水產養殖學專業生物信息學教學內容探討

魏京廣 張平 秦啟偉

[摘 要] 生物信息學是現代基因組學時代的開拓者，也是生命科學研究重要的工具和載體。目前，全國高校的水產養殖學本科專業基本開設了生物信息學課程，但尚未形成成熟的課程體系，有很大的改革空間。根據水產養殖學專業的課程設置和學生知識背景，就生物信息學教學內容進行探討，通過知識點的融會貫通，提高學生分析問題和解決問題的能力，適應后基因組時代水產科學研究，滿足現代社會對水產創新型人才的需求。

[關鍵詞] 水產養殖學;生物信息學;教學內容

[基金項目] 華南農業大學引進人才科研啟動費（219239）

[作者簡介] 魏京廣（1980—），男，博士研究生，華南農業大學海洋學院教授，研究方向：魚類免疫及病害防控;張 平（1980—）（通信作者），女，碩士研究生，中山大學生命科學學院實驗員，研究方向：動物學;秦啟偉（1964—），男，博士研究生，華南農業大學海洋學院教授，研究方向：魚類免疫及病害防控。

[中圖分類號]G642.3? ? [文獻標識碼]A? ? [文章編號]1674-9324（2020）31-0262-03? ? [收稿日期]2020-03-23

一、前言

華南農業大學水產養殖學本科專業設立于2002年，2005年設立水產養殖碩士點。水產養殖學專業為華南農業大學特色專業，是廣東省創新人才培養基地，其培養目標是培養具備海洋科學、水產養殖及水生動物醫學等方面具有扎實的基本理論、知識和技能，能在相關領域和部門從事科學研究、教學、經營管理、技術開發與推廣等方面工作的復合應用型人才。該專業的人才培養內容主要包括水產科學、生物科學和環境科學的基本理論和基本知識，以及生物學和水產養殖實踐性環節的基本訓練，其中實踐內容主要包括課程實習、生產實習和畢業實習等。

隨著基因組測序技術的進步，一批水產動物已經完成了基因組測序，如大黃魚、石斑魚、牙鲆、青鳉魚、斑馬魚、鯉魚等，使人們能夠在全基因組范圍內比較分析模式生物的基因和發現新的涉及表型的相關基因[1，2]。

生物信息學的誕生和發展可以追溯到20世紀60年代，而生物信息學（Bioinformatics）一詞的出現則是在1990年[3]。生物信息學是研究生物信息的采集、處理、儲存、傳播、分析和解釋的一門學科，它通過綜合利用分子生物學、遺傳學、計算機科學和信息技術，揭示大量且復雜的生物數據所具有的生物學奧秘。生物信息學作為一門新的學科領域，把基因組DNA序列信息分析作為源頭，在獲得基因序列和蛋白質編碼區的信息后，進行蛋白質功能、結構模擬和預測等，然后依據特定蛋白的功能進行必要的藥物設計等一系列應用性研究[3]。生物信息學已成為水產養殖領域開展科研工作的重要工具，同時也是水產養殖相關專業本科生必須掌握的基本知識和技能。本文就生物信息學教學內容進行探討，通過知識點的融會貫通來提高學生分析問題和解決問題的能力，適應后基因組時代水產科學研究，滿足現代社會對水產創新型人才的需求。

二、生物信息學教學中存在的問題

（一）水產養殖學專業的現狀

水產養殖學本科專業作為農科類專業之一，由于行業的特殊性，一直以來招生難度大，且要求轉專業的學生較多。但在現實中，水產行業人才嚴重缺乏。因此，如何改革或采取新的教學方式，穩固學生的專業思想，培養熱愛水產，愿為水產做貢獻的人才，是當前水產養殖學本科專業人才培養亟待解決的重點與難題問題。

（二）學生的專業基礎薄弱

生物信息學涉及分子生物學、細胞生物學、生物化學、數學和計算機科學等內容，絕大多數高校水產養殖學專業都開設了大學數學、分子生物學、細胞生物學和生物化學等課程，但是對計算機科學安排的并不多，未深入學習計算機語言、編程等。生物信息學的數據庫、分析軟件等絕大多數是英文環境，所以對學生的英語水平有一定的要求。

1.課時安排不足。在很多高校，生物信息學一般作為普通的選修課，有些甚至只安排了理論課而沒有實踐課。生物信息學涉及的學科越來越多，教學內容涉及生物化學、分子生物學、遺傳學、基因工程及計算機語言，以及不斷更新的數據庫和軟件，需要學生花費更多時間去理解與運用。多樣的課程內容與較少學時之間的沖突，為完整系統授課帶來一定難度。

2.缺乏合適教材。目前，生物信息學的專著和教材越來越多，部分教材專業性過強，難度較大，不適于水產養殖學專業學生使用。缺乏合適的教材是水產養殖學專業生物信息學教學的一大難題。

三、生物信息學課程的教學內容設置

針對生物信息學教學中遇到的問題，從水產養殖專業人才培養的目的出發，選擇合適的教學內容開展工作，使學生愿意接受生物信息學課程，從而輕松學習、掌握與運用生物信息學知識。

（一）基礎知識

1.緒論。緒論部分主要介紹生物信息學的概念、發展歷史、生物信息類型、產生途徑和面臨的挑戰等，讓學生意識到生物信息學在水產養殖中的重要性，同時強調生物信息學的實踐應用特點。

2.分子數據庫。隨著生物學的發展及各類組學技術的建立，生物學相關數據的數量不斷增加。在組學發展過程中，如何有效地建立與使用數據庫來實現大批量數據的存儲、處理及檢索是科學家們首先要解決的問題。因此，開發與分子生物學大規模數據相關的生物學數據庫已經成為生物信息學研究中最基本的一項任務。分子數據庫部分主要介紹生物數據庫的類型、內容與結構。另外，開發眾多分子數據庫的目的除了存儲與管理各類實驗數據和結果外，最重要的是提供有效的用戶檢索與接入系統。因此，本章以目前最常用的生物學數據庫檢索系統之一的Entrez為例，介紹如何使用數據庫快速提取所需要的信息。

3.序列比對。序列比對是生物信息學最主要的研究內容之一，它可以分為兩個部分，一是序列組分分析（包括基因和基因組層次），二是序列之間的比較分析。比對是數據庫搜索算法的基礎，將查詢序列與整個數據庫的所有序列進行比較，從數據庫中獲得與其最相似序列的已有數據，能快速獲得有關查詢序列的大量有價值的參考信息，對進一步分析其結構和功能有很大幫助。近年來，隨著生物信息學數據的大量積累，通過比對方法可有效分析和預測一些新發現基因的功能。因此，這一章要向學生講解序列比對相關概念、序列比對打分方法、序列比對工具以及多重序列比對等。BLAST是最常用的核酸和蛋白質同源性比較工具，要重點介紹。這些知識的學習讓學生了解生物信息所涉及的問題，掌握解決問題的基本方法，并將知識融會貫通。

4.基因預測與功能注釋。準確的基因組注釋對依賴基因組信息的研究工作至關重要。基因組注釋努力的目標是盡可能地確定基因組中每一個核苷酸的生化和生物學功能。一個完整的注釋包括在基因組中鑒定出其各類功能元件，如編碼蛋白質的基因、RNA基因、重復序列和假基因等，并確定這些元件所對應的生物學功能。本章主要介紹基因組中的蛋白質編碼基因、RNA基因、重復序列和假基因的幾種重用注釋方法，并以一種魚類基因組為例說明基因組注釋的整個流程。

5.分子進化與系統發育。自20世紀中葉以來，隨著分子生物學的不斷發展，進化生物學也進入了分子水平，并建立了一套依賴于核酸、蛋白質序列變異的理論和方法，由此也開創了生物信息學新領域。本章要主要介紹分子進化與系統發育的基本概念和理論，闡述幾種分子系統發育樹構建方法的基本原理，并說明構建系統發育樹的基本步驟，以MEGA等常用軟件和在線工具為例，介紹系統發育樹的應用。

6.蛋白質的結構預測。蛋白質是生命活動的體現者。蛋白質結構決定功能，此即蛋白質科學的首要法則。事實上，沒有任何一種其他類型的生物大分子可能完全行使蛋白質分子經過數百年進化所積累的所有生物學功能。因此，研究分析蛋白質的結構意義重大。本章在介紹的時候要從蛋白質的結構特征、結構測定及預測、蛋白質折疊等方面對蛋白質結構相關內容進行闡述。

（二）高通量測序數據分析

1.基因組學。基因組學是研究基因組結構、功能與多樣性的科學，而基因組則是某一特定生物包含的所有遺傳信息的總稱。基因組學方法與傳統生物學方法的主要差別在于研究的規模，因為基因組學的目標在于廣泛分析大量的基因，甚至可能涉及組成基因組的全套基因，而不再局限于一個或少量基因。在講授的時候要在前面基因預測與功能注釋的基礎上重點介紹基因組拼接與分析以及基因組變異與分析。最近，一些魚類（包括斑馬魚、石斑魚、大黃魚、大西洋鮭魚等）和少數貝類（牡蠣等）基因組數據已經公布[1]，所以還要介紹現有的基因組學技術和資源，同時探討基因組學技術在魚類和貝類養殖上的應用（如育種、繁殖、生長、營養和產品質量等），包括種質多樣性的評估和在選育程序上的使用。

2.轉錄組學。中心法則是現代分子生物學的核心，RNA是遺傳信息傳遞的媒介。而轉錄組學從RNA水平演技基因表達調控機制，闡述從DNA到蛋白質的中間過程，探索RNA參與的復雜生命活動。在講授中主要介紹轉錄組學的產生、發展和最新研究策略，從試驗設計、測序流程、數據處理和功能分析等角度全面解析RNA-seq的研究過程。重點介紹RNA-seq數據分析，包括測序數據質控、比對拼接、表達定量、差異表達分析、聚類分析及其共表達網絡等。

3.蛋白質組學。蛋白質組是指一個生物體基因組、一個細胞或組織所表達的全部蛋白質成分。蛋白質組學是以蛋白質組為研究對象，從整體蛋白質水平上，在一個更加深入、更加貼近生命的層次上去探索和發現生命多動的規律和重要的生理、病理現象等。在講授中可以簡述如何用生物信息學方法與理論進行蛋白質的表達、翻譯后修飾、定位及蛋白質的相互作用分析。

4.代謝組學。代謝組學是迅速發展起來的一門新興學科，它以生物系統中的代謝產物（由于實際分析手段的局限性，目前主要針對相對分子質量1000以下的小分子）分子為對象，以高通量、高靈敏度、高分辨率的現代儀器分析方法為手段，結合模式識別等化學計量學方法，分析生物體系受刺激或擾動后代謝產物的變化規律或隨時間的變化規律[4]。目前，代謝組學在水產領域已經開始應用。因此，在講授中可以介紹代謝組學的研究內容、分析技術及在水產養殖中的應用實例。

5.宏基因組學。宏基因組學代表著分子生物學與生物信息學工具的結合，用于評估一個群落中的遺傳信息，而不需要經過任何微生物培養。這種方法對于那些包含大量不可培養微生物的樣本研究非常有意義。在講授中可以介紹宏基因組學早期研究概況和應用方向，討論宏基因組學分析在分子生物學和生物信息學方面面臨的挑戰。同時介紹組裝和合并的工具、基因預測程序和注釋的系統，討論基于數據集內分析系統發育和功能多樣性的方法。

四、結語

改革開放以來，我國水產養殖業無論是產量還是產值，都維持著快速上升態勢，連續多年穩居世界第一水產養殖大國的地位。水產養殖為解決我國人民膳食中動物蛋白來源，保障身體健康，提高身體素質起到了重要作用。隨著基因組測序技術的進步，一批水產動物已經完成了基因組測序，如大黃魚、石斑魚、牙鲆、青鳉魚、斑馬魚、鯉魚等，使人們能夠在全基因組范圍內比較分析模式生物的基因和發現新的涉及表型的相關基因。生物信息學是現代基因組學時代的開拓者，也是生命科學研究的重要的工具和載體。本文針對生物信息學的教學內容進行了探討，希望老師在教學中掌握時代前沿資訊，根據水產養殖學和生物信息學的發展，及時調整和選擇教學內容并突出重點，引入最新的生物信息學資源以及相關軟件工具和數據庫，形成一套有層次的階梯遞進式生物信息學教學體系。

參考文獻

[1]石瓊，孫穎.海洋生物基因學概論[M].廣州：中山大學出版社，2015：227.

[2]狄桂蘭，李莉，孔祥會.水產養殖專業生物信息學教學模式和方法探索[J].河南水產，2014（4）：38-38.

[3]樊龍江.生物信息學[M].杭州：浙江大學出版社，2017：3.

[4]偉寇，國棟.代謝組學研究技術及其應用概述[J].生物學教學，2018，48（9）：2-3.