角度進一步分析和研究了傳統農作物的基因表達以及蛋白質和核酸的定位等問題，在分子水平上掌握了這些植物的細胞結構與功能。由此可見，生物信息學工具的運用，很好地促使了這些研究內容和成果的相互融合。目前，已經較為完善的農作物生物信息學數據庫研究平臺包括有較為全面的TIGR數據庫、玉米方面的MazeGDB數據庫、馬鈴薯方面的Pomamo數據庫等[3]。

1.3 種質資源優的化與保存 傳統的研究方法記錄和評估種質資源的某些特征，并最終產生種質形態特征的圖像，這一過程通常需要經驗豐富的研究人員經過多年的研究，但也不一定就能得到理想的結果。隨著計算機相關技術的使用，在育種過程中，前期根據數據庫當中的相關信息，選擇優質的性狀和目標基因，這樣能從育種前期對這些性狀進行篩選;在遺傳學和分子生物學等學科的研究基礎上，已經積累了大量的數據，可以通過建立相應的數據庫來對這些數據進行整合，針對具體過程采用計算機技術進行模擬，通過大數據來建立相關的計算機模型，科研人員以這些模型為主要研究對象提出自己的見解和假設，而且可以針對在植物生長發育的各個階段或是植物的不同部位的組織器官的基因進行標記與分析，篩選出合適的等位基因，并將符合條件的基因進行標記。在整個過程中，不受環境等其他自然因素的影響，與傳統育種過程相比，能在一定程度上縮短育種的時間，從而為新品種的研發提供了便利條件。而對于動物類的種質資源，我國已經擁有了屬于自己的家養動物種質資源平臺[4]。在這個平臺上能夠提供在我國范圍內飼養的常見畜禽類動物和有經濟價值動物的相關的信息，在保存種質資源的同時，還能為提供適應我國不同地域條件、消費水平和消費需求選擇適當的養殖動物。

1.4 新農藥的設計與研究 現階段的農藥研制，不能僅僅考慮其對植物的殺蟲防病效果，還需考慮其對人體產生的影響，在整個研發的過程中，可能會付出大量的時間和金錢，但未必能夠得到預期的結果。生物信息學的相關內容和技術，在新農藥的設計與研發過程中能先進行病理分析，進而找到關鍵的分子之間的靶向性信息，并闡明其結構和功能之間關系，在此基礎上指導設計能激活或阻斷生物大分子發揮作用，從而達到預期的效果[5]。例如，楊華錚等[6]研究設計并合成了十多個種類的數百種除草化合物，這些化合物經過生物活性測定，某些被監測的化合物活性已超過了商品化的抑制劑。

1.5 病蟲害防治 在農業生產過程中，無論是種植業還是養殖業，病蟲害問題已經嚴重影響農業生產的過程。從植物方面來看，植物是否能夠擁有抗病性，主要決定于在植物染病的初期能否對病原進行識別以及體內防御機制能否對這類病害產生預防[7]。目前，已有科學家在一些植物中找到了有關抗性的基因，但對于植物抗性的信號轉導途徑、植物與病原的相互作用之間等問題仍是只知其表。對傳統的植物與病原相互作用，現階段的主要研究一般只是對單一個體或幾個相互作用的成分之間進行研究，得到的信息十分有限，通過利用生物信息學相關的研究方法，能促進植物和病原間相互作用。目前，常用的方法包括蛋白質組學的研究、基因突變的研究、反向遺傳學方法等[8]。除上述對植物與病原兩者之間的相互作用研究外，還能快速選擇適合操作的基因來增強作物抗性或是減弱其感受性。在此研究的基礎上，通過計算機的模型估計，能對上述這些基因的操作分析結果進行預測，對這些病原的生物學特性和信息進行分析，既能有效控制這類病原，又不會對環境產生過多的影響。從動物方面來看，要具體分析養殖過程中常見和易患的疾病，通過研究這些病癥的致病微生物、致病昆蟲等，可以從遺傳層面上最大程度地減少對這些影響因素，在改變基因結構的同時，在其基因序列中引入抗性基因，從而實現生物抗病蟲害和抗逆的能力。

1.6 農產品質量與食品安全 對于農業生產來說，無論是從事作物種植或者是從事經濟動物的養殖，其經濟價值的最終來源基本都來自于農產品，而這些農產品的最終去向多是流向人類的餐桌，這無疑對農產品的質量安全和質量監管提出了更高的要求。從農田到餐桌、從養殖場所到餐桌，在每一個環節都需要準確及時的監測。一般食品在加工、制作、存儲過程中，都會伴隨著各種細菌數量的變化。采用生物信息學的方法可以提前得到致病菌的核酸序列，之后再比對這些序列，選出適合使用檢測的引物以及探針，最終運用PCR法等測定方法快速檢測出食品中的細菌或病毒[9]。近年來，關于轉基因的相關問題人們也越來越關注。轉基因植物一般是指將動植物或微生物中分離出的目的基因導入到動植物的基因組，并且將這一性狀穩定的遺傳給后代，例如可以導入抗蟲性、抗病性、抗逆性等性狀[10]。目前，隨著生物信息學在農業領域的應用，我國已建立了農業生物基因工程安全委員會，主要是對轉基因產品進行安全性評價，以此來保證我國轉基因產品的質量安全。

2 展望與相關建議

2.1 我國生物信息學數據庫的建立與更新 我國生物信息數據庫分布較為分散，格式也不統一，高質量且內容專業的生物信息數據庫數量無論是數量上還是整體占比，都處于劣勢，相比于英美等發達國家在農業生物信息數據庫，我國基于資金、技術等問題的存在，難以建成完善的農業生物信息系統。結合我國農業發展的整體形勢和種植農作物的具體情況，建立適應我國農業發展的生物信息數據庫，特別是包括以水稻、小麥、玉米等品種在內的6大主要作物的優質品種和優良種質資源的基因庫管理系統，并在原有相關內容的基礎上及時補充更新，保證數據的全面性和準確性。此外，還應結合國內外生物數據庫當中的數據信息，掌握發布地最新的種質、新的品種有關的性狀數據，為我國研究人員加快農業生物技術研究提供便利條件[11]。同時，利用轉換軟件將生物數據和國際農業與生物科學中心文摘數據庫當中有關農作物育種和基因資源方面的文獻進行轉換導錄，以此最終形成一套全面完整的檢索系統。該系統主要是以生物技術為主要研究技術，在此基礎上結合其他多學科如信息技術等手段，實現多學科之間的充分融合并促進其他學科的發展，打破技術的局限性，為加快生物信息在農業領域的應用提供必要的條件。

2.2 與育種技術的結合 生物信息學在農業領域的發展離不開與傳統育種技術的有機結合[12]，這些育種技術已經為我國農業生產的發展做出了相應的貢獻。相信在生物信息學幫助下，現代基因工程與育種技術兩者之間相輔相成優勢互補，進一步為我國農業可持續的發展做出更大的貢獻[13]。此外，生物信息學在研究過程不可能完全代替試驗操作[14]，生物信息學中用于研究和分析的數據來源都是在實驗室得到的數據基礎上，在此過程中難免會出現偏差，還需要實驗室進行補充驗證。

2.3 專業性人才的培養 對于生物技術的發展最為重要的是基因的發展，在農業領域是對重要農作物的功能性基因進行研究和改良。由于生物信息學在我國農業領域的應用仍處于初級發展階段，專業領域的人才數量較少，不能為我國種質資源的豐富和遺傳資源的綜合利用提供有效的幫助。因此，今后應重視傳統農業大類專業學生對于生物信息學方面知識的了解和掌握，培養符合現代生物學發展的專業性人才。

3 小結

生物信息學自其誕生以來，得到了眾多學者的認可，特別是在對生物信息學數據以及其對基因組研究所做出的貢獻，將生物信息學與農業相結合，必將推動我國農業產業的發展。在今后的應用中，數據來源廣泛真實和結果完善程度高的農作物生物信息數據庫，勢必會成為日后研究農業領域動植物基因組學的基本方法;利用生物信息數據庫對基因及其結構和產物的功能分析，將成為農業領域基礎研究與應用研究中重要的技術手段。有了生物信息學的幫助，使農業在新時期的發展有了新的技術，極大程度上加速了我國農業信息化的進程。

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（責編：張宏民）