摘 要： 本文綜合敘述了生物信息學(xué)對(duì)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的影響，介紹了生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)模式植物、種質(zhì)資源優(yōu)化、農(nóng)藥的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、作物遺傳育種、生態(tài)環(huán)境、食品安全等研究領(lǐng)域的應(yīng)用概況，闡述了生物信息學(xué)為農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)的意義。

　　關(guān)鍵詞： 生物信息學(xué) 農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域 應(yīng)用

　　“生物信息學(xué)”是英文單詞“Bioinformatics”的中文譯名，其概念是1956年在美國(guó)田納西州Gatlinburg召開(kāi)的“生物學(xué)中的信息理論”討論會(huì)上首次被提出的[1]，由美國(guó)學(xué)者Lim在1991年發(fā)表的文章中首次使用。生物信息學(xué)自產(chǎn)生以來(lái)，大致經(jīng)歷了前基因組時(shí)代、基因組時(shí)代和后基因組時(shí)代三個(gè)發(fā)展階段[2]。2003年4月14日，美國(guó)人類(lèi)基因組研究項(xiàng)目首席科學(xué)家Collins F博士在華盛頓隆重宣布人類(lèi)基因組計(jì)劃(Human Genome Project，HGP)的所有目標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)[3]。這標(biāo)志著后基因組時(shí)代(Post Genome Era，PGE)的來(lái)臨，是生命科學(xué)史中又一個(gè)里程碑。生物信息學(xué)作為21世紀(jì)生物技術(shù)的核心，已經(jīng)成為現(xiàn)代生命科學(xué)研究中重要的組成部分。研究基因、蛋白質(zhì)和生命，其研究成果必將深刻地影響農(nóng)業(yè)。本文重點(diǎn)闡述生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)模式植物、種質(zhì)資源優(yōu)化、農(nóng)藥的設(shè)計(jì)開(kāi)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(jìn)展。

　　1.生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)模式植物研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　1997年5月美國(guó)啟動(dòng)國(guó)家植物基因組計(jì)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(shù)等十多種具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的關(guān)鍵植物的基因圖譜。國(guó)家植物基因組計(jì)劃是與人類(lèi)基因組工程(HGP)并行的龐大工程[4]。近年來(lái)，通過(guò)各國(guó)科學(xué)家的通力合作，植物基因組研究取得了重大進(jìn)展，擬南芥、水稻等模式植物已完成了全基因組測(cè)序。人們可以使用生物信息學(xué)的方法系統(tǒng)地研究這些重要農(nóng)作物的基因表達(dá)、蛋白質(zhì)互作、蛋白質(zhì)和核酸的定位、代謝物及其調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)等，從而從分子水平上了解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能[5]。目前已經(jīng)建立的農(nóng)作物生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)研究平臺(tái)有植物轉(zhuǎn)錄本(TA)集合數(shù)據(jù)庫(kù)TIGR、植物核酸序列數(shù)據(jù)庫(kù)PlantGDB、研究玉米遺傳學(xué)和基因組學(xué)的MazeGDB數(shù)據(jù)庫(kù)、研究草類(lèi)和水稻的Gramene數(shù)據(jù)庫(kù)、研究馬鈴薯的PoMaMo數(shù)據(jù)庫(kù)，等等。生物信息學(xué)在種質(zhì)資源保存研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　種質(zhì)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(zhì)、環(huán)境適應(yīng)性基因等)的等位基因。植物種質(zhì)資源庫(kù)是指以植物種質(zhì)資源為保護(hù)對(duì)象的保存設(shè)施。至1996年，全世界已建成了1300余座植物種質(zhì)資源庫(kù)，在我國(guó)也已建成30多座作物種質(zhì)資源庫(kù)。種質(zhì)入庫(kù)保存類(lèi)型也從單一的種子形式，發(fā)展到營(yíng)養(yǎng)器官、細(xì)胞和組織，甚至DNA片段等多種形式。保護(hù)的物種也從有性繁殖植物擴(kuò)展到無(wú)性繁殖植物及頑拗型種子植物等[6]。近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越多地應(yīng)用各種分子標(biāo)記來(lái)鑒定種質(zhì)資源。例如微衛(wèi)星、AFLP、SSAP、RBIP和SNP等。由于對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行分子標(biāo)記產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，因此需要建立生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和采用分析工具來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算機(jī)分析等[7]。生物信息學(xué)在農(nóng)藥設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)研究領(lǐng)域中的應(yīng)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(jìn)行篩選，得到一個(gè)可供臨床使用的藥物要耗費(fèi)大量的時(shí)間與金錢(qián)。生物信息學(xué)在藥物研發(fā)中的意義在于找到病理過(guò)程中關(guān)鍵性的分子靶標(biāo)、闡明其結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(guò)去的偶然和盲目中找到正確的研發(fā)方向。生物信息學(xué)為藥物研發(fā)提供了新的手段[8，9]，導(dǎo)致了藥物研發(fā)模式的改變[10]。目前，生物信息學(xué)促進(jìn)農(nóng)藥研制已有許多成功的例子。ItzstEin等設(shè)計(jì)出兩種具有與唾液酸酶結(jié)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(jié)合活性的250倍[11]。目前，這兩種新藥已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。TANG SY等學(xué)者研制出新一代抗AIDS藥物saquinavir[12]。Pungpo等已經(jīng)設(shè)計(jì)出幾種新型高效的抗HIV-1型藥物[13]。楊華錚等人設(shè)計(jì)合成了十多類(lèi)數(shù)百個(gè)除草化合物，經(jīng)生物活性測(cè)定，部分化合物的活性已超過(guò)商品化光合作用抑制劑的水平[14]。

　　現(xiàn)代農(nóng)藥的研發(fā)已離不開(kāi)生物信息技術(shù)的參與，隨著生物信息學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展，將會(huì)大大降低藥物研發(fā)的成本，提高研發(fā)的質(zhì)量和效率。生物學(xué)信息學(xué)在作物遺傳育種研究領(lǐng)域中的應(yīng)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(guān)分子基礎(chǔ)的進(jìn)一步闡明，人們可以利用生物信息學(xué)的方法，先從模式生物中尋找可能的相關(guān)基因，然后在作物中找到相應(yīng)的基因及其位點(diǎn)。農(nóng)作物的遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的研究積累了大量的基因序列、分子標(biāo)記、圖譜和功能方面的數(shù)據(jù)，可通過(guò)建立生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)整合這些數(shù)據(jù)，從而比較和分析來(lái)自不同基因組的基因序列、功能和遺傳圖譜位置[15]。在此基礎(chǔ)上，育種學(xué)家就可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)模型來(lái)提出預(yù)測(cè)假設(shè)，從多種復(fù)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(biāo)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。生物信息學(xué)在生態(tài)環(huán)境平衡研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　在生態(tài)系統(tǒng)中，基因流從根本上影響能量流和物質(zhì)流的循環(huán)和運(yùn)轉(zhuǎn)，是生態(tài)平衡穩(wěn)定的根本因素。生物信息學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域主要應(yīng)用在控制環(huán)境污染方面，主要通過(guò)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的運(yùn)用構(gòu)建遺傳工程特效菌株，以降解目標(biāo)基因及其目標(biāo)污染物為切入點(diǎn)，通過(guò)降解污染物的分子遺傳物質(zhì)核酸 DNA，以及生物大分子蛋白質(zhì)酶，達(dá)到催化目標(biāo)污染物的降解，從而維護(hù)空氣[16]、水源、土地等生態(tài)環(huán)境的安全。

　　美國(guó)農(nóng)業(yè)研究中心(ARS) 的農(nóng)藥特性信息數(shù)據(jù)庫(kù)(PPD) 提供 334 種正在廣泛使用的殺蟲(chóng)劑信息，涉及它們?cè)诃h(huán)境中轉(zhuǎn)運(yùn)和降解途徑的16種最重要的物化特性。日本豐橋技術(shù)大學(xué)(Toyohashi University of Technology) 多環(huán)芳烴危險(xiǎn)性有機(jī)污染物的物化特性、色譜、紫外光譜的譜線(xiàn)圖。美國(guó)環(huán)保局綜合風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)(IRIS) 涉及 600種化學(xué)污染物，列出了污染物的毒性與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)，以及分子遺傳毒性參數(shù)[17]。除此之外，生物信息學(xué)在生物防治[18]中也起到了重要的作用。網(wǎng)絡(luò)的普及，情報(bào)、信息等學(xué)科的資源共享，勢(shì)必會(huì)創(chuàng)造出一個(gè)環(huán)境微生物技術(shù)信息的高速發(fā)展趨勢(shì)。

　　6.生物信息學(xué)在食品安全研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　食品在加工制作和存儲(chǔ)過(guò)程中各種細(xì)菌數(shù)量發(fā)生變化，傳統(tǒng)檢測(cè)方法是進(jìn)行生化鑒定，但所需時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足檢驗(yàn)檢疫部門(mén)的要求，運(yùn)用生物信息學(xué)方法獲得各種致病菌的核酸序列，并對(duì)這些序列進(jìn)行比對(duì)，篩選出用于檢測(cè)的引物和探針，進(jìn)而運(yùn)用PCR法[19]、RT-PCR法、熒光RT-PCR法、多重PCR[20]和多重?zé)晒舛縋CR等技術(shù)，可快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出細(xì)菌及病毒。此外，對(duì)電阻抗、放射測(cè)量、ELISA法、生物傳感器、基因芯片等[21-25]技術(shù)也是未來(lái)食品病毒檢測(cè)的發(fā)展方向。

　　轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)是通過(guò)設(shè)計(jì)特異性的引物對(duì)食品樣品的DNA提取物進(jìn)行擴(kuò)增，從而判斷樣品中是否含有外源性基因片段[26]。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)信息的及時(shí)更新，可準(zhǔn)確了解各國(guó)新出現(xiàn)和新批準(zhǔn)的轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品，便于查找其插入的外源基因片段，以便及時(shí)對(duì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行修改。目前由于某些通過(guò)食品傳播的病毒具有變異特性，以及檢測(cè)方法的不完善等因素影響，生物信息學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用還比較有限，但隨著食品安全檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷完善，相信相關(guān)的生物信息學(xué)技術(shù)將在食品領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

　　生物信息學(xué)廣泛用于農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，但是僅有信息資源是不夠的，選出符合自己需求的生物信息就需要情報(bào)部門(mén)，以及信息中介服務(wù)機(jī)構(gòu)提供相關(guān)服務(wù)，通過(guò)出版物、信息共享平臺(tái)、數(shù)字圖書(shū)館、電子論壇等信息媒介的幫助，科研工作者可快速有效地找到符合需要的信息。目前我國(guó)生物信息學(xué)發(fā)展還很不均衡，與國(guó)際前沿有一定差距，這需要從事信息和科研的工作者們不斷交流，使得生物信息學(xué)能夠更好地為我國(guó)農(nóng)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展發(fā)揮作用。