水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)專業(yè)生物信息學(xué)教學(xué)內(nèi)容探討

魏京廣 張平 秦啟偉

[摘 要] 生物信息學(xué)是現(xiàn)代基因組學(xué)時(shí)代的開拓者，也是生命科學(xué)研究重要的工具和載體。目前，全國(guó)高校的水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)本科專業(yè)基本開設(shè)了生物信息學(xué)課程，但尚未形成成熟的課程體系，有很大的改革空間。根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)專業(yè)的課程設(shè)置和學(xué)生知識(shí)背景，就生物信息學(xué)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行探討，通過知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，適應(yīng)后基因組時(shí)代水產(chǎn)科學(xué)研究，滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)水產(chǎn)創(chuàng)新型人才的需求。

[關(guān)鍵詞] 水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué);生物信息學(xué);教學(xué)內(nèi)容

[基金項(xiàng)目] 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)費(fèi)（219239）

[作者簡(jiǎn)介] 魏京廣（1980—），男，博士研究生，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋學(xué)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(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)員，研究方向：動(dòng)物學(xué);秦啟偉（1964—），男，博士研究生，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院教授，研究方向：魚類免疫及病害防控。

[中圖分類號(hào)]G642.3? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A? ? [文章編號(hào)]1674-9324（2020）31-0262-03? ? [收稿日期]2020-03-23

一、前言

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)本科專業(yè)設(shè)立于2002年，2005年設(shè)立水產(chǎn)養(yǎng)殖碩士點(diǎn)。水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)專業(yè)為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)特色專業(yè)，是廣東省創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地，其培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)具備海洋科學(xué)、水產(chǎn)養(yǎng)殖及水生動(dòng)物醫(yī)學(xué)等方面具有扎實(shí)的基本理論、知識(shí)和技能，能在相關(guān)領(lǐng)域和部門從事科學(xué)研究、教學(xué)、經(jīng)營(yíng)管理、技術(shù)開發(fā)與推廣等方面工作的復(fù)合應(yīng)用型人才。該專業(yè)的人才培養(yǎng)內(nèi)容主要包括水產(chǎn)科學(xué)、生物科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的基本理論和基本知識(shí)，以及生物學(xué)和水產(chǎn)養(yǎng)殖實(shí)踐性環(huán)節(jié)的基本訓(xùn)練，其中實(shí)踐內(nèi)容主要包括課程實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)等。

隨著基因組測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，一批水產(chǎn)動(dòng)物已經(jīng)完成了基因組測(cè)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(nèi)比較分析模式生物的基因和發(fā)現(xiàn)新的涉及表型的相關(guān)基因[1，2]。

生物信息學(xué)的誕生和發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)60年代，而生物信息學(xué)（Bioinformatics）一詞的出現(xiàn)則是在1990年[3]。生物信息學(xué)是研究生物信息的采集、處理、儲(chǔ)存、傳播、分析和解釋的一門學(xué)科，它通過綜合利用分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)，揭示大量且復(fù)雜的生物數(shù)據(jù)所具有的生物學(xué)奧秘。生物信息學(xué)作為一門新的學(xué)科領(lǐng)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(zhì)編碼區(qū)的信息后，進(jìn)行蛋白質(zhì)功能、結(jié)構(gòu)模擬和預(yù)測(cè)等，然后依據(jù)特定蛋白的功能進(jìn)行必要的藥物設(shè)計(jì)等一系列應(yīng)用性研究[3]。生物信息學(xué)已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域開展科研工作的重要工具，同時(shí)也是水產(chǎn)養(yǎng)殖相關(guān)專業(yè)本科生必須掌握的基本知識(shí)和技能。本文就生物信息學(xué)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行探討，通過知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通來提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，適應(yīng)后基因組時(shí)代水產(chǎn)科學(xué)研究，滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)水產(chǎn)創(chuàng)新型人才的需求。

二、生物信息學(xué)教學(xué)中存在的問題

（一）水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)專業(yè)的現(xiàn)狀

水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)本科專業(yè)作為農(nóng)科類專業(yè)之一，由于行業(yè)的特殊性，一直以來招生難度大，且要求轉(zhuǎn)專業(yè)的學(xué)生較多。但在現(xiàn)實(shí)中，水產(chǎn)行業(yè)人才嚴(yán)重缺乏。因此，如何改革或采取新的教學(xué)方式，穩(wěn)固學(xué)生的專業(yè)思想，培養(yǎng)熱愛水產(chǎn)，愿為水產(chǎn)做貢獻(xiàn)的人才，是當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)本科專業(yè)人才培養(yǎng)亟待解決的重點(diǎn)與難題問題。

（二）學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)薄弱

生物信息學(xué)涉及分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等內(nèi)容，絕大多數(shù)高校水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)專業(yè)都開設(shè)了大學(xué)數(shù)學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生物化學(xué)等課程，但是對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)安排的并不多，未深入學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、編程等。生物信息學(xué)的數(shù)據(jù)庫(kù)、分析軟件等絕大多數(shù)是英文環(huán)境，所以對(duì)學(xué)生的英語(yǔ)水平有一定的要求。

1.課時(shí)安排不足。在很多高校，生物信息學(xué)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(shí)踐課。生物信息學(xué)涉及的學(xué)科越來越多，教學(xué)內(nèi)容涉及生物化學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、基因工程及計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，以及不斷更新的數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件，需要學(xué)生花費(fèi)更多時(shí)間去理解與運(yùn)用。多樣的課程內(nèi)容與較少學(xué)時(shí)之間的沖突，為完整系統(tǒng)授課帶來一定難度。

2.缺乏合適教材。目前，生物信息學(xué)的專著和教材越來越多，部分教材專業(yè)性過強(qiáng)，難度較大，不適于水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)專業(yè)學(xué)生使用。缺乏合適的教材是水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)專業(yè)生物信息學(xué)教學(xué)的一大難題。

三、生物信息學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

針對(duì)生物信息學(xué)教學(xué)中遇到的問題，從水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)人才培養(yǎng)的目的出發(fā)，選擇合適的教學(xué)內(nèi)容開展工作，使學(xué)生愿意接受生物信息學(xué)課程，從而輕松學(xué)習(xí)、掌握與運(yùn)用生物信息學(xué)知識(shí)。

（一）基礎(chǔ)知識(shí)

1.緒論。緒論部分主要介紹生物信息學(xué)的概念、發(fā)展歷史、生物信息類型、產(chǎn)生途徑和面臨的挑戰(zhàn)等，讓學(xué)生意識(shí)到生物信息學(xué)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的重要性，同時(shí)強(qiáng)調(diào)生物信息學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用特點(diǎn)。

2.分子數(shù)據(jù)庫(kù)。隨著生物學(xué)的發(fā)展及各類組學(xué)技術(shù)的建立，生物學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)量不斷增加。在組學(xué)發(fā)展過程中，如何有效地建立與使用數(shù)據(jù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)大批量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理及檢索是科學(xué)家們首先要解決的問題。因此，開發(fā)與分子生物學(xué)大規(guī)模數(shù)據(jù)相關(guān)的生物學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)成為生物信息學(xué)研究中最基本的一項(xiàng)任務(wù)。分子數(shù)據(jù)庫(kù)部分主要介紹生物數(shù)據(jù)庫(kù)的類型、內(nèi)容與結(jié)構(gòu)。另外，開發(fā)眾多分子數(shù)據(jù)庫(kù)的目的除了存儲(chǔ)與管理各類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果外，最重要的是提供有效的用戶檢索與接入系統(tǒng)。因此，本章以目前最常用的生物學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索系統(tǒng)之一的Entrez為例，介紹如何使用數(shù)據(jù)庫(kù)快速提取所需要的信息。

3.序列比對(duì)。序列比對(duì)是生物信息學(xué)最主要的研究?jī)?nèi)容之一，它可以分為兩個(gè)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(duì)是數(shù)據(jù)庫(kù)搜索算法的基礎(chǔ)，將查詢序列與整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的所有序列進(jìn)行比較，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得與其最相似序列的已有數(shù)據(jù)，能快速獲得有關(guān)查詢序列的大量有價(jià)值的參考信息，對(duì)進(jìn)一步分析其結(jié)構(gòu)和功能有很大幫助。近年來，隨著生物信息學(xué)數(shù)據(jù)的大量積累，通過比對(duì)方法可有效分析和預(yù)測(cè)一些新發(fā)現(xiàn)基因的功能。因此，這一章要向?qū)W生講解序列比對(duì)相關(guān)概念、序列比對(duì)打分方法、序列比對(duì)工具以及多重序列比對(duì)等。BLAST是最常用的核酸和蛋白質(zhì)同源性比較工具，要重點(diǎn)介紹。這些知識(shí)的學(xué)習(xí)讓學(xué)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(shí)融會(huì)貫通。

4.基因預(yù)測(cè)與功能注釋。準(zhǔn)確的基因組注釋對(duì)依賴基因組信息的研究工作至關(guān)重要。基因組注釋努力的目標(biāo)是盡可能地確定基因組中每一個(gè)核苷酸的生化和生物學(xué)功能。一個(gè)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(zhì)的基因、RNA基因、重復(fù)序列和假基因等，并確定這些元件所對(duì)應(yīng)的生物學(xué)功能。本章主要介紹基因組中的蛋白質(zhì)編碼基因、RNA基因、重復(fù)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(gè)流程。

5.分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育。自20世紀(jì)中葉以來，隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，進(jìn)化生物學(xué)也進(jìn)入了分子水平，并建立了一套依賴于核酸、蛋白質(zhì)序列變異的理論和方法，由此也開創(chuàng)了生物信息學(xué)新領(lǐng)域。本章要主要介紹分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育的基本概念和理論，闡述幾種分子系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建方法的基本原理，并說明構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)發(fā)育樹的應(yīng)用。

6.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的體現(xiàn)者。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)決定功能，此即蛋白質(zhì)科學(xué)的首要法則。事實(shí)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(zhì)分子經(jīng)過數(shù)百年進(jìn)化所積累的所有生物學(xué)功能。因此，研究分析蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)意義重大。本章在介紹的時(shí)候要從蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)測(cè)定及預(yù)測(cè)、蛋白質(zhì)折疊等方面對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行闡述。

（二）高通量測(cè)序數(shù)據(jù)分析

1.基因組學(xué)?；蚪M學(xué)是研究基因組結(jié)構(gòu)、功能與多樣性的科學(xué)，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(xué)方法與傳統(tǒng)生物學(xué)方法的主要差別在于研究的規(guī)模，因?yàn)榛蚪M學(xué)的目標(biāo)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(gè)或少量基因。在講授的時(shí)候要在前面基因預(yù)測(cè)與功能注釋的基礎(chǔ)上重點(diǎn)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(shù)貝類（牡蠣等）基因組數(shù)據(jù)已經(jīng)公布[1]，所以還要介紹現(xiàn)有的基因組學(xué)技術(shù)和資源，同時(shí)探討基因組學(xué)技術(shù)在魚類和貝類養(yǎng)殖上的應(yīng)用（如育種、繁殖、生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)和產(chǎn)品質(zhì)量等），包括種質(zhì)多樣性的評(píng)估和在選育程序上的使用。

2.轉(zhuǎn)錄組學(xué)。中心法則是現(xiàn)代分子生物學(xué)的核心，RNA是遺傳信息傳遞的媒介。而轉(zhuǎn)錄組學(xué)從RNA水平演技基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，闡述從DNA到蛋白質(zhì)的中間過程，探索RNA參與的復(fù)雜生命活動(dòng)。在講授中主要介紹轉(zhuǎn)錄組學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展和最新研究策略，從試驗(yàn)設(shè)計(jì)、測(cè)序流程、數(shù)據(jù)處理和功能分析等角度全面解析RNA-seq的研究過程。重點(diǎn)介紹RNA-seq數(shù)據(jù)分析，包括測(cè)序數(shù)據(jù)質(zhì)控、比對(duì)拼接、表達(dá)定量、差異表達(dá)分析、聚類分析及其共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)等。

3.蛋白質(zhì)組學(xué)。蛋白質(zhì)組是指一個(gè)生物體基因組、一個(gè)細(xì)胞或組織所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)成分。蛋白質(zhì)組學(xué)是以蛋白質(zhì)組為研究對(duì)象，從整體蛋白質(zhì)水平上，在一個(gè)更加深入、更加貼近生命的層次上去探索和發(fā)現(xiàn)生命多動(dòng)的規(guī)律和重要的生理、病理現(xiàn)象等。在講授中可以簡(jiǎn)述如何用生物信息學(xué)方法與理論進(jìn)行蛋白質(zhì)的表達(dá)、翻譯后修飾、定位及蛋白質(zhì)的相互作用分析。

4.代謝組學(xué)。代謝組學(xué)是迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，它以生物系統(tǒng)中的代謝產(chǎn)物（由于實(shí)際分析手段的局限性，目前主要針對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量1000以下的小分子）分子為對(duì)象，以高通量、高靈敏度、高分辨率的現(xiàn)代儀器分析方法為手段，結(jié)合模式識(shí)別等化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，分析生物體系受刺激或擾動(dòng)后代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律或隨時(shí)間的變化規(guī)律[4]。目前，代謝組學(xué)在水產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用。因此，在講授中可以介紹代謝組學(xué)的研究?jī)?nèi)容、分析技術(shù)及在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用實(shí)例。

5.宏基因組學(xué)。宏基因組學(xué)代表著分子生物學(xué)與生物信息學(xué)工具的結(jié)合，用于評(píng)估一個(gè)群落中的遺傳信息，而不需要經(jīng)過任何微生物培養(yǎng)。這種方法對(duì)于那些包含大量不可培養(yǎng)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(xué)早期研究概況和應(yīng)用方向，討論宏基因組學(xué)分析在分子生物學(xué)和生物信息學(xué)方面面臨的挑戰(zhàn)。同時(shí)介紹組裝和合并的工具、基因預(yù)測(cè)程序和注釋的系統(tǒng)，討論基于數(shù)據(jù)集內(nèi)分析系統(tǒng)發(fā)育和功能多樣性的方法。

四、結(jié)語(yǔ)

改革開放以來，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)無論是產(chǎn)量還是產(chǎn)值，都維持著快速上升態(tài)勢(shì)，連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)的地位。水產(chǎn)養(yǎng)殖為解決我國(guó)人民膳食中動(dòng)物蛋白來源，保障身體健康，提高身體素質(zhì)起到了重要作用。隨著基因組測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，一批水產(chǎn)動(dòng)物已經(jīng)完成了基因組測(cè)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(nèi)比較分析模式生物的基因和發(fā)現(xiàn)新的涉及表型的相關(guān)基因。生物信息學(xué)是現(xiàn)代基因組學(xué)時(shí)代的開拓者，也是生命科學(xué)研究的重要的工具和載體。本文針對(duì)生物信息學(xué)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了探討，希望老師在教學(xué)中掌握時(shí)代前沿資訊，根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)和生物信息學(xué)的發(fā)展，及時(shí)調(diào)整和選擇教學(xué)內(nèi)容并突出重點(diǎn)，引入最新的生物信息學(xué)資源以及相關(guān)軟件工具和數(shù)據(jù)庫(kù)，形成一套有層次的階梯遞進(jìn)式生物信息學(xué)教學(xué)體系。

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