植物生物信息学方法有哪些不同类型？

---

关键词

生物信息学、生物和非生物、全基因组关联分析、下一代测序、植物育种、植物测序、植物病原体、序列分析、计算蛋白质组学、微阵列数据分析、生物本体、生物数据库。

介绍

生物信息学在当今的植物科学中发挥着至关重要的作用。随着数据量的呈指数级增长，对数据管理、可视化、集成、分析、建模和预测的工具和方法的需求也同步增长。分子生物学和基因组技术的重大进步导致了生物信息呈指数级增长。

在植物生物技术中，来自许多植物物种的许多数据库的信息量呈指数级增长。高效的生物信息学工具和方法也被开发出来，以允许快速基因组测序和在“组学”方法中研究植物基因组。

生物信息学作为一个新兴的跨学科领域，拥有许多工具和技术，这些工具和技术对于有效地将生物数据分类和组织到数据库中至关重要。生物信息学可以被称为一个基于计算机的科学领域，它将数学、生物学和计算机科学应用到一个单一的学科中，用于分析和解释基因组学和蛋白质组学数据。

简而言之，生物信息学的主要组成部分是 (a) 数据库的收集和分析以及 (b) 软件工具和算法的开发作为解释生物数据的工具。生物信息学在其应用提供了各种类型的数据（包括核苷酸和氨基酸序列、蛋白质结构域和结构以及来自各种生物体的表达模式）方面在生物学的许多领域发挥着至关重要的作用。

植物育种的生物技术和生物信息学

植物育种可以定义为改变或改良植物中所需的性状，以生产改良的新作物，造福人类。生命科学在分子生物学和基因组学领域的革命，通过将基因组研究中获得的知识和生物数据应用于作物，使植物育种取得了飞跃。

下一代测序 (NGS) 和其他测序技术的演变产生了大量生物数据，这些数据需要数据库来存储信息。SNP 是同一物种基因组内独特的等位基因变异，可以用作生物标记来定位与植物（如水稻、小麦和玉米）中所需性状相关的基因。

水稻

在水稻生物技术中，最广为人知的转基因水稻之一是黄金大米。黄金大米是一种水稻品种，通过引入生物合成途径将 β-胡萝卜素（维生素 A 原）引入主食，以解决维生素 A 缺乏症。

维生素 A 是人类必需的营养素，因为它有助于视觉发育、生长、细胞分化和免疫系统的增殖；维生素 A 摄入不足可能导致儿童失明、贫血和降低对感染的免疫反应。

小麦

小麦作为种植和消费最广泛的作物，与水稻和玉米一起贡献了我们日常生活中 60% 以上的卡路里和蛋白质。下一代测序 (NGS) 平台和其他生物信息学工具的进步揭示了小麦中广泛的结构重排和复杂的基因含量，这彻底改变了小麦基因组学，提高了小麦产量及其对不同环境的适应性。

例如，全基因组关联研究 (GWAS) 是基因组研究中使用的一种方法，它允许快速筛选原始数据以选择具有农艺性状的特定区域。

玉米

玉米是一种全球重要的作物，不仅在经济影响方面用途广泛，而且还可以作为植物基因组研究中基因型与表型关系的遗传模型物种。

在包括玉米在内的几种作物中引入 NGS 技术，实现了快速从头基因组测序和大量基因组学和表型组学信息的产生。利用这些工具整合和可视化高质量数据，能够快速确定感兴趣的作物表型，这在改进植物育种方面发挥着至关重要的作用。

用于研究植物抗逆性的生物信息学

植物的胁迫反应可分为生物和非生物。生物胁迫主要指病毒、真菌、细菌、昆虫、线虫和杂草等活生物体造成的负面影响，而非生物胁迫指极端温度、干旱、洪水、盐碱化和辐射等因素，这些因素会严重影响作物产量。

NGS 技术和其他强大的计算工具，允许对全基因组和转录组进行测序，导致了对植物在分子基础上的胁迫反应进行了广泛的研究。

研究植物病原体抗性的生物信息学方法

植物病原体的研究在植物病害的研究中起着至关重要的作用，包括病原体鉴定、病害病因、抗病性和经济影响等。植物通过复杂的防御系统保护自己免受各种病原体的侵害，包括昆虫、细菌、真菌和病毒。通过应用不同的生物信息学工具，可以将植物-病原体相互作用在转录组学和蛋白质组学背景下的更清晰的图景可视化，这反过来使得在植物中工程化抗微生物病原体的能力成为可能。

生物信息学在植物生物技术中的应用

• 将生物信息学和计算生物学引入植物生物学领域正在极大地加速生命科学的科学发明。

• 序列分析是从生物体的基因组中获得全基因组序列（如 DNA、RNA 和蛋白质序列）的最基本方法。

• 完整的序列数据包含编码和非编码区域，可以作为任何功能基因的必要前体，这些功能基因决定了生物体所具有的独特特征。

• 随着下一代测序 (NGS) 和一些其他组学技术用于检查植物基因组学的出现，越来越多的植物基因组序列将被揭示。

• 为了处理这些海量数据，生物信息学的发展和实施使科学家能够以系统的方式捕获、存储和组织这些数据到数据库中。

结论

拥有数学和编程技能的生物信息学家和专家将在为生物信息学带来新的方法和知识方面发挥重要作用，这不仅有利于植物生物技术和农业部门的进步，而且有利于人类的未来。

生物信息学在农业部门的发展中发挥着重要作用，因为它有助于研究抗逆性和植物病原体，这对推进作物育种至关重要。迫切需要有效的生物信息学工具，这些工具可以提供更长的读取和无偏见的覆盖范围，以克服植物基因组的复杂性。