生物信息學在農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)領域如農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)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(fā)展進行了展望，并提出了今后發(fā)展的幾點建議。

關鍵詞：生物信息學;數(shù)據(jù)庫;農(nóng)業(yè)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(xiàn)代生物技術的飛速發(fā)展，不斷持續(xù)增長的生物信息量成為了阻礙傳統(tǒng)研究的最大問題。因此，以分子生物學為基礎，與計算機技術、數(shù)學等學科結合產(chǎn)生的交叉學科——生物信息學應運而生，并逐漸發(fā)展成為了最具潛力的學科之一，現(xiàn)已經(jīng)涉及到生物科學的各個方面。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展同樣離不開生物科學的發(fā)展，將生物信息學的相關技術滲透到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展當中，對進一步推動我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)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(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。利用計算機對數(shù)據(jù)的處理能力，并結合在生物學等方面的研究數(shù)據(jù)，能夠便捷的實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)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(nóng)業(yè)領域能更充分地發(fā)揮其優(yōu)勢作用。因此，在未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的過程中，生物信息學勢必會對其產(chǎn)生深遠的影響。

1 生物信息學在農(nóng)業(yè)上的研究應用

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，可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的錄入導出、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(shù)據(jù)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(zhuǎn)座子數(shù)據(jù)庫和相關網(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(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究當中的數(shù)據(jù)錄入查詢并能進行統(tǒng)計計算等基本功能;通過對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的挖掘與利用，再從這些數(shù)據(jù)當中高效地提取出有效的數(shù)據(jù)信息，通過對農(nóng)作物基因組的識別與新基因組的發(fā)現(xiàn)，利用生物信息學相關工具，就可能實現(xiàn)對農(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家所采集的標本為準。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(jīng)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(xiàn)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(tǒng)農(nóng)作物的基因表達以及蛋白質(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(nèi)容和成果的相互融合。目前，已經(jīng)較為完善的農(nóng)作物生物信息學數(shù)據(jù)庫研究平臺包括有較為全面的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果。隨著計算機相關技術的使用，在育種過程中，前期根據(jù)數(shù)據(jù)庫當中的相關信息，選擇優(yōu)質(zhì)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(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù)，可以通過建立相應的數(shù)據(jù)庫來對這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)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(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間，從而為新品種的研發(fā)提供了便利條件。而對于動物類的種質(zhì)資源，我國已經(jīng)擁有了屬于自己的家養(yǎng)動物種質(zhì)資源平臺[4]。在這個平臺上能夠提供在我國范圍內(nèi)飼養(yǎng)的常見畜禽類動物和有經(jīng)濟價值動物的相關的信息，在保存種質(zhì)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?shù)酿B(yǎng)殖動物。

1.4 新農(nóng)藥的設計與研究 現(xiàn)階段的農(nóng)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(chǎn)生的影響，在整個研發(fā)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(nèi)容和技術，在新農(nóng)藥的設計與研發(fā)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(fā)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(shù)百種除草化合物，這些化合物經(jīng)過生物活性測定，某些被監(jiān)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(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病原進行識別以及體內(nèi)防御機制能否對這類病害產(chǎn)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(zhuǎn)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(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(zhì)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(huán)境產(chǎn)生過多的影響。從動物方面來看，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(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)濟動物的養(yǎng)殖，其經(jīng)濟價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)殖場所到餐桌，在每一個環(huán)節(jié)都需要準確及時的監(jiān)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(shù)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(zhuǎn)基因的相關問題人們也越來越關注。轉(zhuǎn)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?qū)氲絼又参锏幕蚪M，并且將這一性狀穩(wěn)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(nóng)業(yè)領域的應用，我國已建立了農(nóng)業(yè)生物基因工程安全委員會，主要是對轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品進行安全性評價，以此來保證我國轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的質(zhì)量安全。

2 展望與相關建議

2.1 我國生物信息學數(shù)據(jù)庫的建立與更新 我國生物信息數(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，相比于英美等發(fā)達國家在農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫，我國基于資金、技術等問題的存在，難以建成完善的農(nóng)業(yè)生物信息系統(tǒng)。結合我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的整體形勢和種植農(nóng)作物的具體情況，建立適應我國農(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)，并在原有相關內(nèi)容的基礎上及時補充更新，保證數(shù)據(jù)的全面性和準確性。此外，還應結合國內(nèi)外生物數(shù)據(jù)庫當中的數(shù)據(jù)信息，掌握發(fā)布地最新的種質(zhì)、新的品種有關的性狀數(shù)據(jù)，為我國研究人員加快農(nóng)業(yè)生物技術研究提供便利條件[11]。同時，利用轉(zhuǎn)換軟件將生物數(shù)據(jù)和國際農(nóng)業(yè)與生物科學中心文摘數(shù)據(jù)庫當中有關農(nóng)作物育種和基因資源方面的文獻進行轉(zhuǎn)換導錄，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(xiàn)多學科之間的充分融合并促進其他學科的發(fā)展，打破技術的局限性，為加快生物信息在農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)領域的發(fā)展離不開與傳統(tǒng)育種技術的有機結合[12]，這些育種技術已經(jīng)為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展做出了相應的貢獻。相信在生物信息學幫助下，現(xiàn)代基因工程與育種技術兩者之間相輔相成優(yōu)勢互補，進一步為我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)的發(fā)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(shù)據(jù)來源都是在實驗室得到的數(shù)據(jù)基礎上，在此過程中難免會出現(xiàn)偏差，還需要實驗室進行補充驗證。

2.3 專業(yè)性人才的培養(yǎng) 對于生物技術的發(fā)展最為重要的是基因的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)領域是對重要農(nóng)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(nóng)業(yè)領域的應用仍處于初級發(fā)展階段，專業(yè)領域的人才數(shù)量較少，不能為我國種質(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，今后應重視傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大類專業(yè)學生對于生物信息學方面知識的了解和掌握，培養(yǎng)符合現(xiàn)代生物學發(fā)展的專業(yè)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(shù)據(jù)以及其對基因組研究所做出的貢獻，將生物信息學與農(nóng)業(yè)相結合，必將推動我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在今后的應用中，數(shù)據(jù)來源廣泛真實和結果完善程度高的農(nóng)作物生物信息數(shù)據(jù)庫，勢必會成為日后研究農(nóng)業(yè)領域動植物基因組學的基本方法;利用生物信息數(shù)據(jù)庫對基因及其結構和產(chǎn)物的功能分析，將成為農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)在新時期的發(fā)展有了新的技術，極大程度上加速了我國農(nóng)業(yè)信息化的進程。

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（責編：張宏民）