农业生物信息学

1、维普资讯 科技交流计算机与农业2002年第 9期农业生物信息学郑国清高亮之(1中山大学生命科学学院，广州 510275；2河南省农业科学院农业经济信息研究所，郑州 450002：3江苏省农业科学院农业现代化研究所，南京 210014)2O世纪 8O年代末，人类基因组计划 (Human 信息分析，生物大分子结构模拟和药物设计等。 Genome Project，HGP)的启动推动了生物信息学 同时，还要加强生物信息学分析方法的研究，以的产生和蓬勃发展。人类 基因组计划的直接结果 解决其自身发展过程中所遇到的挑战。是获得了大量不连续的数据。对这 些数据的收集、

2、随着信息高速公路、国际互联网络的建设，存储、分析和解释，从中获取有用的生物学信息， 生物信息学迅速发展。美 国、日本及欧洲各国已导致了生物信息学的产生。生物信 息学在农作物 相继在 Internet上 建立了各自的生物信息学网基因组分析中的深入应用产生了农业生物信息 络节点，管理着大型数据库，提供数据的分析、学，本文在介绍生物信息学理论和国内外研究进 处理、采集、交换等服务 。由美国国家生物技术展的基础上，分析了生物信息学在农作物育种及农作物基因组学等方面的应用前景，提出了我国农业生物信息学的研究和开发建议。一、生物信息学理论生物信息学是生物学、数学、物理学、计算机科学等众多学科交叉的边缘学科

3、。它将生物遗传密码与电脑信息相结合，通过各种程序软件对已知的大量的核酸、蛋白质等生物大分子的核苷酸序列进行分析、计算，揭示其遗传信息；通过对生物信息的查询、搜索、比较、分析，从中获取基因编码、基因调控、核酸和蛋白质结构功能及其相互关系等理性知识，推断新序列的功能；在大量信息和知识的基础上，探索生命起源、生物进化以及细胞、器官和个体的发生、发育、病变、衰亡等生命科学的奥秘；在探明它们的基本规律及时空联系之后，建立 “生 物学 元素 周期表 ”。因此 ，生物信息学有两个重要任务，一是管理好海量 (1O 数量级)生物信息数据，构建人类基因组研究数据库，用于储存、查询、管理和使用人类基因组计划所产生的

4、海量信息；二是用好这些数据，配合实验研究，确定人类基因组约3O亿个碱基对的核苷酸顺序，找出全部人类基因在染色体上的位置、结构及功能，即 “读懂 ”人类基因组，造福人类。生物信息学的研究内容十分丰富，主要包括以下方面：生物信息的收集、存储、管理与提供，基因组序列信息的提取和分析，功能基因组相关信息 中心 (NCBI)建立和维护的 GenBank 库(http：wwwncbinlmnihgov)、由欧洲生物信息学研究 所 (EBI)维护 的核酸 序列数据库EMBL(http：wwwebiacukemb1)和日本生物信 息 中 心 的 DNA 数 据 仓 库DDBJ(http：wwwddbjniga

5、cJp)是国际上三大核苷酸蛋白质数据库，它们每天都会交换数据，使其数据库的数据同步。基因组数据库 (GDB)为人类基因组计划保存和处理基因组图谱数据，其目标是构建人类基因组的百科全书；除了构建基因组图谱外，还开发了描述序列水平的基因组内容的方法，包括描述序列变异、描述功能和表型。GDB 以对象模型来保存数据，提供基于 Web的数 据对象检索服务，用户可以搜索各种类型的对象，并以图形方式观看 基 因 组 图 谱 。 GDB 的 网 址 是 ：http：wwwgdborg ； 其 国 内 镜 像 是 ：http：gdbpkueducngdb。除了数据库、数据分析软件的开发，生物信息学中比较基因组学

6、的发展也较为突出。其 中河豚、鼠、猪、牛和马的基因组与人基因组的比较研究，秀丽隐杆线虫、酵母与人基因组的比较研究，支原体与嗜血流感杆菌基因组的比较研究，都取得了成果。从 比较中分离到一些人类遗传病的候选基因，鉴定了一些新克隆的基因，为人类基因组的分析提供了有益的数据。随着计算机技术的发展和渗透，生物信息学在下述研究方面将发挥不可替代的作用：人类基因组大规模测序的36维普资讯 计算机与农业2002年第 9期科技交流自动化控制，测序结果的分析处理，序列数据的计算机管理，各类遗传图谱和物理图谱的绘制，研究数据的网络获取、分析和交换，以数据分析的结果辅助基因组研究

7、等。十余年来，生物信息学的发展大致经历了前基因组时代、基因组时代和后基因组 (蛋 白质组)时代三个阶段。随着后基因组时代的到来，生物信息学研究的重点逐步转移到功能基因组信息研究，研究内容不仅包括基因的查询和同源性分析，也进一步发展到基因和基因组的功能分析，即功能基因组学研究。近年来，生物信息学在我国发展迅速。1993年，在国家自然科学基金委的资助下，中国开始参与人类基因组计划。1996年，北京大学蛋白质工程和植物遗传学工程国家实验室加入欧洲分子生物学网络 (EiBnet)。中国科学院于 1997年 9 月和 12月召开了第 80、87次香山科学会议，首次邀请有关专家探讨该领域的进展，主题分别为

8、“DNA芯片的现状与未来 ”和“生物信息学 ”。1998年，中国人类基因组研究北方中心 (北 京)和南方中心 (上海 )成立。1999年 9月 ，中国获准加入人类基因组计划 (负责测定人类基因组全部序列的1一第 3号染色体上的 3000万个碱基对)，成为第 6个 国际人类基因组计划参与国，也是参与该计划的唯一发展中国家。2000年 4月 ，我国科学家如期完成了 1人类基因组的工作框架图。目前，我国已经建立了一批生物信息学相关网站。二、农业生物信息学及其研究进展基因图谱研究为加快转基因作物育种和生物信息学的农业应用打下了良好基础。对 作物进行基因组分析需要生物信息学工具。生物信息学的特殊作用主要

9、体现在：通过比较基因组学、表达分析和功能基因组分析识别重要基因，为培育转基因作物、改良作物的质量和数量性状奠定基础；以信号受体和转录途径组分分析为基础，进行农业化合物设计，结合化学信息学方法，鉴定可用于杀虫剂和除草剂的潜在化学成分；利用植物遗传资源，保护农作物遗传多样性。生物信息学在农作物基因组分析中的深入应用产生了农业生物信息学。随着遗传操作技术特别是动植物细胞的基因转移技术之不断创新和完善，如外源基因在转基因禾谷类作物中的表达，“报告基因”用于植物的转化，优良性状基因的分离技术等一系列技术的突破，将农业生物信息学与常规育种技术相结合，提高育种效率，创新遗传资源，加快育种进程，已成为育种界的

10、发展趋势。 美国的孟山都 (Monsanto)公司、先锋(Pioneer)公司等均有专门从事农业生物信息学研究与开发的机构，已形成规模和产业。国际上已经建立了一些重要的农作物基因组数据库。水稻基因组是迄今为止所测植物基因组中最大的，约为人类基因组的七分之一，大约 43亿碱基对。水稻的基因组序列是研究水稻的遗传变异、发育与进化的基础，更是培育高产、优质、美味的优良品种的基础，其意义不言而喻。正因如此，在我国实施 “中国杂交水稻基因组研究和开发计划 ”之 前，国际上已开始 3个 “水 稻基因组计划 ”：一 是从 1992年 开始、1997年正式形成的“国际水稻基因组协作组 ”，我 国是发起国之一，

11、现已公布 200Mb的BAC克隆的数据及一条染色体的全序列；另外 2 个是由美国的孟山都(Monsanto)和瑞士的新根塔 (Syngenta)两家私人公司进行的，分别于 2000年 4月和 2001年 2月宣布完成了水稻 “工作框 架图 ”，遗 憾的是要么不公布数据，要么对使用其数据加以各种限制，迄今未发表论文；他们以进行科学合作的方式对学术研究人员提供使用其数据的机会，交换条件是当研究获得具有商业价值的成果时能分享利益。私人公司的工作价值由于难以共享而降低。中国于 2000年 5月启 动“中国杂交水稻基因组研究和开发计划 ”，以中 国杂交水稻父本 “籼 稻931i”为研究对象 。2001年

12、 1O月 12日，中国科学院基因组生物信息学中心暨北京华大基因研究中心、杭州华大基因研究发展中心完成了具有国际领先水平的中国水稻 (籼 稻)基因组 “工作框 架图 ”和 数据库。 该课题的主要合作单位有中国科学院遗传研究所和国家杂交水稻研究中心，参加单位有中国科学院计算技术研究所、理论物理所、生物物理所、北京大学、浙江大学、神州数码等。我国完成的水稻基因组 “工作框架图 ”在网上公布数据将打破私营公司的垄断。国际上 3个 “水稻基因组计划 ”使用的研究材料都是粳稻，而我国使用的材料是籼稻，这将推动全球的水稻研究和育种，并促进其他农作物基因组的研究。我国获得的水稻基因组 “工作 框架图 ”和数3

13、7维普资讯 科技交流计算机与农业2002年第 9期据库，是 “中国杂交水稻基因组研究和开发计划”的第一部分，其 “精细 图 ”将 在 2002年 完成。与此同时还将进行超级杂交水稻母本 “培矮 64s” 的比较基因组研究。在此 基础上，我国科学家将全面开展杂交稻杂种优势机理研究和基因预测分析：解析和发现与水稻育性、丰产、优质、抗病、耐逆、成熟期等有关的遗传信息和功能基因；进而发现控制优良性状如米质、香味、抗性的因子，为我国的水稻应用研究和育种提供全面的生物信息服务。全部计划预计在 2003年完成。浙江大学生物技术研究所于 2001年 l2月率先在国内独立开

14、发出容量为 13400点的水稻基因芯片，同时还完成了 36000余 个水稻基因片断的分离、测序和分析，并在国际权威基因库的水稻EST(基因表达序列标签)数据库中发布了 2O 38l 条 EST序列，(占总量的 l95)。水稻基因芯片的研制成功，将加快新型农产品开发和新型农药除草剂的筛选，为优质、高产、多抗作物育种提供有效手段，为作物性状的遗传机理和功能基因组研究提供基础材料。“水稻基因组计划 ”在农业生产上的意义，完全可以与人类基因组计划在人类健康中的意义相媲美。对水 稻全基因组序列的分析，可以获得大量的水稻遗传信息和功能基因：全面了解其遗传机理，同时得到大量用于作物改良的有益基因。水稻已成为

15、公认的禾本科作物的 “模式生物 ”，研究水稻的基因组，有助于了解小麦、玉米等其它禾本科作物的基因组，从而带动整个粮食作物的基础与应用研究。水稻 “工作框架图”的绘制和公布，将为世界粮食作物的基础和应用性研究提供宝贵的数据化信息，促进我国生物技术的产权化、产业化进程，也必将会促进我国在此领域的快速发展和新的突破。三、农业生物信息学研究展望21世纪生物技术产业发展的关键就是对基因的占有和利用，不占有基因，发展就是空话。我们应以最积极的态度参与到 “基因大战”中，组织力量加强合作，尽快开展重要农作物功能性基因组的研究；同时，要加强农业生物信息学的研究以及相关专业人才的培养，农业生物信息学是农作物基因

16、组学研究的基础，对基因、基因的结构、基因产物的功能分析都是必不可少的技术手段。如何利用当前国际上已有的信息学研究成果并结合我国实际服务于我国农作物基因工程研究是当务之急。应在以下几方面开展工作：第一，收集分析国内外基因库数据，建立与动、植物良种繁育相关的基因组数据库，特别是要尽快建立包括水稻、小麦、玉米、棉花、油菜和甘薯在内的六大作物优良品种、优良种质的基因库管理系统。第二，获取上述六大作物的完整基因组。农作物基因组研究的首要目标是获得其整套遗传密码，有了完整基因组，人类对农作物的认识方能更为精确、更为深入。第三，发现新基因和新的单核苷酸多态性。发现新基因是当前国际上基因组研究的热点，使用生物信息学的方法是发现新基因的重要手段。运用先进有效的农业生物信息学研究手段，结合我国丰富的特有的遗传资源，开展中国优良农作物资源的单核苷酸多态性 (SNP)和插入缺失多态性 (InDe1)的研究，分离、克隆有自主知识产权的有重要经济价值的新基因及重要的基因表达调控元件，发现控制优良性状 (如稻米品质、香味、抗性 )基因的分子标记，为我国的农作物应用研究和育种提供全面的生物信息学服务。第四，重视农业生物信息学与常规育种特别是与杂交育种技术的有机结合。常规育种技术对我国农业生产的发展做出了巨大贡献，而现代基因工程以其自身固有的优势和特点与常