浅谈农业生物信息学的应用促进农业发展

摘要 生物信息学提高育种效率,创新遗传资源,加快作物改良进程,在农业模式植物研究、种质资源优化、病虫害防治、作物遗传育种、生态环境改善等方面有着重要的应用。

关键词 农业;生物信息学;基因组学

中图分类号 Q811.4文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)18-0095-02

0 引言

生物信息学强有力的新技术手段对复杂的海量生物信息进行储存、管理、分析和研究,能有效管理、准确解读、充分使用生物信息[1]。生物信息学是进行农作物基因组学研究的基础,将生物信息学与农业结合,高质量的完善的农作物生物信息数据库的建立,为农作物基因组学的研究奠定基础,有利于实现农业高产、高质量发展[2]。

1 农业生物信息学

生物信息学是计算机科学、生物科学、信息科学、应用数学、统计学等多门学科相互交叉而形成新兴交叉学科,实质就是利用计算机科学和技术解决生物学问题[3]。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[4]。农业生物信息学通过比较基因组学、表达分析和功能基因组分析识别重要基因;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;利用当代最新科技、高产优质、体现绿色环保,具有可持续发展理念等时代特征[5]。

2 农业生物信息学的应用

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。农业生物信息学的应用主要用如下几个方面[6]:

2.1 数据挖掘与利用

农业生物信息数据库可以高效地实现农业数据的录入、查询、统计等功能。从大量的数据中提取有用的信息,如挖掘并识别作物的重要基因,发现新基因等都需要强有力的生物信息学工具。利用生物信息学工具就有可能对现有的农作物品种进行改造,丰富种质资源,以满足人类营养健康需要[7]。

2.2 基因组分析

农业生物信息学能够快速进行数据分析和研究,提供高效基因组分析平台,从大规模基因测序所提供的关于DNA中核苷酸的分布序列中,利用现有的生物学知识和序列信息,结合一些成熟的统计计算方法可以深入分析基因组序列信息[8]。

2.3模式植物研究

1997年5月美国启动国家植物基因组计划,旨在绘出包括玉米、大麦、高粱、棉花、西红柿和松树等10～12种具有经济价值的关键植物的基因图谱。水稻已成为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、玉米等其他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。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,必将会促进中国在此领域的快速发展和新的突破[9]。

2.4 种质资源优化

种质资源是农业生产的重要资源,包括抗病、产量、品质、环境适应性基因等许多农艺性状。传统的种质资源性状记载、主要性状鉴定评价的数据、种质形态特征的图像,要求丰富的经验和长达数年甚至十几年的时间。在发育的不同阶段、不同组织的DNA都可用于标记分析。植物育种中分子标记辅助选择是通过分析与目标基因紧密连锁的分子标记的基因型来判断目标基因是否存在。这种间接的选择方法因不受其它基因效应和环境的影响,同时可在早期进行选择,大大缩短育种周期。育种学家就可以应用计算机模型来提出预测假设,从多种复杂的等位基因组合中建立自己所需要的表型,从大量遗传标记中筛选到理想的组合,从而培育出新的优良农作物品种,为可持续农业的发展做出贡献[10]。

2.5病虫害防治

利用生物信息学的方法,先从模式生物中寻找可能的相关基因,然后在作物中找到相应的基因及其位点,农作物的遗传学和分子生物学的研究积累了大量的基因序列,分子标记,图谱和功能方面的数据,通过建立生物信息学数据库来整合这些数据,从而比较和分析来自不同基因组的基因序列、功能和遗传图谱位置。对于植物来说,生物信息学研究可以加快选择适合操作的基因以增强抗性或降低感受性,同时也可以对这些基因的操作结果进行预测,对病原生物学特性的生物信息进行分析有助于发现既能控制病原又对环境有益的新方法[11]。

2.6生态环境

在生态系统中,基因流从根本上影响能量流和物质流的循环和运转,是生态平衡稳定的根本因素。因此,基因组的研究可以帮助人类构建理想的基因生态,以完成生态恢复和达到高效平衡[10]。

3结论

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。农业生物信息学是农作物基因组学研究的基础,对基因、基因的结构、基因产物的功能研究都是必不可少的技术手段。生物技术产业发展的关键就是对基因的占有和利用,结合我国丰富的特有的遗传资源,开展重要农作物功能性基因组的研究,有利于转基因性状与其它农艺性状的组合筛选[2]。生物信息学许多研究成果可以较快地产业化,引发新的产业革命,农业生物技术将创造动植物新品种,创造新肥料、新农药,全面提升农业综合生产力,有着远大的发展前景。

农业生物信息学是农作物基因组学研究的基础,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。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。加强农业生物信息学的研究,培养、使用、稳定和吸引相关专业人才,更好的促进现代农业发展。

参考文献

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[11] 白胜欣.迈向21世纪的生物信息学[M].中华医学图书馆杂志,2001,9(10):10-28.

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