摘 要： 本文綜合敘述了生物信息學對農(nóng)業(yè)科學研究的影響，介紹了生物信息學在農(nóng)業(yè)模式植物、種質(zhì)資源優(yōu)化、農(nóng)藥的設(shè)計開發(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，闡述了生物信息學為農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)的意義。

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

　　“生物信息學”是英文單詞“Bioinformatics”的中文譯名，其概念是1956年在美國田納西州Gatlinburg召開的“生物學中的信息理論”討論會上首次被提出的[1]，由美國學者Lim在1991年發(fā)表的文章中首次使用。生物信息學自產(chǎn)生以來，大致經(jīng)歷了前基因組時代、基因組時代和后基因組時代三個發(fā)展階段[2]。2003年4月14日，美國人類基因組研究項目首席科學家Collins F博士在華盛頓隆重宣布人類基因組計劃(Human Genome Project，HGP)的所有目標全部實現(xiàn)[3]。這標志著后基因組時代(Post Genome Era，PGE)的來臨，是生命科學史中又一個里程碑。生物信息學作為21世紀生物技術(shù)的核心，已經(jīng)成為現(xiàn)代生命科學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)。本文重點闡述生物信息學在農(nóng)業(yè)模式植物、種質(zhì)資源優(yōu)化、農(nóng)藥的設(shè)計開發(fā)、作物遺傳育種、生態(tài)環(huán)境改善等方面的最新研究進展。

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

　　1997年5月美國啟動國家植物基因組計劃(NPGI)，旨在繪出包括玉米、大豆、小麥、大麥、高粱、水稻、棉花、西紅柿和松樹等十多種具有經(jīng)濟價值的關(guān)鍵植物的基因圖譜。國家植物基因組計劃是與人類基因組工程(HGP)并行的龐大工程[4]。近年來，通過各國科學家的通力合作，植物基因組研究取得了重大進展，擬南芥、水稻等模式植物已完成了全基因組測序。人們可以使用生物信息學的方法系統(tǒng)地研究這些重要農(nóng)作物的基因表達、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)作物生物信息學數(shù)據(jù)庫研究平臺有植物轉(zhuǎn)錄本(TA)集合數(shù)據(jù)庫TIGR、植物核酸序列數(shù)據(jù)庫PlantGDB、研究玉米遺傳學和基因組學的MazeGDB數(shù)據(jù)庫、研究草類和水稻的Gramene數(shù)據(jù)庫、研究馬鈴薯的PoMaMo數(shù)據(jù)庫，等等。生物信息學在種質(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)資源庫是指以植物種質(zhì)資源為保護對象的保存設(shè)施。至1996年，全世界已建成了1300余座植物種質(zhì)資源庫，在我國也已建成30多座作物種質(zhì)資源庫。種質(zhì)入庫保存類型也從單一的種子形式，發(fā)展到營養(yǎng)器官、細胞和組織，甚至DNA片段等多種形式。保護的物種也從有性繁殖植物擴展到無性繁殖植物及頑拗型種子植物等[6]。近年來，人們越來越多地應(yīng)用各種分子標記來鑒定種質(zhì)資源。例如微衛(wèi)星、AFLP、SSAP、RBIP和SNP等。由于對種質(zhì)資源進行分子標記產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，因此需要建立生物信息學數(shù)據(jù)庫和采用分析工具來實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計和計算機分析等[7]。生物信息學在農(nóng)藥設(shè)計開發(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，以及礦物中進行篩選，得到一個可供臨床使用的藥物要耗費大量的時間與金錢。生物信息學在藥物研發(fā)中的意義在于找到病理過程中關(guān)鍵性的分子靶標、闡明其結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系，從而指導設(shè)計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)之路從過去的偶然和盲目中找到正確的研發(fā)方向。生物信息學為藥物研發(fā)提供了新的手段[8，9]，導致了藥物研發(fā)模式的改變[10]。目前，生物信息學促進農(nóng)藥研制已有許多成功的例子。ItzstEin等設(shè)計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)進入臨床試驗階段。TANG SY等學者研制出新一代抗AIDS藥物saquinavir[12]。Pungpo等已經(jīng)設(shè)計出幾種新型高效的抗HIV-1型藥物[13]。楊華錚等人設(shè)計合成了十多類數(shù)百個除草化合物，經(jīng)生物活性測定，部分化合物的活性已超過商品化光合作用抑制劑的水平[14]。

　　現(xiàn)代農(nóng)藥的研發(fā)已離不開生物信息技術(shù)的參與，隨著生物信息學技術(shù)的進一步完善和發(fā)展，將會大大降低藥物研發(fā)的成本，提高研發(fā)的質(zhì)量和效率。生物學信息學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)的進一步闡明，人們可以利用生物信息學的方法，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。農(nóng)作物的遺傳學和分子生物學的研究積累了大量的基因序列、分子標記、圖譜和功能方面的數(shù)據(jù)，可通過建立生物信息學數(shù)據(jù)庫來整合這些數(shù)據(jù)，從而比較和分析來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，育種學家就可以應(yīng)用計算機模型來提出預(yù)測假設(shè)，從多種復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)和運轉(zhuǎn)，是生態(tài)平衡穩(wěn)定的根本因素。生物信息學在環(huán)境領(lǐng)域主要應(yīng)用在控制環(huán)境污染方面，主要通過數(shù)學與計算機的運用構(gòu)建遺傳工程特效菌株，以降解目標基因及其目標污染物為切入點，通過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，達到催化目標污染物的降解，從而維護空氣[16]、水源、土地等生態(tài)環(huán)境的安全。

　　美國農(nóng)業(yè)研究中心(ARS) 的農(nóng)藥特性信息數(shù)據(jù)庫(PPD) 提供 334 種正在廣泛使用的殺蟲劑信息，涉及它們在環(huán)境中轉(zhuǎn)運和降解途徑的16種最重要的物化特性。日本豐橋技術(shù)大學(Toyohashi University of Technology) 多環(huán)芳烴危險性有機污染物的物化特性、色譜、紫外光譜的譜線圖。美國環(huán)保局綜合風險信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(IRIS) 涉及 600種化學污染物，列出了污染物的毒性與風險評價參數(shù)，以及分子遺傳毒性參數(shù)[17]。除此之外，生物信息學在生物防治[18]中也起到了重要的作用。網(wǎng)絡(luò)的普及，情報、信息等學科的資源共享，勢必會創(chuàng)造出一個環(huán)境微生物技術(shù)信息的高速發(fā)展趨勢。

　　6.生物信息學在食品安全研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　食品在加工制作和存儲過程中各種細菌數(shù)量發(fā)生變化，傳統(tǒng)檢測方法是進行生化鑒定，但所需時間較長，不能滿足檢驗檢疫部門的要求，運用生物信息學方法獲得各種致病菌的核酸序列，并對這些序列進行比對，篩選出用于檢測的引物和探針，進而運用PCR法[19]、RT-PCR法、熒光RT-PCR法、多重PCR[20]和多重熒光定量PCR等技術(shù)，可快速準確地檢測出細菌及病毒。此外，對電阻抗、放射測量、ELISA法、生物傳感器、基因芯片等[21-25]技術(shù)也是未來食品病毒檢測的發(fā)展方向。

　　轉(zhuǎn)基因食品檢測是通過設(shè)計特異性的引物對食品樣品的DNA提取物進行擴增，從而判斷樣品中是否含有外源性基因片段[26]。通過對轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫信息的及時更新，可準確了解各國新出現(xiàn)和新批準的轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品，便于查找其插入的外源基因片段，以便及時對檢驗方法進行修改。目前由于某些通過食品傳播的病毒具有變異特性，以及檢測方法的不完善等因素影響，生物信息學在食品領(lǐng)域的應(yīng)用還比較有限，但隨著食品安全檢測數(shù)據(jù)庫的不斷完善，相信相關(guān)的生物信息學技術(shù)將在食品領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

　　生物信息學廣泛用于農(nóng)業(yè)科學研究的各個領(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部門，以及信息中介服務(wù)機構(gòu)提供相關(guān)服務(wù)，通過出版物、信息共享平臺、數(shù)字圖書館、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。目前我國生物信息學發(fā)展還很不均衡，與國際前沿有一定差距，這需要從事信息和科研的工作者們不斷交流，使得生物信息學能夠更好地為我國農(nóng)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展發(fā)揮作用。