孫云昌

摘要：本文綜合敘述了生物信息學對農(nóng)業(yè)科學研究的影響，介紹了生物信息學在農(nóng)業(yè)模式植物、種質資源優(yōu)化、農(nóng)藥的設計開發(fā)、作物遺傳育種、生態(tài)環(huán)境、食品安全等研究領域的應用概況，闡述了生物信息學為農(nóng)業(yè)發(fā)展服務的意義。

關鍵詞：生物信息學農(nóng)業(yè)研究領域應用

“生物信息學”是英文單詞“Bioinformatics”的中文譯名，其概念是1956年在美國田納西州Gatlinburg召開的“生物學中的信息理論”討論會上首次被提出的，由美國學者Lim在1991年發(fā)表的文章中首次使用。生物信息學自產(chǎn)生以來，大致經(jīng)歷了前基因組時代、基因組時代和后基因組時代三個發(fā)展階段。2003年4月14日，美國人類基因組研究項目首席科學家Collins F博士在華盛頓隆重宣布人類基因組計劃（Human Genome Project，HGP）的所有目標全部實現(xiàn)。這標志著后基因組時代（Post Genome Era，PGE）的來臨，是生命科學史中又一個里程碑。生物信息學作為21世紀生物技術的核心，已經(jīng)成為現(xiàn)代生命科學研究中重要的組成部分。研究基因、蛋白質和生命，其研究成果必將深刻地影響農(nóng)業(yè)。本文重點闡述生物信息學在農(nóng)業(yè)模式植物、種質資源優(yōu)化、農(nóng)藥的設計開發(fā)、作物遺傳育種、生態(tài)環(huán)境改善等方面的最新研究進展。

1、生物信息學在農(nóng)業(yè)模式植物研究領域中的應用

1997年5月美國啟動國家植物基因組計劃（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)濟價值的關鍵植物的基因圖譜。國家植物基因組計劃是與人類基因組工程（HGP）并行的龐大工程。近年來，通過各國科學家的通力合作，植物基因組研究取得了重大進展，擬南芥、水稻等模式植物已完成了全基因組測序。人們可以使用生物信息學的方法系統(tǒng)地研究這些重要農(nóng)作物的基因表達、蛋白質互作、蛋白質和核酸的定位、代謝物及其調節(jié)網(wǎng)絡等，從而從分子水平上了解細胞的結構和功能。目前已經(jīng)建立的農(nóng)作物生物信息學數(shù)據(jù)庫研究平臺有植物轉錄本（TA）集合數(shù)據(jù)庫TIGR、植物核酸序列數(shù)據(jù)庫PlantGDB、研究玉米遺傳學和基因組學的MazeGDB數(shù)據(jù)庫、研究草類和水稻的Gramene數(shù)據(jù)庫、研究馬鈴薯的PoMaMo數(shù)據(jù)庫，等等。

2、生物信息學在種質資源保存研究領域中的應用

種質資源是農(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、環(huán)境適應性基因等）的等位基因。植物種質資源庫是指以植物種質資源為保護對象的保存設施。至1996年，全世界已建成了1300余座植物種質資源庫，在我國也已建成30多座作物種質資源庫。種質入庫保存類型也從單一的種子形式，發(fā)展到營養(yǎng)器官、細胞和組織，甚至DNA片段等多種形式。保護的物種也從有性繁殖植物擴展到無性繁殖植物及頑拗型種子植物等[6]。近年來，人們越來越多地應用各種分子標記來鑒定種質資源。例如微衛(wèi)星、AFLP、SSAP、RBIP和SNP等。由于對種質資源進行分子標記產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，因此需要建立生物信息學數(shù)據(jù)庫和采用分析工具來實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計和計算機分析等。

3、生物信息學在農(nóng)藥設計開發(fā)研究領域中的應用

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，

以及礦物中進行篩選，得到一個可供臨床使用的藥物要耗費大量的時間與金錢。生物信息學在藥物研發(fā)中的意義在于找到病理過程中關鍵性的分子靶標、闡明其結構和功能關系，從而指導設計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。生物信息學為藥物研發(fā)提供了新的手段，導致了藥物研發(fā)模式的改變。目前，生物信息學促進農(nóng)藥研制已有許多成功的例子。ItzstEin等設計出兩種具有與唾液酸酶結合化合物：4—氨基—Neu5Ac2en和4—胍基—Neu5Ac2en。其中，后者是前者與唾液酸酶的結合活性的250倍[11]。目前，這兩種新藥已經(jīng)進入臨床試驗階段。TANG SY等學者研制出新一代抗AIDS藥物saquinavir[12]。Pungpo等已經(jīng)設計出幾種新型高效的抗HIV—1型藥物。楊華錚等人設計合成了十多類數(shù)百個除草化合物，經(jīng)生物活性測定，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的參與，隨著生物信息學技術的進一步完善和發(fā)展，將會大大降低藥物研發(fā)的成本，提高研發(fā)的質量和效率。

4、生物學信息學在作物遺傳育種研究領域中的應用

隨著主要農(nóng)作物遺傳圖譜精確度的提高，以及特定性狀相關分子基礎的進一步闡明，人們可以利用生物信息學的方法，先從模式生物中尋找可能的相關基因，然后在作物中找到相應的基因及其位點。農(nóng)作物的遺傳學和分子生物學的研究積累了大量的基因序列、分子標記、圖譜和功能方面的數(shù)據(jù)，可通過建立生物信息學數(shù)據(jù)庫來整合這些數(shù)據(jù)，從而比較和分析來自不同基因組的基因序列、功能和遺傳圖譜位置。在此基礎上，育種學家就可以應用計算機模型來提出預測假設，從多種復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、生物信息學在生態(tài)環(huán)境平衡研究領域中的應用

在生態(tài)系統(tǒng)中，基因流從根本上影響能量流和物質流的循環(huán)和運轉，是生態(tài)平衡穩(wěn)定的根本因素。生物信息學在環(huán)境領域主要應用在控制環(huán)境污染方面，主要通過數(shù)學與計算機的運用構建遺傳工程特效菌株，以降解目標基因及其目標污染物為切入點，通過降解污染物的分子遺傳物質核酸 DNA，以及生物大分子蛋白質酶，達到催化目標污染物的降解，從而維護空氣、水源、土地等生態(tài)環(huán)境的安全。