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生物信息学在农学研究领域中的应用

【摘要】本文综合叙述了生物信息学对农业科学研究的影响，

介绍了生物信息学在农业模式植物、种质资源优化、农药的设计开

发、作物遗传育种、生态环境、食品安全等研究领域的应用概况，

阐述了生物信息学为农业发展服务的意义。

【关键词】生物信息学；农业研究领域；应用

“生物信息学”是英文单词“bioinformatics”的中文译名，其

概念是1956年在美国田纳西州gatlinburg召开的“生物学中的信

息理论”讨论会上首次被提出的，由美国学者lim在1991年发表

的文章中首次使用。生物信息学自产生以来，大致经历了前基因组

时代、基因组时代和后基因组时代三个发展阶段。2003年4月14

日，美国人类基因组研究项目首席科学家collinsf博士在华盛顿

隆重宣布人类基因组计划（humangenomeproject，hgp）的所有

目标全部实现。这标志着后基因组时代（postgenomeera，pge）

的来临，是生命科学史中又一个里程碑。生物信息学作为21世纪

生物技术的核心，已经成为现代生命科学研究中重要的组成部分。

研究基因、蛋白质和生命，其研究成果必将深刻地影响农业。本文

重点阐述生物信息学在农业模式植物、种质资源优化、农药的设计

开发、作物遗传育种、生态环境改善等方面的必威体育精装版研究进展。

一、生物信息学在农业模式植物研究领域中的应用

1997年5月美国启动国家植物基因组计划（npgi），旨在绘出包

括玉米、大豆、小麦、大麦、高粱、水稻、棉花、西红柿和松树等

十多种具有经济价值的关键植物的基因图谱。国家植物基因组计划

是与人类基因组工程（hgp）并行的庞大工程。近年来，通过各国

科学家的通力合作，植物基因组研究取得了重大进展，拟南芥、水

稻等模式植物已完成了全基因组测序。人们可以使用生物信息学的

方法系统地研究这些重要农作物的基因表达、蛋白质互作、蛋白质

和核酸的定位、代谢物及其调节网络等，从而从分子水平上了解细

胞的结构和功能。目前已经建立的农作物生物信息学数据库研究平

台有植物转录本（ta）集合数据库tigr、植物核酸序列数据库

plantgdb、研究玉米遗传学和基因组学的mazegdb数据库、研究草

类和水稻的gramene数据库、研究马铃薯的pomamo数据库，等等。

二、生物信息学在种质资源保存研究领域中的应用

种质资源是农业生产的重要资源，它包括许多农艺性状（如抗病、

产量、品质、环境适应性基因等）的等位基因。植物种质资源库是

指以植物种质资源为保护对象的保存设施。至1996年，全世界已

建成了1300余座植物种质资源库，在我国也已建成30多座作物种

质资源库。种质入库保存类型也从单一的种子形式，发展到营养器

官、细胞和组织，甚至dna片段等多种形式。保护的物种也从有性

繁殖植物扩展到无性繁殖植物及顽拗型种子植物等。近年来，人们

越来越多地应用各种分子标记来鉴定种质资源。例如微卫星、aflp、

ssap、rbip和snp等。由于对种质资源进行分子标记产生了大量的

数据，因此需要建立生物信息学数据库和采用分析工具来实现对这

些数据的查询、统计和计算机分析等。

三、生物信息学在农药设计开发研究领域中的应用

传统的药物研制主要是从大量的天然产物、合成化合物，以及矿

物中进行筛选，得到一个可供临床使用的药物要耗费大量的时间与

金钱。生物信息学在药物研发中的意义在于找到病理过程中关键性

的分子靶标、阐明其结构和功能关系，从而指导设计能激活或阻断

生物大分子发挥其生物功能的治疗性药物，使药物研发之路从过去

的偶然和盲目中找到正确的研发方向。生物信息学为药物研发提供

了新的手段，导致了药物研发模式的改变。目前，生物信息学促进

农药研制已有许多成功的例子。itzstein等设计出两种具有与唾液

酸酶结合化合物：4-氨基-neu5ac2en