农业生物信息学

科 技 交 流 《计算机与农业》2002年第 9期 农业生物信息学 郑 国清 高 亮之 (1．中山大学生命科学学院，广州 510275；2．河南省农业科学院农业经济信息研究所，郑州 450002： 3．江苏省农业科学院农业现代化研究所，南京 210014) 2O世纪 8O年代末，人类基因组 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (Human Genome Project，HGP)的启动推动了生物信息学 的产生和蓬勃发展。人类基因组计划的直接结果 是获得了大量不连续的数据。对这些数据 的收集、 存储、 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和解释 ，从中获取有用 的生物学信息， 导致 了生物信息学的产生。生物信息学在农作物 基因组分析 中的深 入应用产生 了农 业生物信 息 学，本文在介绍生物信息学理论和国内外研究进 展的基础上，分析了生物信息学在农作物育种及 农作物基因组学等方面的应用前景，提 出了我 国 农业生物信息学的研究和开发建议 。 一 、 生物信息学理论 生物信息学是生物学、数学、物理学、计算 机科学等众多学科交叉的边缘学科。它将生物遗 传密码与 电脑信息相结合 ，通过各种程序软件对 已知的大量的核酸、蛋白质等生物大分子的核苷 酸序列进行分析、计算 ，揭示其遗传信息；通过 对生物信息的查询、搜索、比较 、分析 ，从中获 取基因编码、基因调控、核酸和蛋白质结构功能 及其相互关系等理性知识，推断新序列的功能； 在大量信息和知识的基础上 ，探索生命起源 、生 物进化 以及细胞 、器官和个体的发生、发育、病 变、衰亡等生命科学的奥秘；在探明它们 的基本 规律及时空联系之后 ，建立 “生物学 元素’周 期表 ”。因此 ，生物信息学有两个重要任务，一是 管理好海量 (1O 数量级)生物信息数据 ，构建人 类基因组研究数据库，用于储存、查询、管理和 使用人类基因组计划所产生的海量信息 ；二是用 好这些数据 ，配合实验研究，确定人类基因组约 3O亿个碱基对的核苷酸顺序 ，找出全部人类基因 在染色体上的位置、结构及功能，即 “读懂 ”人 类基 因组 ，造福人类。 生物信息学的研究内容十分丰富，主要包括 以下方面：生物信息的收集、存储、管理与提供 ， 基因组序列信息的提取和分析，功能基因组相关 ． 36． 信息分析，生物大分子结构模拟和药物设计等。 同时，还要加强生物信息学分析 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的研究，以 解决其 自身发展过程中所遇到的挑战。 随着信息高速公路、国际互联网络的建设， 生物信息学迅速发展 。美国、 日本及欧洲各国已 相继在 Internet上建立 了各 自的生物信息学网 络节点，管理着大型数据库，提供数据的分析、 处理、采集、交换等服务。由美国国家生物技术 信 息 中 心 (NCBI)建 立 和 维 护 的 GenBank 库 (http：／／www．ncbi．nlm．nih．gov)、由欧洲生物信 息 学 研 究 所 (EBI)维 护 的 核 酸 序 列 数 据 库 EMBL(http：／／www．ebi．ac．uk／emb1)和 日本 生物 信 息 中 心 的 DNA 数 据 仓 库 DDBJ(http：／／www．ddbj．nig．ac．Jp)是 国际上 三 大核苷酸／蛋白质数据库，它们每天都会交换数 据，使其数据库的数据同步。 基 因组数据库 (GDB)为人类基 因组计划保存 和处理基因组图谱数据，其 目标是构建人类基因 组的百科全书；除了构建基因组图谱外，还开发 了描述序列水平 的基因组内容的方法，包括描述 序列变异、描述功能和表型 。GDB 以对象模型来 保存数据 ，提供基于 Web的数据对象检索服务， 用户可以搜索各种类型的对象，并以图形方式观 看 基 因 组 图 谱 。 GDB 的 网 址 是 ： http：／／www．gdb．org； 其 国 内 镜 像 是 ： http：／／gdb．pku．edu．cn／gdb。 除了数据库、数据分析软件的开发，生物信 息学中比较基因组学的发展也较为突出。其中河 豚、鼠、猪 、牛和马的基因组与人基因组的比较 研究 ，秀丽隐杆线虫、酵母与人基因组的比较研 究，支原体与嗜血流感杆菌基因组的比较研究， 都取得了成果。从比较中分离到一些人类遗传病 的候选基因，鉴定了一些新克隆的基因，为人类 基因组的分析提供了有益的数据。随着计算机技 术的发展和渗透 ，生物信息学在下述研究方面将 发挥不可替代的作用：人类基因组大规模测序的 维普资讯 http://www.cqvip.com 《计算机与农业》2002年第9期 科技交流 自动化控制，测序结果的分析处理，序列数据的 计算机管理，各类遗传图谱和物理图谱的绘制， 研究数据的网络获取、分析和交换，以数据分析 的结果辅助基因组研究等。 十余年来，生物信息学的发展大致经历了前 基因组时代、基因组时代和后基因组 (蛋 白质组) 时代三个阶段。随着后基因组时代的到来，生物 信息学研究的重点逐步转移到功能基因组信息研 究，研究内容不仅包括基因的查询和同源性分析， 也进一步发展到基因和基因组的功能分析，即功 能基因组学研究。 近年来，生物信息学在我国发展迅速。1993 年，在国家自然科学基金委的资助下，中国开始 参与人类基因组计划。1996年，北京大学蛋白质 工程和植物遗传学工程国家实验室加入欧洲分子 生物学网络(EiBnet)。中国科学院于 1997年 9 月和 12月召开了第 80、87次香山科学会议，首 次邀请有关专家探讨该领域的进展，主题分别为 “DNA芯片的现状与未来”和“生物信息学”。1998 年 ，中国人类基因组研究北方 中心 (北京)和南方 中心 (上海)成立。1999年 9月，中国获准加入人 类基因组计划 (负责测定人类基因组全部序列的 1％一第 3号染色体上的 3000万个碱基对)，成为 第 6个国际人类基因组计划参与国，也是参与该 计划的唯一发展中国家 。2000年 4月，我国科学 家如期完成了 1％人类基因组的工作框架图。目前， 我国已经建立了一批生物信息学相关网站。 二、农业生物信息学及其研究进展 基因图谱研究为加快转基因作物育种和生物 信息学的农业应用打下了良好基础 。对作物进行 基因组分析需要生物信息学工具。生物信息学的 特殊作用主要体现在：通过比较基因组学、表达 分析和功能基因组分析识别重要基因，为培育转 基因作物、改 良作物 的质量和数量性状奠定基础； 以信号受体和转录途径组分分析为基础，进行农 业化合物设计，结合化学信息学方法，鉴定可用 于杀虫剂和除草剂的潜在化学成分；利用植物遗 传资源，保护农作物遗传多样性 。 生物信息学在农作物基因组分析中的深入应 用产生了农业生物信息学。随着遗传操作技术特 别是动植物细胞 的基因转移技术之不断创新和完 善，如外源基因在转基因禾谷类作物中的表达， “报告基因”用于植物的转化，优 良性状基因的 分离技术等一系列技术的突破，将农业生物信息 学与常规育种技术相结合，提高育种效率，创新 遗传资源，加快育种进程，已成为育种界的发展 趋势 。美国的孟 山都 (Monsanto)公司 、先锋 (Pioneer)公司等均有专门从事农业生物信息学 研究与开发的机构，已形成规模和产业。国际上 已经建立 了一些重要的农作物基因组数据库。 水稻基因组是迄今为止所测植物基因组中最 大的，约为人类基因组的七分之一，大约 4．3亿 碱基对。水稻的基因组序列是研究水稻的遗传变 异、发育与进化的基础，更是培育高产、优质、 美味的优良品种的基础，其意义不言而喻。正因 如此，在我国实施“中国杂交水稻基因组研究和 开发计划 ”之前，国际上已开始 3个 “水稻基因 组计划 ”：一是从 1992年开始 、1997年正式形成 的“国际水稻基因组协作组 ”，我国是发起 国之一， 现已公布200Mb的BAC克隆的数据及一条染色体 的 全序 列 ； 另外 2 个 是 由美 国 的孟 山都 (Monsanto)和瑞士的新根塔 (Syngenta)两家私人 公司进行 的，分别于 2000年 4月和 2001年 2月 宣布完成 了水稻 “工作框架图 ”，遗憾的是要么不 公布数据，要么对使用其数据加以各种限制，迄 今未发表 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ；他们以进行科学合作的方式对学 术研究人员提供使用其数据的机会，交换条件是 当研究获得具有商业价值的成果时能分享利益 。 私人公司的工作价值 由于难以共享而降低 。 中国于 2000年 5月启动“中国杂交水稻基因 组研究和开发计划 ”，以中国杂交水稻父本 “籼稻 931i”为研究对象 。2001年 1O月 12日，中国科 学院基因组生物信息学中心暨北京华大基因研究 中心、杭州华大基因研究发展中心完成 了具有国 际领先水平的中国水稻 (籼稻)基因组 “工作框架 图”和数据库。 该课题的主要合作单位有 中国科 学院遗传研究所和国家杂交水稻研究中心 ，参加 单位有中国科学院计算技术研究所、理论物理所、 生物物理所、北京大学、浙江大学、神州数码等。 我国完成的水稻基因组 “工作框架图”在网上公 布数据将打破私营公司的垄断。国际上 3个 “水 稻基因组计划”使用的研究 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 都是粳稻，而我 国使用的材料是籼稻，这将推动全球的水稻研究 和育种，并促进其他农作物基因组的研究。 我国获得的水稻基因组 “工作框架图”和数 ． 37． 维普资讯 http://www.cqvip.com 科 技 交 流 《计算机与农业》2002年第 9期 据库，是“中国杂交水稻基因组研究和开发计划” 的第一部分，其 “精细图”将在 2002年完成 。与 此同时还将进行超级杂交水稻母本 “培矮 64s” 的比较基因组研究。在此基础上，我国科学家将 全面开展杂交稻杂种优势机理研究和基因预测分 析：解析和发现与水稻育性、丰产、优质、抗病、 耐逆 、成熟期等有关的遗传信息和功能基 因；进 而发现控制优 良性状如米质、香味、抗性的因子， 为我国的水稻应用研究和育种提供全面的生物信 息服务。全部计划预计在 2003年完成。 浙江大学生物技术研究所于 2001年 l2月率 先在国内独立开发出容量为13 400点的水稻基因 芯片，同时还完成 了 36 000余个水稻基 因片断的 分离、测序和分析，并在国际权威基因库的水稻 EST(基因表达序列标签)数据库中发布 了 2O 38l 条 EST序列，(占总量的 l9．5％)。水稻基因芯片 的研制成功，将加快新型农产品开发和新型农药 除草剂的筛选，为优质、高产、多抗作物育种提 供有效手段，为作物性状的遗传机理和功能基因 组研究提供基础材料。 “水稻基因组计划 ”在农业生产上 的意义， 完全可以与人类基因组计划在人类健康中的意义 相媲美。对水稻全基因组序列 的分析，可 以获得 大量的水稻遗传信 息和功能基因：全面了解其遗 传机理，同时得到大量用于作物改良的有益基因。 水稻已成为公认的禾本科作物的“模式生物”，研 究水稻 的基 因组，有助于 了解小麦 、玉米等其它 禾本科作物的基因组，从而带动整个粮食作物的 基础与应用研究。水稻 “工作框架图”的绘制和 公布，将为世界粮食作物的基础和应用性研究提 供宝贵的数据化信息，促进我国生物技术的产权 化 、产业化进程 ，也必将会促进我国在此领域的 快速发展和新的突破 。 三、农业生物信息学研究展望 21世纪生物技术产业发展的关键就是对基 因的占有和利用，不占有基因，发展就是空话。 我们应以最积极的态度参与到 “基因大战”中， 组织力量加强合作，尽快开展重要农作物功能性 基因组的研究；同时，要加强农业生物信息学的 研究以及相关专业人才的培养，农业生物信息学 是农作物基因组学研究的基础，对基因、基因的 结构、基因产物的功能分析都是必不可少的技术 ． 38． 手段。如何利用当前国际上已有的信息学研究成 果并结合我国实际服务于我国农作物基因工程研 究是当务之急。应在以下几方面开展工作： 第一，收集分析国内外基因库数据，建立与 动、植物良种繁育相关的基因组数据库，特别是 要尽快建立包括水稻、小麦、玉米、棉花、油菜 和甘薯在内的六大作物优良品种、优良种质的基 因库管理系统。 第二，获取上述六大作物的完整基因组。农 作物基因组研究的首要目标是获得其整套遗传密 码，有 了完整基因组，人类对农作物的认识方能 更为精确、更为深入。 第三，发现新基因和新的单核苷酸多态性。 发现新基因是当前 国际上基 因组研究的热点，使 用生物信息学的方法是发现新基 因的重要手段 。 运用先进有效的农业生物信息学研究手段，结合 我国丰富的特有的遗传资源，开展中国优良农作 物资源的单核苷酸多态性(SNP)和插入缺失多态 性(InDe1)的研究，分离、克隆有自主知识产权的 有重要经济价值的新基因及重要的基因表达调控 元件，发现控制优良性状(如稻米品质、香味、抗 性)基因的分子标记 ，为我国的农作物应用研究和 育种提供全面的生物信息学服务。 第四，重视农业生物信息学与常规育种特别 是与杂交育种技术的有机结合。常规育种技术对 我国农业生产的发展做 出了巨大贡献，而现代基 因工程以其自身固有的优势和特点与常规育种技 术相辅相成，二者的结合构成技术优势互补，从 而为可持续农业的发展做出贡献。 第五，加强农业转基因生物 的安全性评估 。 虽然我国已经颁布了 《农业转基 因生物安全管理 条例》，但我国目前很少甚至没有 自己独立知识产 权 的功能性基因，主要是借鉴国外 已有的实验数 据 对现有农作物基 因工程产 品的安全性做 出评 价。随着农业生物信息学研究的开展以及新基因 的不断发现和利用，需要积累大量科学数据为新 基 因对环境和人体健康的影响做出正确评价 。因 此，有必要建立转基因生物安全性评估中心(基地) 和相关技术体系，为转基因生物安全性研究提供 科学依据。 (参考文献略) 维普资讯 http://www.cqvip.com