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浅析农业领域中对生物信息学的应用和展望

2020-04-10 709 上传者：管理员

摘要：生物信息学一词的由来，最早是在1956年首次召开的“生命科学中的信息理论讨论会”上被提出的，之后随着基因组计划的提出和现代生物技术的飞速发展，不断持续增长的生物信息量成为了阻碍传统研究的最大问题。本文通过对生物信息学在农业领域如农业数据的挖掘与利用等方面的具体应用进行的阐述，展望了生物信息学在其他领域的发展未来，根据生物信息学的发展情况提出了未来发展的一些建议和想法，希望为其相关发展提供帮助。

关键词：
农业应用
应用及展望
数据库
生物信息学
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生物信息学一词的由来，最早是在1956年首次召开的“生命科学中的信息理论讨论会”上被提出的，之后随着基因组计划的提出和现代生物技术的飞速发展，不断持续增长的生物信息量成为了阻碍传统研究的最大问题。因此，以分子生物学为基础，与计算机技术、数学等学科结合产生的交叉学科——生物信息学应运而生，并逐渐发展成为了最具潜力的学科之一，现已经涉及到生物科学的各个方面。农业生产的发展同样离不开生物科学的发展，将生物信息学的相关技术渗透到农业生产发展当中，对进一步推动我国农业现代化的发展进程具有重要的意义。目前，对于生物信息学硬件设施的建设经基本趋于完善，但在生物信息数据分析方面还存在一定的差距。利用计算机对数据的处理能力，并结合在生物学等方面的研究数据，能够便捷的实现对这些数据的获取与存储、组织与分析以及检索与可视化，这使得生物信息学在农业领域能更充分地发挥其优势作用。因此，在未来农业发展的过程中，生物信息学势必会对其产生深远的影响。

1、生物信息学在农业上的研究应用

1.1 农业数据的挖掘与利用

随着农业耕种措施的改变，数字农业的发展必将成为主要的发展方向。农业生物信息数据库的使用，可以实现农业数据的录入导出、检索分析等基本数据处理的功能，便于使用者能够快速地从大量的数据中提取到有用的信息。数据库作为存放数据的存储器，是进行信息处理的基础，位于开展各项工作的起始位置，可以进行数据的整理与存储。例如，在对国际大豆基因组测序计划的过程中，研究人员建立了完整的大豆转座子数据库和相关网站，为用户提供浏览查找、搜索下载等功能，这些功能为研究人员在对豆科植物基因组的注释、基因功能、基因组进化以及分子育种等方面的研究提供了极大的帮助。农业生物信息数据库的应用，能够实现对农业生产研究当中的数据录入查询并能进行统计计算等基本功能；通过对农业数据的挖掘与利用，再从这些数据当中高效地提取出有效的数据信息，通过对农作物基因组的识别与新基因组的发现，利用生物信息学相关工具，就可能实现对农作物品种的改良和丰富种质资源数量等，从而满足科学研究和人类生活等方面的基本需求[1]。

1.2 农业模式植物方面的研究

模式植物是指一种植物的特征明显并且可以很容易与其他植物区别开的植物，一般都从命名植物学家所采集的标本为准。目前，世界上已经被命名的任何一种植物都有其模式植物[2]。农业模式植物就是在农业生产和利用上特征明显、常用来可以区分其他植物的特征植物。1997年5月，美国开展了国家植物基因计划，在该计划实施的背景下，各国科学家通力合作经过多年的努力，使得植物基因组的研究取得了重大进展，实现了对某些模式植物的全基因组测序。在此基础上，从基因组的角度进一步分析和研究了传统农作物的基因表达以及蛋白质和核酸的定位等问题，在分子水平上掌握了这些植物的细胞结构与功能。由此可见，生物信息学工具的运用，很好地促使了这些研究内容和成果的相互融合。目前，已经较为完善的农作物生物信息学数据库研究平台包括有较为全面的TIGR数据库、玉米方面的MazeGDB数据库、马铃薯方面的Pomamo数据库等[3]。

1.3 种质资源优的化与保存

传统的研究方法记录和评估种质资源的某些特征，并最终产生种质形态特征的图像，这一过程通常需要经验丰富的研究人员经过多年的研究，但也不一定就能得到理想的结果。随着计算机相关技术的使用，在育种过程中，前期根据数据库当中的相关信息，选择优质的性状和目标基因，这样能从育种前期对这些性状进行筛选；在遗传学和分子生物学等学科的研究基础上，已经积累了大量的数据，可以通过建立相应的数据库来对这些数据进行整合，针对具体过程采用计算机技术进行模拟，通过大数据来建立相关的计算机模型，科研人员以这些模型为主要研究对象提出自己的见解和假设，而且可以针对在植物生长发育的各个阶段或是植物的不同部位的组织器官的基因进行标记与分析，筛选出合适的等位基因，并将符合条件的基因进行标记。在整个过程中，不受环境等其他自然因素的影响，与传统育种过程相比，能在一定程度上缩短育种的时间，从而为新品种的研发提供了便利条件。而对于动物类的种质资源，我国已经拥有了属于自己的家养动物种质资源平台[4]。在这个平台上能够提供在我国范围内饲养的常见畜禽类动物和有经济价值动物的相关的信息，在保存种质资源的同时，还能为提供适应我国不同地域条件、消费水平和消费需求选择适当的养殖动物。

1.4 新农药的设计与研究

现阶段的农药研制，不能仅仅考虑其对植物的杀虫防病效果，还需考虑其对人体产生的影响，在整个研发的过程中，可能会付出大量的时间和金钱，但未必能够得到预期的结果。生物信息学的相关内容和技术，在新农药的设计与研发过程中能先进行病理分析，进而找到关键的分子之间的靶向性信息，并阐明其结构和功能之间关系，在此基础上指导设计能激活或阻断生物大分子发挥作用，从而达到预期的效果[5]。例如，杨华铮等[6]研究设计并合成了十多个种类的数百种除草化合物，这些化合物经过生物活性测定，某些被监测的化合物活性已超过了商品化的抑制剂。

1.5 病虫害防治

在农业生产过程中，无论是种植业还是养殖业，病虫害问题已经严重影响农业生产的过程。从植物方面来看，植物是否能够拥有抗病性，主要决定于在植物染病的初期能否对病原进行识别以及体内防御机制能否对这类病害产生预防[7]。目前，已有科学家在一些植物中找到了有关抗性的基因，但对于植物抗性的信号转导途径、植物与病原的相互作用之间等问题仍是只知其表。对传统的植物与病原相互作用，现阶段的主要研究一般只是对单一个体或几个相互作用的成分之间进行研究，得到的信息十分有限，通过利用生物信息学相关的研究方法，能促进植物和病原间相互作用。目前，常用的方法包括蛋白质组学的研究、基因突变的研究、反向遗传学方法等[8]。除上述对植物与病原两者之间的相互作用研究外，还能快速选择适合操作的基因来增强作物抗性或是减弱其感受性。在此研究的基础上，通过计算机的模型估计，能对上述这些基因的操作分析结果进行预测，对这些病原的生物学特性和信息进行分析，既能有效控制这类病原，又不会对环境产生过多的影响。从动物方面来看，要具体分析养殖过程中常见和易患的疾病，通过研究这些病症的致病微生物、致病昆虫等，可以从遗传层面上最大程度地减少对这些影响因素，在改变基因结构的同时，在其基因序列中引入抗性基因，从而实现生物抗病虫害和抗逆的能力。

1.6 农产品质量与食品安全

对于农业生产来说，无论是从事作物种植或者是从事经济动物的养殖，其经济价值的最终来源基本都来自于农产品，而这些农产品的最终去向多是流向人类的餐桌，这无疑对农产品的质量安全和质量监管提出了更高的要求。从农田到餐桌、从养殖场所到餐桌，在每一个环节都需要准确及时的监测。一般食品在加工、制作、存储过程中，都会伴随着各种细菌数量的变化。采用生物信息学的方法可以提前得到致病菌的核酸序列，之后再比对这些序列，选出适合使用检测的引物以及探针，最终运用PCR法等测定方法快速检测出食品中的细菌或病毒[9]。近年来，关于转基因的相关问题人们也越来越关注。转基因植物一般是指将动植物或微生物中分离出的目的基因导入到动植物的基因组，并且将这一性状稳定的遗传给后代，例如可以导入抗虫性、抗病性、抗逆性等性状[10]。目前，随着生物信息学在农业领域的应用，我国已建立了农业生物基因工程安全委员会，主要是对转基因产品进行安全性评价，以此来保证我国转基因产品的质量安全。

2、展望与相关建议

2.1 我国生物信息学数据库的建立与更新

我国生物信息数据库分布较为分散，格式也不统一，高质量且内容专业的生物信息数据库数量无论是数量上还是整体占比，都处于劣势，相比于英美等发达国家在农业生物信息数据库，我国基于资金、技术等问题的存在，难以建成完善的农业生物信息系统。结合我国农业发展的整体形势和种植农作物的具体情况，建立适应我国农业发展的生物信息数据库，特别是包括以水稻、小麦、玉米等品种在内的6大主要作物的优质品种和优良种质资源的基因库管理系统，并在原有相关内容的基础上及时补充更新，保证数据的全面性和准确性。此外，还应结合国内外生物数据库当中的数据信息，掌握发布地最新的种质、新的品种有关的性状数据，为我国研究人员加快农业生物技术研究提供便利条件[11]。同时，利用转换软件将生物数据和国际农业与生物科学中心文摘数据库当中有关农作物育种和基因资源方面的文献进行转换导录，以此最终形成一套全面完整的检索系统。该系统主要是以生物技术为主要研究技术，在此基础上结合其他多学科如信息技术等手段，实现多学科之间的充分融合并促进其他学科的发展，打破技术的局限性，为加快生物信息在农业领域的应用提供必要的条件。

2.2 与育种技术的结合

生物信息学在农业领域的发展离不开与传统育种技术的有机结合[12]，这些育种技术已经为我国农业生产的发展做出了相应的贡献。相信在生物信息学帮助下，现代基因工程与育种技术两者之间相辅相成优势互补，进一步为我国农业可持续的发展做出更大的贡献[13]。此外，生物信息学在研究过程不可能完全代替试验操作[14]，生物信息学中用于研究和分析的数据来源都是在实验室得到的数据基础上，在此过程中难免会出现偏差，还需要实验室进行补充验证。

2.3 专业性人才的培养

对于生物技术的发展最为重要的是基因的发展，在农业领域是对重要农作物的功能性基因进行研究和改良。由于生物信息学在我国农业领域的应用仍处于初级发展阶段，专业领域的人才数量较少，不能为我国种质资源的丰富和遗传资源的综合利用提供有效的帮助。因此，今后应重视传统农业大类专业学生对于生物信息学方面知识的了解和掌握，培养符合现代生物学发展的专业性人才。

3、小结

生物信息学自其诞生以来，得到了众多学者的认可，特别是在对生物信息学数据以及其对基因组研究所做出的贡献，将生物信息学与农业相结合，必将推动我国农业产业的发展。在今后的应用中，数据来源广泛真实和结果完善程度高的农作物生物信息数据库，势必会成为日后研究农业领域动植物基因组学的基本方法；利用生物信息数据库对基因及其结构和产物的功能分析，将成为农业领域基础研究与应用研究中重要的技术手段。有了生物信息学的帮助，使农业在新时期的发展有了新的技术，极大程度上加速了我国农业信息化的进程。

参考文献：

[1]赵洁茹,纪兆华.浅谈农业生物信息学的应用促进农业发展[J].科技传播,2010(9):95,103.

[2]张康.二穗短柄草BdHTA1的基因克隆和功能分析[D].南京:南京农业大学,2012.

[3]查杰.试论生物信息学在农业的应用[J].农家顾问,2014(13):44.

[4]葛慈斌,刘波,朱育菁.福建省农业生物资源保存中心的建设[J].福建农业科技,2016(10):41-44.

[5]陈蕾.生物信息学在农学研究领域中的应用[J].考试周刊,2011(52):192-193.

[6]杨华铮,邹小毛,朱有全.现代农药化学[J].世界农药,2014,36(2):5.

[7]林世强,宁正元.生物信息学及其在农业科学中的应用[J].亚热带农业研究,2007(2):145-148.

[8]Koltai H,Volpin H. Agricultural Genomics:an Approach to Plant Protection[J].European Journal of Plant Pathology,2003,109(2).

[9]孟双,徐冲,陈丽媛,等.生物信息学在生物学研究领域的应用[J].微生物学杂志,2011,31(1):78-81.

[10]闫燕.转基因培养料与平菇间基因水平转移现象的研究[D].保定:河北农业大学,2011.

[11]王雅琴,康峰.生物信息学及其在育种工作中的应用[J].畜禽业,2006(4):10-11.