徐佳瑩 寧璐

摘 要：該文闡述了生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域如農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的挖掘與利用等方面的具體應(yīng)用，對(duì)生物信息學(xué)在其他領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了展望，并提出了今后發(fā)展的幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué);數(shù)據(jù)庫;農(nóng)業(yè)應(yīng)用

中圖分類號(hào) G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 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(xué)一詞的由來，最早是在1956年首次召開的“生命科學(xué)中的信息理論討論會(huì)”上被提出的，之后隨著基因組計(jì)劃的提出和現(xiàn)代生物技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷持續(xù)增長(zhǎng)的生物信息量成為了阻礙傳統(tǒng)研究的最大問題。因此，以分子生物學(xué)為基礎(chǔ)，與計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科結(jié)合產(chǎn)生的交叉學(xué)科——生物信息學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸發(fā)展成為了最具潛力的學(xué)科之一，現(xiàn)已經(jīng)涉及到生物科學(xué)的各個(gè)方面。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展同樣離不開生物科學(xué)的發(fā)展，將生物信息學(xué)的相關(guān)技術(shù)滲透到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展當(dāng)中，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程具有重要的意義。目前，對(duì)于生物信息學(xué)硬件設(shè)施的建設(shè)經(jīng)基本趨于完善，但在生物信息數(shù)據(jù)分析方面還存在一定的差距。利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力，并結(jié)合在生物學(xué)等方面的研究數(shù)據(jù)，能夠便捷的實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的獲取與存儲(chǔ)、組織與分析以及檢索與可視化，這使得生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域能更充分地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)作用。因此，在未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的過程中，生物信息學(xué)勢(shì)必會(huì)對(duì)其產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1 生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)上的研究應(yīng)用

1.1 農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的挖掘與利用 隨著農(nóng)業(yè)耕種措施的改變，數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展必將成為主要的發(fā)展方向。農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫的使用，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的錄入導(dǎo)出、檢索分析等基本數(shù)據(jù)處理的功能，便于使用者能夠快速地從大量的數(shù)據(jù)中提取到有用的信息。數(shù)據(jù)庫作為存放數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，是進(jìn)行信息處理的基礎(chǔ)，位于開展各項(xiàng)工作的起始位置，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理與存儲(chǔ)。例如，在對(duì)國(guó)際大豆基因組測(cè)序計(jì)劃的過程中，研究人員建立了完整的大豆轉(zhuǎn)座子數(shù)據(jù)庫和相關(guān)網(wǎng)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(duì)豆科植物基因組的注釋、基因功能、基因組進(jìn)化以及分子育種等方面的研究提供了極大的幫助。農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究當(dāng)中的數(shù)據(jù)錄入查詢并能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算等基本功能;通過對(duì)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的挖掘與利用，再?gòu)倪@些數(shù)據(jù)當(dāng)中高效地提取出有效的數(shù)據(jù)信息，通過對(duì)農(nóng)作物基因組的識(shí)別與新基因組的發(fā)現(xiàn)，利用生物信息學(xué)相關(guān)工具，就可能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物品種的改良和豐富種質(zhì)資源數(shù)量等，從而滿足科學(xué)研究和人類生活等方面的基本需求[1]。

1.2 農(nóng)業(yè)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(qū)別開的植物，一般都從命名植物學(xué)家所采集的標(biāo)本為準(zhǔn)。目前，世界上已經(jīng)被命名的任何一種植物都有其模式植物[2]。農(nóng)業(yè)模式植物就是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和利用上特征明顯、常用來可以區(qū)分其他植物的特征植物。1997年5月，美國(guó)開展了國(guó)家植物基因計(jì)劃，在該計(jì)劃實(shí)施的背景下，各國(guó)科學(xué)家通力合作經(jīng)過多年的努力，使得植物基因組的研究取得了重大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)某些模式植物的全基因組測(cè)序。在此基礎(chǔ)上，從基因組的角度進(jìn)一步分析和研究了傳統(tǒng)農(nóng)作物的基因表達(dá)以及蛋白質(zhì)和核酸的定位等問題，在分子水平上掌握了這些植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能。由此可見，生物信息學(xué)工具的運(yùn)用，很好地促使了這些研究?jī)?nèi)容和成果的相互融合。目前，已經(jīng)較為完善的農(nóng)作物生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫研究平臺(tái)包括有較為全面的TIGR數(shù)據(jù)庫、玉米方面的MazeGDB數(shù)據(jù)庫、馬鈴薯方面的Pomamo數(shù)據(jù)庫等[3]。

1.3 種質(zhì)資源優(yōu)的化與保存 傳統(tǒng)的研究方法記錄和評(píng)估種質(zhì)資源的某些特征，并最終產(chǎn)生種質(zhì)形態(tài)特征的圖像，這一過程通常需要經(jīng)驗(yàn)豐富的研究人員經(jīng)過多年的研究，但也不一定就能得到理想的結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的使用，在育種過程中，前期根據(jù)數(shù)據(jù)庫當(dāng)中的相關(guān)信息，選擇優(yōu)質(zhì)的性狀和目標(biāo)基因，這樣能從育種前期對(duì)這些性狀進(jìn)行篩選;在遺傳學(xué)和分子生物學(xué)等學(xué)科的研究基礎(chǔ)上，已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù)，可以通過建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫來對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，針對(duì)具體過程采用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬，通過大數(shù)據(jù)來建立相關(guān)的計(jì)算機(jī)模型，科研人員以這些模型為主要研究對(duì)象提出自己的見解和假設(shè)，而且可以針對(duì)在植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段或是植物的不同部位的組織器官的基因進(jìn)行標(biāo)記與分析，篩選出合適的等位基因，并將符合條件的基因進(jìn)行標(biāo)記。在整個(gè)過程中，不受環(huán)境等其他自然因素的影響，與傳統(tǒng)育種過程相比，能在一定程度上縮短育種的時(shí)間，從而為新品種的研發(fā)提供了便利條件。而對(duì)于動(dòng)物類的種質(zhì)資源，我國(guó)已經(jīng)擁有了屬于自己的家養(yǎng)動(dòng)物種質(zhì)資源平臺(tái)[4]。在這個(gè)平臺(tái)上能夠提供在我國(guó)范圍內(nèi)飼養(yǎng)的常見畜禽類動(dòng)物和有經(jīng)濟(jì)價(jià)值動(dòng)物的相關(guān)的信息，在保存種質(zhì)資源的同時(shí)，還能為提供適應(yīng)我國(guó)不同地域條件、消費(fèi)水平和消費(fèi)需求選擇適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)殖動(dòng)物。

1.4 新農(nóng)藥的設(shè)計(jì)與研究 現(xiàn)階段的農(nóng)藥研制，不能僅僅考慮其對(duì)植物的殺蟲防病效果，還需考慮其對(duì)人體產(chǎn)生的影響，在整個(gè)研發(fā)的過程中，可能會(huì)付出大量的時(shí)間和金錢，但未必能夠得到預(yù)期的結(jié)果。生物信息學(xué)的相關(guān)內(nèi)容和技術(shù)，在新農(nóng)藥的設(shè)計(jì)與研發(fā)過程中能先進(jìn)行病理分析，進(jìn)而找到關(guān)鍵的分子之間的靶向性信息，并闡明其結(jié)構(gòu)和功能之間關(guān)系，在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)設(shè)計(jì)能激活或阻斷生物大分子發(fā)揮作用，從而達(dá)到預(yù)期的效果[5]。例如，楊華錚等[6]研究設(shè)計(jì)并合成了十多個(gè)種類的數(shù)百種除草化合物，這些化合物經(jīng)過生物活性測(cè)定，某些被監(jiān)測(cè)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，無論是種植業(yè)還是養(yǎng)殖業(yè)，病蟲害問題已經(jīng)嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(duì)病原進(jìn)行識(shí)別以及體內(nèi)防御機(jī)制能否對(duì)這類病害產(chǎn)生預(yù)防[7]。目前，已有科學(xué)家在一些植物中找到了有關(guān)抗性的基因，但對(duì)于植物抗性的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、植物與病原的相互作用之間等問題仍是只知其表。對(duì)傳統(tǒng)的植物與病原相互作用，現(xiàn)階段的主要研究一般只是對(duì)單一個(gè)體或幾個(gè)相互作用的成分之間進(jìn)行研究，得到的信息十分有限，通過利用生物信息學(xué)相關(guān)的研究方法，能促進(jìn)植物和病原間相互作用。目前，常用的方法包括蛋白質(zhì)組學(xué)的研究、基因突變的研究、反向遺傳學(xué)方法等[8]。除上述對(duì)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(qiáng)作物抗性或是減弱其感受性。在此研究的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)的模型估計(jì)，能對(duì)上述這些基因的操作分析結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)這些病原的生物學(xué)特性和信息進(jìn)行分析，既能有效控制這類病原，又不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生過多的影響。從動(dòng)物方面來看，要具體分析養(yǎng)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(duì)這些影響因素，在改變基因結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在其基因序列中引入抗性基因，從而實(shí)現(xiàn)生物抗病蟲害和抗逆的能力。

1.6 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與食品安全 對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說，無論是從事作物種植或者是從事經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的養(yǎng)殖，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的最終來源基本都來自于農(nóng)產(chǎn)品，而這些農(nóng)產(chǎn)品的最終去向多是流向人類的餐桌，這無疑對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全和質(zhì)量監(jiān)管提出了更高的要求。從農(nóng)田到餐桌、從養(yǎng)殖場(chǎng)所到餐桌，在每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要準(zhǔn)確及時(shí)的監(jiān)測(cè)。一般食品在加工、制作、存儲(chǔ)過程中，都會(huì)伴隨著各種細(xì)菌數(shù)量的變化。采用生物信息學(xué)的方法可以提前得到致病菌的核酸序列，之后再比對(duì)這些序列，選出適合使用檢測(cè)的引物以及探針，最終運(yùn)用PCR法等測(cè)定方法快速檢測(cè)出食品中的細(xì)菌或病毒[9]。近年來，關(guān)于轉(zhuǎn)基因的相關(guān)問題人們也越來越關(guān)注。轉(zhuǎn)基因植物一般是指將動(dòng)植物或微生物中分離出的目的基因?qū)氲絼?dòng)植物的基因組，并且將這一性狀穩(wěn)定的遺傳給后代，例如可以導(dǎo)入抗蟲性、抗病性、抗逆性等性狀[10]。目前，隨著生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，我國(guó)已建立了農(nóng)業(yè)生物基因工程安全委員會(huì)，主要是對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，以此來保證我國(guó)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的質(zhì)量安全。

2 展望與相關(guān)建議

2.1 我國(guó)生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫的建立與更新 我國(guó)生物信息數(shù)據(jù)庫分布較為分散，格式也不統(tǒng)一，高質(zhì)量且內(nèi)容專業(yè)的生物信息數(shù)據(jù)庫數(shù)量無論是數(shù)量上還是整體占比，都處于劣勢(shì)，相比于英美等發(fā)達(dá)國(guó)家在農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫，我國(guó)基于資金、技術(shù)等問題的存在，難以建成完善的農(nóng)業(yè)生物信息系統(tǒng)。結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的整體形勢(shì)和種植農(nóng)作物的具體情況，建立適應(yīng)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的生物信息數(shù)據(jù)庫，特別是包括以水稻、小麥、玉米等品種在內(nèi)的6大主要作物的優(yōu)質(zhì)品種和優(yōu)良種質(zhì)資源的基因庫管理系統(tǒng)，并在原有相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上及時(shí)補(bǔ)充更新，保證數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。此外，還應(yīng)結(jié)合國(guó)內(nèi)外生物數(shù)據(jù)庫當(dāng)中的數(shù)據(jù)信息，掌握發(fā)布地最新的種質(zhì)、新的品種有關(guān)的性狀數(shù)據(jù)，為我國(guó)研究人員加快農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究提供便利條件[11]。同時(shí)，利用轉(zhuǎn)換軟件將生物數(shù)據(jù)和國(guó)際農(nóng)業(yè)與生物科學(xué)中心文摘數(shù)據(jù)庫當(dāng)中有關(guān)農(nóng)作物育種和基因資源方面的文獻(xiàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換導(dǎo)錄，以此最終形成一套全面完整的檢索系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是以生物技術(shù)為主要研究技術(shù)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合其他多學(xué)科如信息技術(shù)等手段，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科之間的充分融合并促進(jìn)其他學(xué)科的發(fā)展，打破技術(shù)的局限性，為加快生物信息在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供必要的條件。

2.2 與育種技術(shù)的結(jié)合 生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展離不開與傳統(tǒng)育種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合[12]，這些育種技術(shù)已經(jīng)為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展做出了相應(yīng)的貢獻(xiàn)。相信在生物信息學(xué)幫助下，現(xiàn)代基因工程與育種技術(shù)兩者之間相輔相成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)一步為我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)[13]。此外，生物信息學(xué)在研究過程不可能完全代替試驗(yàn)操作[14]，生物信息學(xué)中用于研究和分析的數(shù)據(jù)來源都是在實(shí)驗(yàn)室得到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在此過程中難免會(huì)出現(xiàn)偏差，還需要實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證。

2.3 專業(yè)性人才的培養(yǎng) 對(duì)于生物技術(shù)的發(fā)展最為重要的是基因的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是對(duì)重要農(nóng)作物的功能性基因進(jìn)行研究和改良。由于生物信息學(xué)在我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于初級(jí)發(fā)展階段，專業(yè)領(lǐng)域的人才數(shù)量較少，不能為我國(guó)種質(zhì)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(yīng)重視傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大類專業(yè)學(xué)生對(duì)于生物信息學(xué)方面知識(shí)的了解和掌握，培養(yǎng)符合現(xiàn)代生物學(xué)發(fā)展的專業(yè)性人才。

3 小結(jié)

生物信息學(xué)自其誕生以來，得到了眾多學(xué)者的認(rèn)可，特別是在對(duì)生物信息學(xué)數(shù)據(jù)以及其對(duì)基因組研究所做出的貢獻(xiàn)，將生物信息學(xué)與農(nóng)業(yè)相結(jié)合，必將推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在今后的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)來源廣泛真實(shí)和結(jié)果完善程度高的農(nóng)作物生物信息數(shù)據(jù)庫，勢(shì)必會(huì)成為日后研究農(nóng)業(yè)領(lǐng)域動(dòng)植物基因組學(xué)的基本方法;利用生物信息數(shù)據(jù)庫對(duì)基因及其結(jié)構(gòu)和產(chǎn)物的功能分析，將成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究中重要的技術(shù)手段。有了生物信息學(xué)的幫助，使農(nóng)業(yè)在新時(shí)期的發(fā)展有了新的技術(shù)，極大程度上加速了我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化的進(jìn)程。

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（責(zé)編：張宏民）