生物信息学与林业现代化[版]_森林保护生物信息学

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生物信息学在林业生物技术上的应用

林业是整个农业的重要组成部分，肩负着调节生态环境、促进生物资源的合理利用以及提高农民经济收入等多种重任，对于实现国民经济的可持续发展有着至关重要的意义。从这些年林业的发展来看，一方面，工业的污染、农业的过度开垦、城市化的进程等对林业及其相关资源造成严重的破坏，使得越来越多的人认识到发展林业、改善生态环境迫在眉睫，而另一方面，低效的经营管理模式和落后的科学研究水平困扰着林业的发展。发展林业需要解决的问题很多，如人工造林的生态效应问题、森林病虫害的防治和种质资源的保护及开发等，这些问题的深入分析和解决离不开现代生物学技术。

现代生物技术已进入分子水平，特别是，随着人类基因组工程的开展，生物信息学作为一门独立的学科产生，它对于分子生物学技术的广泛应用和生物学科之间的资源共享起到非常重要的作用。而这正是这一点，将在帮助林业工作者改造传统林业中发挥积极的作用。

1.林业生物技术的发展

一直以来，人们都在积极探索利用生物技术来改善农林业生产，从其整个发展历程来说，大致可分为三个阶段。在分子生物学产生以前，生物的研究主要基于性状描述和分析为主，大多只停留在现象的观察和简单的生理生化分析。由于林业的一些现实问题，如林木生长周期长，木本通常都较为高大，且处于复杂的生态环境中等，使得在林业上应用生物技术较为困难。随着DNA双螺旋现象的揭示，使得分子生物学逐渐发展起来，对生命现象的研究逐渐进入到分子和基因的水平，以细胞和组织培养、基因工程为代表的一系列生物技术成为改造传统农林业的重要工具，由于物种之间遗传本质的相似性，在农业上应用的生物技术在一定程度上可应用于林业的生产和科研。但是，由于这一阶段的生物技术是在原有生物性状观察的基础上发展而来的，即生物科学和技术基本上是为了解决上一阶段提出和遗留的问题，因此缺乏系统性，难以解释和解决一些复杂的生命问题，因此生物技术只能在林业生产中发挥辅助作用，而传统的生产和经营模式往往起了决定性作用。

自上个世纪九十年代以来，随着人类基因组工程有关工作的开展，分子生物学进入到一个新的水平，对生物科学的研究逐渐进入到基因组水平，生物技术逐渐包含更多的内容，除了对原有转基因动植物技术有更多的发展之外，还涉及基因组工程、蛋白质组工程、生物信息学技术、生物芯片技术等高新生物技术。由于人类基因组工程相关工作的开展，带来了生物学相关数据的急剧增加，为了储存、管理、分析和利用这些大量数据，不得不借助于现代信息学技术，随着更多物种在基因组层次上的研究，生物信息学渐渐成为一门独立的学科，渗透到生物学科的各个研究领域，成为现代生物技术的重要工具。从基因识别、克隆，到种质鉴定、基因表达分析，特别是在此基础上发展的比较基因组学，大大拓宽了生物技术的应用范围。这些在医学方面首先进行的工作，已经在农业领域初显成效，利用积累的材料和方法，科学家已经完成或正在进行一些模式植物和模式作物的基因组测序和基因表达分析，如拟南芥、水稻、小麦等。中国在这方面也显示了相当的实力，如独立完成了超级稻的基因组框架图。在林业上，中国有相当丰富的资源，在今后相当长的时间里，随着测序、基因芯片等技术的普及，将有大量独创性的工作可以去做。

总之，生物信息学在很大程度上促进了生物学科之间的资源和方法上共享，实现从整体和本质上把握生命规律的重要途径，它的任务也不仅仅是有关疾病、药物筛选，它已经渗透到分子生物学的各个领域，因此，充分利用生物信息学提供的方法和资源，是当今发展林业生物技术的重要方面。

2.生物信息学在林业生物技术上的应用

2.1生物信息学对林业生物技术的重要作用

生物信息学旨在存储、管理、分析和利用这些生物信息，是生物学、数学和信息学等多学科紧密结合，知识性强的学科。生物信息学作为生物技术的重要手段，加强了生物技术的创新能力，使其日益成为知识密集型的科学创新体系。在这一体系中，能够实现资源共享，避免重复建设，实现效率的最大化。借助生物信息学，生物学家不仅能存储和管理大量生物学数据，更为重要的是可以进行系统分析和处理，尽可能获取有用信息，减少费时的实验，从而大大提高了生物技术的效率。例如科学家现在已经掌握较为可靠的计算机辅助预测植物基因改良试验的结果，从而减少在各种条件下检验基因改良植物生长的实验。因此，可以说生物信息学是生物科学研究和生物技术开发的捷径，甚至从某种程度上说，没有生物信息学技术，就无法研究生物的基因组，也就谈不上现代生物学技术。

生物信息学的的数据在不断增加，以国际著名的基因数据库Genebank为例，至2002年3月，其核酸序列已达到一千五百万条左右，涉及十万多种生物，而且还在飞速增长。特别是对于基因表达方面研究的深入，EST序列增加最大，使得核酸序列总量平均每15个月翻一翻。在这些序列中人类基因组数据占到38%，为最多。现在，其它与基因组研究有关的数据也在不断增长，包括蛋白质序列数据、基因表达数据和生物分子的三维结构等。这些工作基础对于农林业的研究是不可多得的宝贵资源。

生物信息学带来的是“知识银行”，它包括重要的思想和方法，对加快林业现代化有着重要的意义。我们知道物种之间千差万别，但是生物在基因组层次上，往往蕴藏着很多相似的机理，因而，通过比较基因组学研究，科学家可以将在某些物种上的已有研究成果转用到其它物种上，这对林业的发展特别有用。利用基因组信息不仅可以获得生物体之间的相同信息，同时也可以区别生物体之间在微小差别，从而为农业上优良品种的筛选提供了方便。如分子标记技术，单核苷酸多态性等（SNP）等。另外，生物信息学有助于解决很多生态环境方面的问题，如开展种质保存工作，如何评价转基因植物的风险等。总之，生物信息学实现了生物科学和信息技术的紧密结合，实现了各物种之间在种质遗传和基因调控等方面研究与应用的资源共享，开拓了研究生物发育进化等复杂生命现象的新局面，将大大加快林业生物技术的发展步伐。

2.2生物信息学在林业生物技术上的应用

生物信息学在林业上的应用主要有：生物种质资源的调查、研究；利用分子标记和基因组测序构建基因图谱，进行基因定位；为林木育种提供基因材料和转基因方法；进行高通量基因表达谱的分析和比较等。

在林业上，为了保持水土，在构建防护林时，科技工作者优先考虑的是生长繁殖能力强，能耐各种胁迫的树种，最好还具有一定的经济价值，由于在现实中选择具有这些优良特性的树种是很困难的，因此可以考虑用基因工程的方法培育转基因树木，运用生物信息学的知识，人们可以考虑直接将其它物种的耐胁迫相关基因甚至基因调控途径转入有较高经济价值的树种中，特别是一些调控序列，由于存在基因序列的保守性，甚至可以考虑将动物的有关调控基因转入植物，从其后代筛选抗性植株。实际上，从事农业研究的科学家已经从基因组学的发展中得到了很多有价值的信息和材料，例如模式植物拟南芥的基因组研究已经非常深入了，人们从中获得了一些重要基因，这些基因有的可直接用于作物遗传改良，有的可以帮助我们了解作物的相关基因调控机理。在林业上的相关工作较少，但近年来也有不少尝试，如我们知道，拟南芥的LFY基因是重要的花分生组织调控基因，当过量或异位表达时，可观察到拟南芥在不同位置提前开花，Pena L.等将这一基因用于柑橘类的改良，结果大大缩短了繁殖周期[1]。这一成果有着非常重要的意义，因为林业科研工作者都知道，林木生长周期长，树体高大，研究起来比较困难，特别对于经济林，这又往往是制约生产经营的瓶颈，而

这方面的研究极有可能使这一状况得到改善，即培育出速生、矮小的经济林木。中草药是我国宝贵的财富，深入进行中草药的作用机理研究，揭示中草药所具有的独特功效，生物信息学将在其中大显身手，其研究的方法有基因组和蛋白质组的分析比较，特别是近来热门的高通量生物芯片检测技术，在检测疾病产生和治疗过程中复杂的基因相互作用方面发挥了积极的效用。在加拿大，它们开展了白杨和云杉的基因组研究，已便改进材质等，另外，他们还利用生物的基因组信息研究林木的病虫害防治，它们研究了云杉蚜虫的基因组和其病毒基因组的特点，利用它们的相互作用来控制病虫害，从而减少化学杀虫剂的使用。在澳大利亚，已经开展桉树的基因组测序，正在克隆相关的功能基因，澳大利亚政府希望通过从基因组层次的研究，使本国的林业占有技术上的优势，从而在产业上赢得更大的市场份额。在欧洲，欧盟的农业发展计划纲要里提到，生命科学、信息学和工程技术的交叉点是知识经济的前沿，未来研究的重点在于植物和动物的基因组及其相关性研究，基因组学方面的研究包括病虫害防治、分子标记、基因组测序等。毫无疑问，上述技术的研究、推广和产业化都离不开生物信息学的手段。

近年来，随着林木基因工程的开展，很多人对转基因树木的生态效应表示关注，有些激进的“环保主义者”甚至动手破坏生物学家的研究成果。围绕这些问题的深入分析，离不开生物信息学的参与。生物信息学对于生态环境的监测和评价有着十分重要的意义，特别是生态系统的生物多样性、转基因植物或外来植物对本地种群遗传的影响、基因逃逸或基因突变对生态环境和种群生存的影响、珍稀或濒危动植物的系统进化和保护对策以及转基因食品的安全性等，生物信息学为我们提供了材料、依据和方法。

3.前景分析

林业要实现现代化，必须打破和其它学科的之间的界限，充分利用已有的研究思路和成果。用生物技术改造林业的前景是十分广阔的，如木材材质的改良，开发适合的树种，以减少对天然林的破坏；改善经济林的品种和品质，使其起到美化环境，增加经济收入，改善生态环境的多重作用；开发耐低温，盐碱的树种，建造防护林带；还有，在林业的病虫害防治方面，尚有许多难题，如马尾松的松材线虫治理以及其它经济树种的各种病虫害等。模式植物的已有研究为林业生物技术提供了丰富的材料，而要充分利用这些材料和方法，离不开生物信息学的手段。例如拟南芥基因组比较紧凑，利用其基因资源可以直接改良林木的品质，另外，可以利用其中的同源序列，特别是大量的EST序列，再结合基因组文库，可以直接克隆到相关功能的基因，在此基础上可以利用已有的蛋白质空间结构数据预测现有序列的蛋白质结构，提供基因、蛋白质相互作用的功能模型等。从农业粮食品种基因改良的已有经验来看，不少野生林木品种的基因对于目前林木良种具有重要的价值，所以这些资源必须加以保护，而在现有条件下，可以有针对性地开展基因组相关研究，如分子标记，基因组文库的建立，同源基因的克隆甚至基因组测序等等。

当然，林业生物技术的发展存在着不少障碍，例如植物组织培养，细胞培养，核酸纯化等都较为困难，这就影响了生物技术的广泛使用。发育生物学的研究，可以帮助我们调控林木的生长发育，从而在不同程度解决上述问题。发育生物学是现代生物科学研究的热点之一，包括胚胎发育，分生组织形成和花发育等。这些重要的生理现象在物种之间往往是比较保守的，因此借鉴模式植物的研究成果，必将有利于林业在这方面开展工作[2]。值得指出的是，生物信息学已成为研究生物发育不可缺少的工具，这不仅仅是因为生物信息学提供了物种之间基因信息的比较等，更为重要的是生物的发育过程必然涉及生物基因组信息的程序性调控、大量基因之间以及基因与环境之间的相互作用。

发展生物信息学，加快林业科学研究步伐，当务之急是培养掌握生物信息学思想和方法的林业科研人员，我们的大专院校和科研院所应当积极开展这方面的学习。相信在不久的将

来，生物信息学将在林业生物技术的应用上开创一片新天地。

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