关键词：生物信息学;基因组;后基因组
引言
药用植物资源是一类特殊的经济植物,其主要特点是植物体内含有生物活性物质,医学上可用于防病治病,是中医、蒙医等治疗疾病的物质基础,也是治药工业的重要原料。根据全国中药资源普查,我国约有12807种药用植物资源,在世界上名列前茅。这些植物资源具有十分丰富的遗传多样性和无与伦比的地道性和特异性,有不少是我国的地道药材,但是,目前我国进入流通领域的中药材只有1200种。加上由于野生资源日益减少,全国经常使用的500多种药材每年约有20写短缺,尤其是占药材市场80%供应量的野生药材。随着回归自然热的兴起,欧美等发达国家加快了利用草本药物的步伐,正通过各种渠道对我国优良和特色药用植物基因资源进行收集乃至偷窃,同时利用高新技术手段,大量投资繁殖和培育中国的珍稀濒危植物,寻找中草药中的遗传基因,并以此获利。有的则试图通过DNA鉴定等,抢先获得产权。近年来美国通过对中草药的遗传基因研究,就已经大盈其利。一旦这些基因专利被垄断,就可能出现“我们的基因,他人的专利”的局面。因此,积极开展具有中国特色的药用动植物功能基因组研究,建立和完善药用植物重要功能基因组研究和重要功能基因发现的技术体系,获得具有自主知识产权、功能明确和有应用前景的特色基因具有重要意义。生物信息学是一门综合运用计算机科学、数学、物理学、信息科学等诸多学科的理论方法,进行生物信息的存储和分析,尤其是基因组、蛋白质组信息的获取、处理、存储、分析和解释的新兴学科。其迅速发展势必给药用植物在基因组学方面的研究带来了极大的机遇。药用植物资源的保护与开发有望从功能基因组学方面的研究取得突破性的进展压。
1生物信息学简介
随着分子生物学的发展，特别是DNA双螺旋结构的发现，人类基因组计划的完成和DNA测序技术的发展，DNA己经成为生物科学研究的核心问题。近年来，生物数据呈现前所未有的爆炸式增长，数据的大量积累，极大地促进了生物学的发展，伴随而来的数据管理、数据挖掘等问题却阻碍着生物数据的有效利用。随着计算机科学和网络技术为代表的信息技术迅速发展，生物信息学也在此背景下发展起来。
2药用植物基因资源的生物信息学研究
2.1药用植物HMGR蛋白的跨膜结构分析
蛋白质序列中的跨膜区域，既可作为膜受体起作用，与此同时也可能是定位于膜上的锚定蛋白或是离子通道蛋白，所以含有跨膜区蛋白往往和细胞的功能状态密切相关，在真菌和动物细胞中的HMGR蛋白的跨膜结构域一般为7～8个跨膜结构域，而植物HMGR一般只有1～2个跨膜结构域。以杜仲HMGR为研究对象，用在线生物学工具TMHMM2．0Server进行预测分析.该蛋白具有两个跨膜结构域，分别在氨基酸序列的46～68，89～111氨基酸处，同时对大戟、曼地亚红豆杉、球药隔重楼等31种不同药用植物的HM-GR蛋白分析和预测，均具有跨膜结构。大部分有两个跨膜结构域，位于30～120氨基酸之间；其中龙胆草只有一个跨膜结构域为33～55氨基酸处；灵芝有3个跨膜结构域，分别位于13～35、222～244、251～270氨基酸处。由于HMGR蛋白具有跨膜结构域，表明其可能为跨膜蛋白。蛋白质的跨膜结构与其功能都是相对应的，因此推测此该蛋白可能为某种物质的膜受体或者参与物质的运输。
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2.2药用植物数字化研究
通过数字化药用植物的研究,建成药用植物信息学研究平台,完成药用植物数据库建设,建立药用植物多指标综合评价系统,进一步加强中药现代化网上合作研究,实现常用药用植物数字化及模拟系统,将为中药数字化和远程网络诊断施药提供支撑,为基础研究和新药开发提供技术指导。药用植物数据库可包括药用植物鉴定数据库、中药原植物数据库、药用植物种子数据库和药用植物化学数据库、中药筛选受体数据库、中药药效团三维数据库,从而为我国在中药GAP、中药生物制药、中药信息等领域的方法与规范化建设奠定基础。生物信息学研究是一种高通量的信息研究,特别是基因从结构研究向功能分析研究的转变。交互信息分析研究产生了基因组信息学,这是一个在较高层次上进行的整合、归纳;基因组的多样性又高度强调了人体的基因组特异性。中医药对人体质因素、环境因素及疾病在不同阶段所表现出来的症候演变过程的整体统一认识方法,使得基因组学在研究中医药理论上必然存在着大量的信息分析,特别是非线性规律的分析。现代数学及信息处理,尤其是虚拟现实、数据库知识获取等技术可为上述问题的解决提供有力保证。
2.3基于负二项分布检验的转录组基因表达差异分析
基因组是研究灵芝遗传特征、有效成分产生机制的基础，然而，对于一个细胞来说，从基因组到代谢产物，DNA只是其中一种遗传物质。根据中心法则，DNA需要转录为RNA，才能翻译为蛋白质行使功能，这些RNA被称为信使RNA。实际上，RNA并不只有信使RNA一类，非编码RNA因其具有独特的调控功能，己经成为近年来研究的热点。RNA-Seq技术的发展，使得在全转录组范围内，研究一个物种的转录机制成为可能。灵芝的菇类成分含量在菌丝期和子实体期差异较大，导致这种差异可能与代谢途径特异的表达调控有关，因此，研究这种差异的原因将有助于揭开次生代谢产物合成的特殊路径。本研究通过全转录组的生物信息学分析，对可能参与次生代谢产物合成的基因进行筛选，为研究灵芝的下游合成途径提供参考。
2.4基于单核昔酸变异的RNA编辑位点预测
RNA编辑是一种转录后调控机制，通过改变RNA序列使基因产物更加丰富。通常，RNA编辑作用会使核酸发生修饰、插入、缺失或替换作用。RNA编辑发生在许多生物体中，包括病毒、植物、动物以及真菌，各种RNA都会受到RNA编辑的影响，如信使RNA、转运RNA、核糖体RNA和小的调控RNAoRNA编辑作用的功能包括调控基因表达、增加蛋白质的多样性以及使突变作用回复。本研究希望通过对灵芝的RNA编辑现象进行研究，探讨其对灵芝转录调控作用的影响，此外，本研究首次对真菌的RNA编辑现象进行了大范围的研究，为深入研究真菌的RNA编辑作用提供依据。
结语
药用植物基因资源数据库的构建集中在对基因组数据库和DNA条形码数据库的构建上。对于基因组数据库，以灵芝基因组数据库的构建为例，实现了基因组数据的存储、查询、获取、浏览和分析。对于DNA条形码数据库，收录了涉及中国药典、美国药典、日本药典、韩国药典、欧洲药典和印度药典等六大药典的几乎全部序列及其混伪品，引入BLAST方法进行DNA条形码鉴定。通过将查询序列与数据库进行比对，可获得与该序列的序列特征最相似的物种信息，可以此为参考结合其它鉴定方法确定待鉴定药材。
参考文献
［1］王凌健，方欣，杨长青，等．植物萜类次生代谢及其调控［J］．中国科学，2013，43（12）：1030－1046．
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［3］郭嘉．HMGR与DXR基因过表达对雷公藤萜类物质生物合成基因的影响［D］．陕西杨凌：西北农林科技大学，2015．
论文作者:安曼云
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第38卷17期
论文发表时间:2019/12/3
标签：基因组论文; 药用植物论文; 基因论文; 生物论文; 数据库论文; 信息学论文; 转录论文; 《建筑实践》2019年第38卷17期论文;