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将两毫升的唾液寄给一家基因检测公司一个月后,35岁的王先生第一次获知了自己有患高血压的风险。
在此之前,他每年的体检均显示“一切指标均在正常值范内”,但来自基因检测的结果,依然使他决定在未来减少对盐的摄入量――“您的12号染色体上的基因GNB3中,编码了一种信号物G蛋白偶联受体。G蛋白偶联受体是一种信号分子,与肾脏对钠离子的吸收、排除有关。这个基因上的点位rs5443由于某种变异,改变了G蛋白受体信号,使肾小球更倾向于对钠重吸收,导致钠排出体外较困难,因此增加了患高血压的风险”。
王先生对于仅花费不足千元,便能完成的基因检测感到兴奋――事实上这种有别于常规体检的大众的消费级(DTC)基因检测手段,目前正成为国内健康消费市场的新宠。
但是在缺乏政府监管的情况下,属于商业与医疗交叉范畴的消费级基因市场,仍处于“野蛮生长期”。
消费级检测迎来风口
每个人都有30亿对碱基代码,这些代码构成了每个人独有的基因数据。基因检测,就是解密个体的基因特性,翻译出每个人的生命密码,以了解自身的体质特征。
有别于医学临床级基因检测,消费级基因检测的受众是普通大众。消费者往往只需通过互联网下订单,将口腔拭子或唾液放置于特制试管中,并寄回至实验室。几周后,他们就能获得包括亲子鉴定、血缘测定以及遗传性疾病和特征鉴定等基因分析结果。
就检测方式而言,主要通过对SNP(单核苷酸多态性)全基因组关联研究(Genome Wide Association Studies,GWAS)计算。全基因组关联研究是一种检测特定物种中不同个体间的全部或大部分基因,从而了解不同个体间的基因变化有多大的方法。这些研究通常比较两组参与者的DNA:有疾病的人(病例)和相同条件的无该疾病的人(对照)。如果在患者中某基因型的变异很频繁,那么就说明该变异与该疾病“相关”。
在全球众多消费级基因检测公司中,美国公司23andme最为著名,其因推出99美元的基因检测项目而迅速占领了美国的消费级基因检测市场,在获得最新一轮融资后,23andme的市场估值突破了11亿美元。
而在2017年的4月6日,美国食品及药品管理局(FDA)宣布批准了23andme针对10项疾病的基因健康风险测试(GHR)。这是FDA批准的首个消费级的遗传测试。
在国内,与23andme有相似业务的基因检测公司众多。位于成都市天府软件园内的“23魔方”是其中之一,在成立两年后,该公司已经获得了数轮融资。
23魔方CEO周坤称,国内的消费级基因检测最早出现在2004年,随着全基因测序成本不断降低,迎来了爆发期。
周坤预计,未来5年,全基因测序成本可能下降到700元人民币,国内消费级基因检测行业将迎来真正的大爆发时期。
目前国内各种基因检测公司的数量超过200家。同时,在国内多个省市提出将生物医药作为新兴产业培育对象的背景下,一些市场评估机构提出了“基因检测市场万亿产值”的规模。
无所不能还是过度营销?
“基因检测是很有趣的事情,我从未了解到自己身体有如此多的秘密。”王先生说。他还通过这次的基因检测,得知了自己血脉中有苗族、傣族甚至畲族的属性,也了解到自己能喝酒,是因为两个等位基因的突变,使代谢加快数十倍,导致不会因为乙醇的堆积而中毒。
事实上,在决定由这家公司做基因检测之前,王先生在网上也查询过多家同类型公司,也正是由于详细的查询,使他一度对这个行业检测的可靠性有所怀疑。
“很多公司推出的产品包括通过基因检测未来患癌症的可能性,甚至将婚恋、小孩兴趣爱好、抗雾霾能力等都纳入其中,给人的感觉是基因检测无所不能。”王先生说。
庞大的基因消费市场潜在规模,让各路资本看到了其中的商业潜力,大量夸大基因检测效果的营销开始出现。
通过百度、淘宝进行“基因检测”的关键字检索,发现众多消费级基金检测公司的广告信息。
周坤表示,目前消费级基因检测行业的进入门槛并不高,这导致了行业内良莠不齐。该行业进入主要通过两种方式实现。第一种是购买基因检测仪器,自建实验室;第二种是成为商。
“目前国内大部分消费级基因检测公司,都是商类型,他们的投入并不大,在利益的驱使下,很容易出现夸大基因检测效果,以及违规营销的情况。”周坤称。
北京鑫诺美迪基因检测技术有限公司CEO刘沛则表示,消费级基因检测和临床级基因检测有本质的不同,“消费级不在乎技术可靠性、检测准确率,主要依靠产品设计,让消费者有兴趣买单”。
周坤称,“很多消费级基因公司,类似一个中介机构,连一个分析基因数据的人都没有,他们通过加盟商的形式,进入这个行业”。
从另一种层面看,周坤认为,这也是由于传统的基因检测主要为科研机构自建,他们的长处在于研究实力强,但在市场营销和产品渠道方面并不精通,因此也主动将检测业务外包给销售商。
“市面上很多消费级基因检测产品,都属于贴牌性质,即最终报告源于同一个检测机构,仅品牌不一致。”周坤称。
并非100%准确
刘沛提醒称,从临床医学研究角度看,基因研究是一项复杂的工作,且人体功能结构变化,影响因素众多,并不单由基因决定,他认为,通过消费级基因检测,去评估未来是否有患癌症等病症的风险,是不具备说服力的。
周坤认为,目前一些消费级基因检测公司所宣传的可以通过基因检测,测试婚恋、测试性格、测试未来职业等,也并非空穴来风。
“有一些项目是有国外研究文献可查的,但国外在基因研究领域的文献质量参差不齐,国内这些公司引用这些不严谨文献的主要目标,是出于销售考虑,而并没有从严肃的医学角度考虑。”
周坤称,基因检测与体检的区别在于,前者不能检测已有疾病,仅能从统计学角度分析,某一个基因有造成人体患病的可能性。
以糖尿病为例,周坤表示,尽管糖尿病主要是遗传引起,但是最终成因很复杂。基因检测出一个消费者患糖尿病的风险高,只能代表从遗传学角度观察,消费者的某基因是影响高血压产生的一个因素,来自大量样本的统计学分析。
但这并不能代表该消费者真的可能患糖尿病,因为人类对基因的破解不到20%,很多方面都是未知数。
但是还需要注意的是,即使从遗传学角度将具备高风险,但到最后是否会得病,没有明确的证据,两者不是100%的因果关系。
关键词:基因检测;医学检验;发展现状
中图分类号:O65文献标识码:A 文章编号:1674-9944(2015)12-0281-04
1引言
人类的各种疾病基本都是遗传因素与环境因素共同导致的,其中的遗传因素指的就是基因。人类了解生物的基因信息,读懂生物的基因密码的途径主要靠基因检测技术来实现,所谓基因检测技术就是通过血液、体液或者是细胞对基因进行检测的技术。现阶段比较普遍的基因检测有以DNA为检测对象的Gene test和以DNA、RNA、染色体、蛋白质等各种遗传物质为检测对象的Genetic test(s)。一般讨论的基因检测技术都是指专门针对DNA的Gene test基因检测技术。本文讨论的也是指专门针对DNA的基因检测技术。
2基因检测技术的应用
基因检测技术和人类的日常生活息息相关,主要应用在致病基因携带者筛选、胚胎植入前遗传学诊断、食品物种基因判定、犯罪及血缘关系身份认定等领域[1],目前开展的最多的有以下几个方面。
2.1基因疾病诊断和疾病预防性基因体检
基因疾病诊断是指用基因检测技术检测可能引起遗传性疾病的突变基因。目前国内应用最广泛的基因检测是胎儿遗传性疾病检测、新生儿遗传疾病的诊断和某些常见病的辅助诊断。通过基因检测技术能够做出准确诊断的遗传性疾病现在已达到1 000多种。
基因检测可以诊断疾病,也可以预测疾病风险[2,4]。抽取被检个体的一小管血,就可以准确预知检测者未来可能存在的健康风险,如肿瘤、心血管病、糖尿病等。医学研究也证明,在可预防疾病的各种风险中,有20%与基因有关。像心脑血管疾病、糖尿病、肝病、癌症等困扰人类健康的这些主要疾病,也都与基因相关(5)。但因为基因疾病诊断除了有提前预知疾病风险的积极意义,还涉及检测者心理负担及家庭伦理等社会问题,国家已经出台相关政策规范约束基因检测在临床上的应用。
2.2DNA基因亲子鉴定和犯罪基因信息的认定
亲权鉴定方法在过去有过很多种,目前被认为最准确的就是DNA亲子鉴定。如果小孩的遗传位点和被测试男子的位点(至少1个)不一致,那么该男子便100%被排除和小孩有血缘关系,也就是他绝对不可能是孩子的父亲。如果孩子与其父母亲的位点都吻合,就能得出亲权关系大于99.99%的可能性,即证明他们之间的血缘亲子关系。同时DNA分析也为法医物证检验提供了科学、可靠和快捷的依据,作为最前沿的刑事生物技术手段,物证鉴定从个体排除过渡到可以作为同一认定的水平就是通过DNA分析完成的。在案件侦查过程中DNA检验可以为凶杀案、杀人案、致孕案等重大疑难案件的侦破提供准确可靠的依据,直至最终锁定罪犯。随着DNA技术的不断发展和应用领域的不断拓展,DNA标志系统的检测有望成为案件侦破的杀手锏。
2.3基因食品物种鉴定
食源性病原菌污染、农药及兽药残留,食品掺假等是目前食品安全中普遍被关注的问题,传统的经验判断、感官鉴别都会有一定的失误。通过基因来鉴别生物物种才是最具权威、科学性和准确性的方法[6]。鉴定食品物种可以采用基因检测技术快速准确地分析出食品中含有的全部动植物原料成分,不仅如此,该技术还能对同一种原料的不同品系进行精细区分,甚至可以追溯到特定的生物个体。在基因对食品物种鉴定过程中,基因检测技术具有独特优势,具体表现在以下几个方面:①特异性好;②灵敏;③快捷。目前基因检测手段食品成分的物种鉴定,主要用于动物源性食品,植物源性食品,高附加值食品如燕窝,冬虫夏草等,特殊深加工食品如食用油等。
3基因检测技术在国内行业的发展现状
基因检测在我国的发展随着技术手段的进步正在越来越快速,其发展现状可以通过国内最大、最规范的几家基因公司的发展状况来反映。中国的基因公司数量众多,但实力强大的主流公司只有华大基因、贝瑞和康、安诺优达、达安基因、诺禾致源、百迈克、凡迪生物等,数量不超过十家[7]。在1999年,基因产业又添新成员――华大基因公司,该公司的核心人物全部来自人类基因组的中国部分。目前员工数量超过5 000人,最近几年公司的收入规模已经达到10亿元级别。该公司业务范围广泛,几乎囊括了其余公司的所有业务种类。而行业中其他各基因公司所涉及的业务范围都没有明显差异,他们主要靠的科技服务和医学服务的收入起家。华大基因公司业务涉及面广,主要包括无创产前基因检测、辅助生殖、单基因病、新生儿筛查、肿瘤个体化治疗、遗传性肿瘤筛查、心血管病筛查、血液病筛查等项目。无论从测序仪器还是人才储备来说,都是中国基因检测行业的老大。而同行中贝瑞和康的业务主要集中在无创产前基因检测技术和科技服务,很少涉及其他领域,在中国无创产前基因检测技术这个行业中只有华大基因的市场占有率高于贝瑞和康。
目前国内基因检测行业发展有如下特点。
3.1推出了自己的测序仪,逐步打破了国外的垄断
世界测序仪市场很长时间是由Illumina和LifeTech这两家美国公司垄断的。2013年的测序仪市场份额的91%被这两家美国公司所占有。其中Illumina占比达到53%,LifeTech占比38%。而现在Illumina、LifeTech两家公司在市场上的的垄断情况正在被中国自己的测序仪逐步打破。美国基因检测仪公司Complete Genomics(下称“CG”)于2013年3月被华大基因收购了。其中测序仪是由华大基因子公司华大制造负责生产制造,他们正在推出不同型号和不同用途的产品。目前基因检测设备的国产化问题已率先得到了解决,而且,该公司生产的基因检测设备比较便宜,价格仅仅是进口设备的1/3到1/6。目前测序仪全球分布的热点区主要在中国的深圳(主要是华大基因),南欧,西欧和美国。
华大基因测序仪BGISEQ-1000,BGISEQ-100已经上市,一定程度上削减了Illumina、LifeTech公司的份额。在国内,除华大基因外,诺禾致源公司也具备生产基因测序仪的资质。同时,也不乏有些公司合作生产适合中国市场的测序仪,其中就包括达安基因与LifeTech合作、贝瑞和康与Illumina合作等。这一系列举措使美国在国际测序仪市场上的垄断地位受到了来自中国的巨大挑战。
此外,国外公司对该产业上游包括的与基因测序相关试剂、耗材、软件等并没有形成垄断,国内厂家完全有实力生产其中的一些试剂、耗材。而与之相关的软件开发更是中国的强项。
3.2市场:从无创产前检测技术向肿瘤、心脑血管过渡
继无创产前测序竞争开展数年后,国内的多家基因公司开始进入肿瘤市场,除华大基因外,安诺优达、诺禾致源等体量较小的公司也开始布局肿瘤市场[8]。目前中国市场上涉及肿瘤种类最为全面的肿瘤套餐正由华大医学推向市场,该套餐的目标客户既包括健康人群、高危人群,也可辅助治疗、预后监控。
安诺优达与华大医学不同,该公司不追求肿瘤覆盖种类,在发展初期,安诺优达专攻乳腺癌、卵巢癌等,因为这是女性易发肿瘤,并力求把这几种肿瘤的检测、解读做精、做细,从而形成差异化竞争。
诺禾致源甚至放弃了无创产前市场而将所有精力集中于肿瘤测序。在无创产前市场位居第二的贝瑞和康在2014年7月公布“无创单基因疾病检测方法”,涉及到肿瘤领域,只是称“该方法对肿瘤检测领域同样具有广阔的应用前景”但在肿瘤测序方面尚不明朗。上市公司达安基因则于2012年推出了“TM15检测”,该产品定位于早期筛查,并未涉及个体化治疗。随着基因测序技术的不断发展,下一个较为成熟的产品应该是心脑血管基因测序,现在人们的生活方式和生活节奏,心脑血管疾病患者数量成递增趋势,该疾病的致死致残率并不低于肿瘤,要想收到良好的效果做到提前预防、早期发现是很有必要的。猝死预测是心脑血管基因测序包括的诸多产品之一,但目前各公司都未披露具体项目。
国内各公司中,种类较多、技术较为成熟的还是属于华大基因的心脑血管基因测序产品。
以心源性猝死为例,在国内首屈一指的当属华大基因子公司华大医学,该公司可对5种与心源性猝死疾病相关的54个基因进行解读。
4亟待推出灵活开放的监管政策
中国基因产业的监管滞后于产业和市场需求的发展。虽然各基因公司均在开展如无创产前业务等,但国家在2014年6月30日前没有审批任何临床类基因产品。
目前,国内唯一获得审批的临床类基因产品是华大基因的无创产前,深圳市将这一检测及器械纳入了医保范围。此外,2014年1月,国家食药监总局明确将基因测序仪等3个产品界定为医疗器械:基因分析仪为Ⅲ类医疗器械管理的产品、测序反应通用试剂盒(测序法)为Ⅰ类医疗器械管理的产品[9]。
卫计委在12月22日公布华大基因和达安基因为第一批高通量测序技术临床应用试点单位,即将开展产前筛查与诊断专业试点。此前,个体化医学检测试点单位也在国家卫计委审核通过了,国家在2013年9月批准首批试点单位,从批准之日至今,国内共有三家具有国有背景的公司或机构获批:中国医科大学第一附属医院、中南大学湘雅医学检验所和北京博奥医学检验所。
国内的监管方式中深圳市走在最前列。深圳市的做法是由民营检测机构检测并出具报告,医生依据独立报告进行诊断,这也是借鉴美国LDTs(CLIA)模式(实验室开发诊断试剂监管模式)。
目前,从测序技术和市场需求层面看,基因测序已经做好了为普通大众服务的各项准备,广大消费者在此方面的需求也很强烈,值得一提的是测序技术在很多领域已得到科学的验证,如无创产前基因检测、新生儿筛查、肿瘤体检、肿瘤个体化治疗、心血管体检等。随着基因产业的不断发展,亟待出台一系列与之相配套的监管政策,其中,中科院院士杨焕明就强烈呼吁监管部门应该采取更加开放灵活的政策对待基因检测。
4.1无监管到叫停、再到试点申报
(1)2014年以前,我国基因检测行业基本被华大基因和贝瑞和康两家垄断,基因检测设备基本靠进口,基因检测服务主要是无创产前基因检测,而这一切均处于无监管状态[10]。
(2)2014年2月,CFDA和国家卫生计生委联合通知,宣布包括产前基因检测在内的所有医疗技术需要应用的检测仪器、诊断试剂和相关医用软件等产品,如用于疾病的预防、诊断、监护、治疗监测、健康状态评价和遗传性疾病的预测,需要经过食品药品监管部门审批注册,并经过卫生计生行政部门批准技术准入方可应用;已经应用的,必须立即停止[11,12]。
(3)2014年3月,基因检测被叫停一个月后,卫计委《关于开展高通量基因检测技术临床应用试点单位申报工作的通知》[13]。通知要求已经开展高通量基因测序技术,且符合申报规定条件的医疗机构可以申请试点,并按照属地管理原则向所在省级卫生计生行政部门提交申报材料,同时明确申请试点的基因测序项目,如产前筛查和产前诊断、遗传病诊断、肿瘤诊断与治疗、植入前胚胎遗传学诊断等[14]。
4.2企业申报
(1)国内龙头企业的“两手准备”。基因检测行业中以贝瑞和康为例,目前国内企业通过CFDA认证,将基因检测技术合法化,有两种途径可以走:一是按照卫计委规定,申报临床试点。二是通过和Illumina合作(产品买断贴牌模式),向CFDA申请注册新型基因检测设备。二者只要有一项通过审核,均可合法进行包括无创产前基因检测等基因检测业务。与国外公司合作的“快速通道”。目前行业中如华大基因,贝瑞和康,达安基因等这些领头企业,,都已经启动了报批和注册工作。与国外仪器生产商合作也是他们普遍采用的方法,通过授权或买断产品,到国内贴牌的模式。运用这种模式申报与审批相对比较快。如果进展顺利,国内这种仪器设备的正常审核时间约为1~1.5年,这种模式具体操作方法就是用国外的仪器及技术,但在申报CFDA时走的是国内的仪器设备通道。
(2)外企入驻中国市场。外企入驻中国市场也有两条途径。一种模式申报的是国内的产品,也就是上文提到的合作贴牌模式。另一种途径是通过自主申报的模式,这种模式是为进口产品申报,首先该产品需要有FDA的批文,然后在中国国内走CFDA的进口申报程序,据了解,Illumina等外资公司也用这种方法在中国进行进口产品直接申报,但是所需时间会更长。
5结语
未来,发展空间巨大的基因检测技术必将带来人类健康预防与疾病治疗的革命。然而,我国乃至全球基因检测行业尚处于起步阶段,虽然人类全基因组测序成本已跌破1 000美元,但对基因组的解读、临床大数据的积累才刚刚开始。技术在进步、政策在探索、市场在成长,我们需要给基因检测这一对人类生活产生至关重要影响的技术一些耐心和时间,长期关注,帮助成长。
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社会热词
如今,“基因检测”成为一个社会热词,一些商业机构打出颇具诱惑性的广告语:“解码生命秘密,预知未来健康”、“只要你的一滴血,甚至一点点口水,就可能预测你一生可能遭遇的疾病并加以预防……”“一口唾液,就能测出孩子的天赋。如果他有运动基因,他可能是下一个博尔特;如果他有音乐基因,你可能把他培养成肖邦……”开展“儿童天赋基因”检测的某商业机构的广告语是“别把天才放错了位置!”这些机构推出了“基因体检套餐”、“天赋基因检测”、“美容基因检测”、“家族性疾病风险预测”等项目,有的地方甚至将基因检测作为高端体检项目来推广,类似金女士这样做基因检测的人越来越多,不少人慷慨解囊,去检测自己是否有患遗传疾病的风险。
那么,基因检测到底是怎么回事儿?真的可以准确预测未来疾病,甚至可以预知孩子的天赋以及未来的发展吗?基因检测与商业盈利混同在一起会不会有什么问题?
来龙去脉
那还是2006年,科学家绘制出人体所有23对染色体的完整基因序列图谱以后,一些颇具市场眼光的企业开始进入这个潜力巨大的市场,向顾客提供有偿基因检测。
基因是什么呢?基因是DNA分子上携带有遗传信息的功能片段,是遗传信息的基本单位,是决定一切生物物种最基本的因子;基因在一定程度上决定人的生老病死,也在遗传角度上决定人是否健康、靓丽、长寿等等。人的长相、身高、体重、肤色、性格等都与基因密不可分。基因检测就是通过分析受检者特定的基因序列,并根据这些基因序列与行为、生理活动和疾病的相关性,了解受检者的遗传信息以及患病风险。
2013年,美国好莱坞影星安吉丽娜?朱莉通^基因检测发现自己携带家族遗传的一种缺陷基因,患卵巢癌和乳腺癌的风险较高,于是接受了预防性的双侧乳腺切除术。朱莉是国际影视界的大牌明星,影响力很大,她这样做等于给基因检测做了一个特大广告,吸引更多的人关注和了解这个项目。
如今,基因检测似乎成为一种“高大上”的新鲜事物。在某些发达国家,检测基因、指导疾病预防比较火;而国内也在悄然升温,有人把它称作“科学算命”。据了解,目前国内“三甲医院”和有的民办体检中心争相开展基因检测项目,基因检测也成为各体检中心招揽客源的一大噱头。据说目前有一千多种疾病可以通过基因技术做出预测和诊断。
除了实体健康机构有这个检测项目以外,互联网上有诸多基因检测中心也做起了“基因检测”的生意,要求在网上检测基因的人也是络绎不绝。许多人之所以选择通过网上进行基因检测,是这样更便捷、更具私密性。操作的流程是:上网选定基因检测单位的网站,打开网页,根据自己需要选择检测项目;选定项目以后,基因检测中心将通过快递方式将采样包交转购买人。购买人采样后,将采样包寄回,基因检测中心组织检测并出具检测报告,并给予个体化健康干预建议。
商业动作大
没有人否认基因检测的价值,它可以运用到新生儿检测、遗传病携带者的检测、孕期基因检测、法医基因检测。但是,上面提到的这些,都属于预测性检测。预测性检测多半仍停留在学术研究阶段。在基因检测的发展过程中,很多商家比科学家先行了一步,他们盯住了社会上的特殊群体:老人、儿童、慢性病患者以及潜在的癌症患者。
最能够吸引老年人的,是诸如高血压、糖尿病、老年痴呆(阿尔茨海默病)等慢性病的基因检测,相关机构会告诉你:携带高风险基因型的人,在同样生活环境及习惯下,发病率高出常人数倍。但真实情况并非如此,以高血压为例,《自然遗传学》披露的研究结果显示,某些独特的基因位点,可能会影响高血压的发病率。但是,它可能是几百种基因互相纠结、环境因素累加、时间因素累加后的共同结果。
预测患癌几率是目前基因检测的最大市场,也是国人最认可的项目。但是,癌症的发病是多种因素引起的,大多数医生都认为癌症是一种生活方式疾病,与遗传因素关系不大。以乳腺癌为例,大概只有10%的乳腺癌可以确切证明由遗传因素导致。在已知的癌症中,也只有5%至10%的癌症是由遗传基因引起的;这5%至10%的癌症,预防性的基因检测能告诉我们的也不多。况且,有了某种基因变异,也并不意味着一定会罹患癌症。
有专家指出,各种所谓针对儿童的“天赋基因”检测有两个最大的漏洞,其一是故意混淆了统计学上的“关联关系”与“因果关系”,有关联不等于就是因果,检测者把关联说成了因果;其二是避而不谈后天环境对人的重大影响。专家告诫,目前所有给孩子做的天赋基因检测都是骗人的。
隐忧不少
目前,国内的基因测序仪都是从国外引进的,由于基因测序仪产地不同,在使用方法和检测标准上也各不相同。就是说,两家基因检测公司的仪器不同,得出的结论也会有差异,一般人无从辨别查证。
基因检测行业在使用试剂、应用范围等方面也混乱无章。不少基因检测公司使用诱惑性语言进行的宣传也明显言过其实。
在收费方面,基因检测项目没有收费标准,也没有纳入临床检测范畴,价格随意性很大。
基因检测是新兴的高精尖技术,对从业人员素质要求应该相当高。但现实状况是很多刚从医学院校毕业的、不能进入医疗机构从事临床医疗的人在操作检测。由于检测过程不规范,往往导致检测结果也不那么准确。
关键词:湖北棉粕;湖北菜粕;益生菌群;脱毒
中图分类号:S816 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2013)15-3596-02
畜牧业的规模化发展和对饲料营养的深入研究,导致市场对饲料原料的需求剧增。鱼粉作为优质的动物蛋白其供应逐渐短缺,缺口越来越大,这就需要有新的蛋白源来填补动物蛋白的不足。植物蛋白中豆粕的产量最高、应用最广,然而也存在供应有限及价格越来越高的问题。棉粕和菜粕等作为优良的植物蛋白源,具有蛋白质含量丰富、产量较高的特点,特别是菜粕中的蛋白质含量虽然比豆粕低,但是其氨基酸含量丰富,且蛋白质质量优于豆粕[1],能够代替部分豆粕。然而棉粕和菜粕中的抗营养因子是阻碍其大量使用的瓶颈,如棉粕中的游离棉酚摄入过多会阻碍动物生长,导致其繁殖力下降[2,3];菜粕中的硫代葡萄糖甙、异硫氰酸酯、噁唑烷硫酮等有害的毒性物质可抗生物活性,能够造成动物内脏器官的损害[4],这些缺点限制了棉粕和菜粕在动物饲料中的广泛应用。本研究采用成熟的发酵方法,选择筛选出的黑曲霉、酵母、植物乳杆菌和芽孢杆菌的混合益生菌群,比较其对湖北棉粕和菜粕的脱毒效果,旨在利用这些益生菌群降低湖北棉粕和菜粕中的有害物质,提高湖北棉粕和菜粕的应用范围。
1 材料与方法
1.1 试验材料
湖北棉粕和菜粕由武汉明天生物科技有限公司提供,湖北棉粕的粗蛋白质含量为41.0%,湖北菜粕的粗蛋白质含量为36.4%,检测方法为GB/T 6432-1994。
1.2 试验方法
菌种是由黑曲霉、酵母、植物乳杆菌和芽孢杆菌组成的混合益生菌群,发酵工艺为武汉明天生物科技有限公司的生产工艺。
1.3 检测方法和脱毒率计算
游离棉酚的检测方法按照GB/T 13086-1991进行;硫代葡萄糖甙的检测方法为氯化钯法;异硫氰酸酯(以丙烯基异硫氰酸酯计)的检测方法按照GB/T 13087-1991进行;噁唑烷硫酮的检测方法按照GB/T 13089-1991进行。
脱毒率=(原料中有害物质含量-发酵后样品中有害物质含量)/原料中有害物质含量×100%。
1.4 数据处理
试验数据采用SPSS统计分析软件进行t检验,试验结果以“平均值±标准差”表示。
2 结果与分析
黑曲霉、酵母、植物乳杆菌和芽孢杆菌的混合益生菌群处理湖北棉粕和菜粕前后其抗营养因子的含量见表1。由表1可见,黑曲霉、酵母、植物乳杆菌和芽孢杆菌的混合益生菌群对湖北菜粕中的硫代葡萄糖甙的含量没有显著影响(P>0.05),发酵后菜粕中硫代葡萄糖甙的含量仅降低了5.56%;但是黑曲霉、酵母、植物乳杆菌和芽孢杆菌的混合益生菌群对湖北菜粕中异硫氰酸酯和噁唑烷硫酮的含量有显著影响(P
3 小结与讨论
当前有多种方法可以去除棉粕和菜粕中的抗营养因子[1,5],如物理方法、化学方法、生物方法和遗传学方法,物理和化学方法虽然可以去除部分抗营养因子,但有其局限之处;遗传学方法虽然是最好的方法,但是需要耗费大量的时间和财力才能见效;生物方法通过各种益生菌降解有害物质,营养物质损失较少,应用前景广阔。
益生菌发酵湖北棉粕后导致其游离棉酚含量显著上升,表明黑曲霉、酵母、植物乳杆菌和芽孢杆菌不能用于棉粕的脱毒。当前有一些研究找出了一些可以降解游离棉酚的菌株[6,7],但是还处于未公开状态,今后还需要摸索出更多的菌种,找出适合的能够降解游离棉酚的菌种。
本试验中湖北菜粕的异硫氰酸酯和噁唑烷硫酮的含量均低于李建凡等[8]研究的菜粕中对应的抗营养因子含量,表明湖北菜粕在中国菜粕品种中的抗营养因子含量偏低,更适合在饲料中适当添加。国家饲料卫生标准[9,10]中规定菜子饼的异硫氰酸酯允许量为≤4 000 mg/kg,中国的菜子饼粕中其含量大都低于这个标准,但是在添加到饲料中时还是受到抗营养因子的限制,影响了其在动物饲料中的添加量[8]。本试验中,黑曲霉、酵母、植物乳杆菌和芽孢杆菌的混合益生菌群显著降低了湖北菜粕中的异硫氰酸酯和噁唑烷硫酮,而对硫代葡萄糖甙的影响不大,菜粕中的抗营养因子主要是硫代葡萄糖甙的降解产物—异硫氰酸酯和噁唑烷硫酮等[4],本试验结果表明该益生菌群可以有效降低湖北菜粕中抗营养因子的含量,可以添加到菜粕型饲料中用于降低菜粕中的抗营养因子。
今后可尝试优化黑曲霉、酵母、植物乳杆菌和芽孢杆菌的混合益生菌群发酵工艺,进一步提高对湖北菜粕乃至全国不同产区菜粕的脱毒效率,扩大菜粕在饲料中的添加量,丰富动物饲料原料的来源。
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【关键词】生物技术专业 医学院校 课程体系
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889(2016)05C-0071-02
近些年,随着科技的进步,生命科学飞速发展,生物技术在各领域展现出了无限潜力,社会关注度越来越高,被世界各国确定为21世纪科技发展的关键技术和新型产业。现代生物技术与其他学科相互交叉融合,逐步形成了农业生物技术、医药生物技术和工业生物技术三个应用领域,其中医药生物技术领域由于和人类的生命安全关系密切,成为现代生物技术中最实用、最具发展势头的领域之一。
一、生物技术专业人才需求及各院校招生情况
随着生物医药产业健康快速发展,以及新的理论技术不断涌现,具有扎实理论基础、较强探索精神和实践能力的医药生物技术人才的需求也与日俱增。生物技术相关专业人才的社会需求有增无减,尤其是医药行业生物技术人才需求快速增长。为了更好的适应社会对生物技术人才的需求,教育部于1998年正式将生物技术专业列入理学本科专业目录,主要培养应用型的专业技术人才。之后,很多院校都相继开设生物技术专业,中国前300名大学中,具有生物技术专业的大学占到了33.7%。通过对生物技术专业在这300所大学不同类别的分布分析可以发现,生物技术专业在综合类、理工类、农林类和师范类高校中设置的频率较高,分别占相应各类高校总数的70.6%、70.8%、82.6%、97.3%。而我们通过前期统计,全国90所医学本科院校,开设生物技术及相关专业的仅有28所,占31.1%,不及全国的平均水平。医药行业生物技术人才的供给远远小于社会需求。
医学院校生物技术专业与普通院校该专业人才培养目标有所不同,其特点体现在医学知识和药学知识与生物技术的深度交叉融合,因此医学院校生物技术专业开设的课程也要反映相应的医药特色。但是,由于生物技术专业在国内相关院校的开设主要集中在综合类、理工类、农林类和师范类高校,在医学院校开设的相对较少,必然会导致教学模式和内容偏向于工业生物技术和农业生物技术的教学。体现在人力资源市场上就是医药生物技术人才的相对缺乏。面对大好形势,高等医学院校作为医药生物技术人才培养的主体,如何有针对性地进行专业人才培养方案和课程体系的建设,以培养与行业发展相适应的高素质专业人才,是关系到专业兴衰成败的关键课题。
目前,医药生物技术的教学模式还存在一些缺陷,针对性的医药生物技术人才培养机制尚属于探索阶段。如果照搬其他院校的人才培养方案,就会导致学生能力的同质化严重,不能很好的与医药行业的职业岗位需求相吻合,学生的核心竞争力不足,从而造成就业困难。所以,迫切需要建设适合医药生物技术专业人才培养的针对性课程体系及人才培养方案。另外,生物技术是一门实践性很强的学科,实践教学是夯实理论知识和培养科研思维必备的手段。因此,在教学体系设计及教学过程中必须重视实践教学,这对学生创新思维能力和实践能力的形成具有重要的意义。
二、全国各高校生物技术专业开设课程分析
统计了全国21所高校生物技术专业所开设课程,其中包括4所医学院校生物技术专业,统计分析结果如下:
(一)各校生物技术专业课程开设情况
从总体来看,各学校课程开设率较高的课程有细胞生物学、生物化学、医学遗传学,所统计所有学校均开设有以上三门课程;其次,开出率较高的课程有微生物学、分子生物学、基因工程、医学统计学、生物信息学、免疫学等,下图为所统计各学校开出率前21位的课程。
(二)医学与非医学院校生物技术专业课程开设情况对比
与非医学院校相比,医科学校生物技术专业中,各学校课程开设率较高的课程同样有细胞生物学、生物化学、医学遗传学,统计的所有学校均开设有以上三门课程;除此之外,医学类学校基因工程、医学统计学、生物信息学、免疫学、生物技术综合性实验、生理学、人体解剖学、药理学、蛋白质工程等几门课程开出率高。下图为综合所统计各医科与非医科学校课程开出率前20位的对比图。从图上可以看出细胞生物学、生物化学、医学遗传学、基因工程、医学统计学等开出率两类学校均较高,但是临床医学概论、病理学、药理学、人体解剖学、生理学等医学相关课程,非医学院校均开设较少或未开设。
三、医学院校生物技术专业课程体系建设思路
医学院校生物技术专业在人才培养的过程中应注意医学基础知识与生物技术学科各课程间的交叉和渗透。所以在课程体系的建设上就应该与其他院校有所区别,具有自己的特色。除了生物技术专业必开的基础课程及专业技术课程之外,具有医学特色的相关课程也应该在课程体系的设计中,可以使学生将医药基础知识更好地应用于医学生物技术的实际工作中,更好地适应社会的需求,适应医药生物技术行业。因此,通过对其他医学院校生物技术专业课程体系的学习以及近几年的教学实践探索,总结了一些本校生物技术专业课程体系建设的思路。
(一)合理选择授课科目,突出医学院校优势
目标是培养出适合我国现阶段实际需求,具备扎实医药生物技术理论基础,熟练掌握各项实验技能,能在医药、检验、食品等行业的企事业单位和行政管理部门从事与生物技术有关的科学研究、技术开发与服务等工作,以及在科研、营销、第三方检验等领域从事研究助理、产品销售、检测试剂盒的设计开发与使用等工作的高级应用型专业人才。因此,我们的学生除了学习一般生物技术专业必须学习的理论知识,还要补充如临床医学概论、病理学、药理学、人体解剖学、生理学、医学遗传学、医学统计学等与医药生物技术相关的医学类专业课,从而进一步提升医学院校生物技术专业毕业生的就业竞争力。
(二)调整实践教学模式,开设专业综合实训
生物技术专业涉及到的五大工程技术之间彼此交叉渗透,互为基础。因此,生物技术实验课程的设置必须打破传统上每门课程单独设立实验的传统,将本专业主干课程实验根据内在联系进行整合,单独成课,设立一些综合性实验、实训,而非简单的课程实验。综合性实验要求学生具备一定基础知识和基本技能,因此一般在第三到第四学年开展。另外,综合性实验内容的设置还要能反映多门课程的综合知识,最终达到对学生实验技能和方案进行综合训练的目的。例如,我校开设了生物技术综合实训,该实训共安排8周时间,分两学期上完,每学期安排4周时间,中间不再穿插理论课学习,给予学生充分的实践机会。该综合实训涉及基因工程各个方面,以蛋白药物开发作为主线,包括蛋白药物的克隆、表达、检验、纯化、药物活性的检测等一系列医药生物技术操作环节。该实践环节与真正蛋白药物的研发生产相一致,使学生能将理论知识与实践充分结合,与社会、行业接轨。另外,根据专业生物技术专业医药特色,开设病理检验、实验动物学、抗体制备、临床分子诊断、动物细胞培养等实验,这些实验除了培养学生基础生物技术技能之外,加入医学相关内容,使学生掌握交叉学科知识及技能,更适应社会对医药生物技术专业人才培养的需要,培养出的学生更适于快速发展的医药生物技术行业。
(三)根据市场需求,合理整合教学内容
在生物技术专业课程的教学中发现许多知识点在不同课程中重复出现,造成教学资源的浪费。另外通过对学生实习企业的调查,我们发现企业最需要那些实践能力强、具有自主学习能力的毕业生,而我们的某些授课内容缺乏纵深性,对知识点的讲解并不系统,存在理论与实践脱节的现象。针对以上问题进行了教学内容的整合,减少理论教学时间,增加学生自主学习的比重,同时注重了某些理论知识与实践的结合,有利于学生快速系统地建立知识体系。例如在“分子诊断学”授课中,增加遗传病的介绍,如常见遗传病的临床特征、分子诊断手段以及基因治疗等。除此之外,还可以在授课内容中加入临床诊断试剂盒的研发、临床生物技术检测及基因诊断和基因治疗方法等内容,以培养具有良好医学基础的生物技术专业人才,适应社会并服务于社会。
生物技术尤其是医药生物技术方向在医学领域的应用可以说改变了现代医学的发展,但是对于医学院校生物技术专业人才培养方案及课程体系的建设仍处于探索阶段,因此目前对该专业人才培养模式及课程体系通过思考后进行有目的、有计划的探索,能够培养出与社会及行业、企业需求相适应的高素质的专业人才。
【参考文献】
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[2]刘瑞珍,张兰凤,邱启祥.医学院校生物技术专业解剖学教学探究[J].四川解剖学杂志,2014,22(2)
在实际的营林工作中,从而发挥两者的相互促进作用。
2林业可持续发展中存在的主要问题
2.1在林业生产过程中,因资源有限,并且被破坏严重,所以在实际中,保护措施变得更为重要,当人们没有意识去保护林业资源的时候,可持续发展必然受到阻碍,社会发展过程中,需要大量的林木资源,保护意识不足,林业资源需求过大,为了个人利益,森林资源被破坏严重,这问题也是较为集中的现象,严重影响林业营林管理工作的实施与发展。2.2林业基础设施不牢,资源管理体制不完善。由于国家对林业基础设施投入少,所以回报率较低,导致了森林资源生态环境得不到应有的保护和发展。许多林区基础设备的覆盖率还没远远没有达到要求,其中最为突出的是火情瞭望台,森林火灾和病虫的防范和监控能力很低。资源管理体制不完善,责权划分不清,导致营林管理乏力。2.3营林工作需要技术支持,从目前看,虽然技术水平得到提高,但在实际运用过程上并没有达到理想效果,也因林业管理过程中资金匮乏等因素影响,当林业科研无法与实际林业营林工作建立有效联系的时候,必然会造成浪费,严重影响营林工作的顺利进行,也会因无法建立有效的合作,造成很多人才并无用武之地。
3营林工作管理可持续发展的对策
3.1依靠科技发展林业。可持续发展的一个根本的策略是科技的发展,因为可持续发展的内涵包括经济的发展和对资源与环境的再发展能力的保护。那么既要发展经济又要保证资源与环境的发展力,最有效的解决办法就是依靠科技来发展经济,改变传统的以环境和自然资源为代价的粗放式经济发展模式。因此,在林业发展上,实施科技兴林,不断提高林业建设的科技含量是林业可持续发展的关键。近代科技的发展是十分迅速,在育林工作中,可有效应用计算机技术、数学模拟、生物工程、生态学、遗传学等。如以遗传改良造林材料来实施造林,来使人工林符合培育目标,且具有优良遗传成分,是当前内外集约栽培人工林中发展最有效、最为快速的手段。研究表明,许多树木的有利经济性状是可以完全遗传到下一代的,并以选育为手段,实现性状的进一步加强。通过克隆技术,来获得大量的DN段,对基因染色置加以测定,分析基因的功能于结构,并以人工方式为手段,来对基因进行合成与改造,从而为实际营林工作的开展提供更为优质的树种,为其持续性发展打下坚实的基础。3.2优化林业经济结构。林业经济若要稳步的发展,必须以林业产业优化为主,积极进行林业产生生产与发展,通过实现其可持续发展,进一步提高林业资源合理利用,首先,要从市场需求入手,明确市场导向,在市场需求下可以构建林业资源开发建设基地,大力推广速生丰产林建设,包括一些周期短的原木林开发,这样可以提供人们日常所需,再次产业化调整过程中,还要重视新产品的研发,通过底层次原料加工,不断向着更要层次的利用,合理构建高层次深加工步伐的转变,这样通过调整生产布局,合理营造新型产业化,通过这些方面的产业优化,通过林业资源的优势,保证开发有度,不断开拓新市场,延伸产业链。通过多种方式解决一些林业资源利用不合理现象,避免造成资源的浪费。也为给人们提供一个良好的生态环境而努力。3.3完善林业经营监管体系。营林工作方面应该重视森林资源监督的有效性,要与管理部门协调发展,进一步重视监督管理,并且结合一定措施,让工作内容变得更加有效,在具体实施方面,工作单位要重点从实际工作内容方面入手,强化检测,不断构建良好的综合监管体系,针对实际营林内容,可以对先有资源进行有效整合,通过健全检测体制,实现综合体系的有效构建,进一步促进林业可持续发展。此外,林业工业是一个兼有生态社会效益的资源限制性产业,以提供原材料、粗加工产品为主,与其它产业相比是一个比较效益低下的弱质产业,竞争力不高,但又是国民经济发展中不可缺少的产业。采取有效的管理手段,加强宏观调控,建立健全木材及林产品市场体系和支持服务体系。要通过建立统一规范的交易规则和运行方式,完善市场机制,健全市场制度,为林业企业创造良好的竞争条件和公平交易的环境。为林业工业的可持续发展提供资金保障。3.4加强员工的工作素养。要想实现营林工作可持续发展,需要从工作人员素养出发,强化培养,积极引入专业素养人才,以薪酬标准制定有效的引用机制,并且结合有效发福利与完善的营林人才招聘措施,积极鼓励广大林业方面人才进入到营林工作中,同时,也要对现有员工,进行专业知识培训,提高知识的掌握能力,也进一步提高管理能力,通过这样的措施,树立良好的人力资源管理机制,不断为营林的可持续发展尽微薄之力。
4结论
针对营林造林管理的可持续发展工作进行了几方面分析,通过分析也明确了相关发展策略,在实际营林造林工作上,应该重视营林工作,从生态平衡角度分析,重点以市场经济可持续发展为主,不断深化改革,加快营林建设效率,在营林造林过程中,针对不同问题,要有应对策略,以林业建设的可持续发展为主,进一步构建科学规范的营林体系,通过工作经验与相关技术措施的使用,加快社会经济发展,也给人们构建一个良好的生态环境。
作者:刘士忠 单位:黑龙江省伊春市新青林业局柳树河林场
参考文献
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北京市每年会为约20万新生儿免费进行耳聋基因筛查
本世纪初,人类基因组图谱绘制成功,揭开了组成人体4万个基因的30亿个碱基对的秘密。这项计划最重要的意义是在于加深我们对自身的认识,从而提高我们的生存质量。而在人类基因组揭秘这一重大事件完成后。对于基因的研究,更加突飞猛进……
如果不是在医院进行免费的“新生儿遗传性耳聋基因筛查”,虽然本身听力是正常的,但或许带有耳聋基因的儿童瑞瑞会因误服链霉素、庆大霉素等药物造成耳聋。
拿到基因筛查结果,瑞瑞的妈妈惊出了一身冷汗。但幸运的是,携带这种基因的孩子只要注意用药,并在每次就诊时,向医生出示“用药指南卡”,医生在选择药品时,就会按照指南,避开会造成孩子耳聋的十多种药品。
2012年,北京市约20万新生儿都会享受到这项免费的耳聋基因筛查。他们中的数百名孩子将避免由于用药致残。这项筛查所应用的,正是基因芯片技术。
基因芯片并不是 “新兵”
基因芯片,对于大多数人来说,还是一个陌生的名词。然而在科学界,它并不是一名“新兵”。
基因芯片的概念,诞生于上世纪80年代的欧洲。经过科学家的不断探索,基因芯片在美国开花结果。1996年,美国昂飞公司(Affymetrix)成功地制作出世界上第一批用于药物筛选和实验室试验用的基因芯片,此后世界各国在芯片研究方面迅速跟进。而这家公司也成了世界上赫赫有名的基因芯片制造商。
由于基因芯片的巨大市场前景,在此方面较为领先的美国政府和产业界在过去的10年间共投入近20亿美元用于以基因芯片为主的研究开发与产业化,欧洲与日本的投入强度也越来越大。此外,世界各个大型制药公司也都已建立了或正在建立自己的芯片设备和技术,几乎所有的跨国制药公司都投入巨资利用基因芯片开展新药的超高通量筛选和药理遗传学、药理基因组学等研究。据统计,1997年基因芯片的市场仅为1200万美元,仅仅四年后,全球基因芯片的市场已达170亿美元。
邮票大小的基因芯片
在基因芯片的发展大潮下,它也日渐受到人们的关注。在国际学术期刊《化学技术》的封面上,曾经刊登过一幅漫画解释何为基因芯片。漫画上画的是一对正在举行婚礼的新人,穿着燕尾服的新郎身体被画成一张计算机芯片,而新娘的身体则是DNA的双螺旋。这寓意着他们的结合,就是基因芯片。
“这只是一个很形象的比喻,但实际上基因芯片远没有如此简单。基因芯片是一个涉及众多学科的复杂工程。”在一次有关基因芯片的讲座上,中国工程院院士、基因芯片北京国家工程研究中心主任程京告诉记者。
基因芯片是指在一块邮票大小的,可能是由玻璃、陶瓷、塑料或者硅等物质构成的基片上,通过一系列技术手段固定细胞或细胞内相关基因或蛋白的生物信息。当我们将它用于临床时,通过收集人体的血液或尿液、痰液等待测样品,与芯片上的已有DNA信息发生“碱基互补”反应,产生相应信号,再用计算机分析数据就可快捷获得待测样品的基因信息,从而用于基因检测、治病、预防等领域。
用农民“插秧”的方法制作芯片
以耳聋为例,芯片制作时,将一些含有已知7种耳聋基因的生物分子(如细胞内相关基因或蛋白),放到芯片的表面上,这个过程非常类似于农民“插秧”的方法,只不过基因芯片插秧时用的是机械手。经过“插秧”,芯片上的生物分子排列成整齐的阵列状。这个过程叫做“点样”。机械手上装有一根或多根微点样针,根据需要点制出各种芯片。点样针的头部有一个样品通道,用来存放一定体积的样品。由于基因芯片的体积小,它所需要的样品极其微量,往往10微升样品就可以点制上千张芯片。
而检测的原理简单来说是这样的。基因芯片的检测就是一个配对的原理。DNA是一个双螺旋结构,它由两个链咬合旋转组成。芯片上虽然放置着含有耳聋基因的信息,但是为了后续检测,芯片上只放置了基因双螺旋链中的一个链,也就是之前芯片上插好的“秧苗”。在检测时,拿来需要的被检样品。根据碱基配对的原理,如果样品中的链和之前的“秧苗”链相互反应,像拉链一样相互“咬合”起来,形成一个完整的双螺旋结构。那么就是配对的成功,就预示着被检物种也存在着。
基因芯片检测通量高,携带便利
基因芯片之所以如此受人喜爱。与它自身的特点不无关系。
王笑峰是上海复旦大学生命科学学院副教授,检测疾病位点是他日常工作中经常进行的一项。而在这个过程中,他常会用到基因芯片进行检测。
“这确实是一个比较先进的方法。因为它通量高,做实验很快。”王笑峰告诉记者,如果用老的方法检测比如中风、心梗等基因的位点可能需要1年,如果用基因芯片,可能3个月就能完成。
基因芯片能达到检测快速的秘诀,就在于它的芯片上,是以阵列的形式,均匀地分布着成千上万个生物信息,这些海量的信息,可以一次性地通过检测得出结果。“以前在检测时,必须手工操作,并且一个位点、一个位点地进行检测。一次几万个的检测速度,和一次一个的检测速度,绝对是不一样的。”王笑峰说。
芯片这种特点,也为像肝癌这种复杂疾病的治疗提供了便利。在肝癌手术后,病灶是否切除干净,用什么药治疗合适,病人不用药的生存期多长,容不容易转移等等很多问题,都会在临床提出。如果针对这些问题进行基因的检测,就会出现海量的基因数据,这些数据光靠人手工去对比是无法处理的。所以,利用基因芯片、利用计算机、利用生物信息学、统计学的方法,获悉这些数据将便利得多。
而且基因芯片体积比较小,便携性比较好。就像一个小型的“生物实验室”。可以把生命科学研究中许多不连续的分析过程,比如样品制备、化学反应和分离检测,移植到芯片中使其连续化和微型化。原来这些各自分离的分析设备要占用很多层楼。在分析速度成千上万倍提高的同时,所需样品的量也成千上万倍减少。
关键词:鲁西黑头羊;mtDNA;D-loop区;遗传多样性;遗传距离
中图分类号:S826.212文献标识号:A文章编号:1001-4942(2016)09-0115-04
AbstractLuxi black head sheep is an excellent cultivated breed with high yield of meat and high prolificacy. To assess the genetic diversity of Luxi black head sheep on mtDNA and obtain the molecular evidence on breed identification, the hypervariable regions of mtDNA in Luxi black head sheep, Dorper and small tail Han sheep were sequenced, and their genetic diversity, genetic differentiation and genetic distance were analyzed. The results indicated that the genetic diversity among three breeds was rich and the degree of genetic differentiation was high (Fst as 0.3240~0.5909). The genetic distance between Luxi black head sheep with Dorper was 0.1187, which reached the value between species; and that with small tail Han sheep was 0.0654, which reached the value between subspecies. The results provided data support for the breed identification of Luxi black head sheep.
KeywordsLuxi black head sheep; mtDNA; D-loop region; Genetic diversity; Genetic distance
鲁西黑头羊是利用杜泊羊作父本、小尾寒羊作母本,经过级进杂交、横交固定、继代选育和扩繁而培育形成的肉用绵羊新品种。该品种头颈部被毛黑色,体躯被毛白色,体格大、结构匀称、背腰平直、后躯丰满,肉用体型明显;6月龄公羔体重达到(45.75±3.70) kg,6月龄母羔体重达到(43.76±6.03) kg;平均产羔率220%,屠宰率55.1%,具有生长速度快、繁殖率高、耐粗饲、羊肉品质好等优良特性,颇受市场欢迎。
动物线粒体DNA(Mitochondrial DNA, mtDNA)是动物体内唯一的核外遗传物质,具有母系遗传的特征,结构简单稳定、进化速度较快,而且能直观保存群体突变的发生[1,2]。Fan等[3]对不同尾型的绵羊mtDNA基因组进行了测序,分析了不同尾型品种间的系统进化关系。Zhao等[4]利用mtDNA测序方法分析了中国绵羊品种的遗传多样性和品种间遗传变异情况。本研究拟通过对鲁西黑头羊、杜泊羊和小尾寒羊mtDNA D-loop区进行测序,分析它们的遗传多样性和遗传变异,计算鲁西黑头羊与其它两个品种间的遗传距离,以期为鲁西黑头羊的品种界定提供数据支持。
1材料与方法
1.1样品采集
选择健康的无亲缘关系的羊群,随机抽测杜泊羊8只、小尾寒羊10只(后期有1只样品不能用)、鲁西黑头羊10只,均为成年羊,公母各半。利用EDTA抗凝管颈静脉采血5 mL,-20℃保存备用。
1.2试验方法
1.2.1基因组DNA提取采用生工生物工程(上海)股份有限公司的EZUP柱式动物基因组DNA抽提试剂盒提取血液基因组DNA。-20℃保存。
1.2.2PCR扩增本试验所使用的D-loop区引物序列,F: 5′-AGCCCCACTATCAACACC-3′;R: 5′-AAATAGTTACCCCCACAGTTAG-3′。
PCR扩增反应体系为25 μL,反应体系为:10×PCR buffer 2.5 μL、dNTPs(2.5 mmol/L) 2 μL、正向引物和反向引物(10 μmol/L)各为1 μL、DNA(10 ng/μL) 模板为1 μL、Taq酶(2.5 U/μL)0.5 μL、ddH2O 补足总体积到25 μL。PCR扩增条件为:94℃预变性 5 min;94℃变性30 s,56℃退火 30 s,72℃ 延伸 30 s,30个循环;72℃延伸5 min,4℃保存。
1.2.3序列比对和分析PCR产物经1%琼脂糖凝胶电泳检测后,送生工生物工程(上海)股份有限公司纯化和测序,测序结果用ChromasPro(version 1.7.4)进行拼接,拼接好的序列在NCBI中进行Blast比对,确保得到的序列是目标序列;然后用Clustal X[5]进行多重比对,并对比对结果进行筛查与纠正;采用DnaSP v5(version 5.10.01)软件[6]计算各碱基组成、单倍型多样度(Hd)、核苷酸多样性(Pi)、平均核苷酸差异数(k)、种群间核苷酸平均差异数(Kxy)、核苷酸歧义度(Dxy)、遗传分化系数(Gst)和固定系数(Fst)等分子遗传学参数,并进行中性检验;采用MEGA 4.0软件[7],按照Kimura双参数法(two-parameter method)[8],计算种间和种内的平均遗传距离,采用邻接法(Neighbor-Joining)构建系统发育树,选用K2P替代模型,进行1 000次自举检验。
2结果与分析
2.1PCR扩增结果
以杜泊羊、小尾寒羊、鲁西黑头羊基因组DNA为模板对其D-loop区进行扩增,经电泳检测,条带与预期目标片段大小一致,随后进行纯化和测序。
2.2D-loop区序列碱基组成
测序结果经ChromasPro拼接后,除去引物部分,获得的D-loop区序列为735 bp,经在线Blast比较,证实所得序列为D-loop区片段。三个品种平均碱基含量见表1,G+C含量在35.1%~37.4%之间,A+T的含量明显高于G+C的含量,C含量最低,明显低于其它3种碱基的含量。
系统发生树(NJ 法)
3讨论与结论
线粒体基因组是母系遗传,基因进化速率较快,种群之间的遗传差异易被检出,线粒体基因组中的控制区D-loop区不编码基因,受到的选择压力较编码基因小,其进化速率是其他区段的5倍[9],因此常用于研究种及以下水平的遗传分化,以获得较多的遗传变异信息。四种碱基在线粒体基因组中的分布呈不均一性,本研究所测定的三个品种的D-loop序列,其T、C、A、G的平均含量分别为36.1%、13.1%、27.6%、23.1%,A+T含量(63.7%)高于G+C(36.3%),符合脊椎动物mtDNA碱基组成的特点。
物种的遗传变异反映了该物种适应环境变化能力的强弱,遗传变异程度越高,说明群体的多样性越丰富,对环境变化的适应能力也就越强;而低的遗传多样性对物种的生存有着不利影响,增加了物种灭绝的风险。根据Grant等[10]对线粒体DNA序列遗传变异的分类,三个品种都具有高的单倍型多样度(Hd>0.500)和高的核苷酸多样性指数(Pi>0.00500),说明这些群体遗传变异较为丰富,可产生许多新的突变,有较强的适应能力、生长能力和进化潜力。李祥龙等[11,12]和金红等[13]利用RFLP方法分析表明中国蒙古羊、小尾寒羊等家养绵羊品种线粒体DNA多态性比较贫乏;而本研究获得的三个品种的mtDNA D-loop区核苷酸多样度(Pi) 分别为0.04664、0.03886和0.04891,这些值均高于被认为线粒体DNA多态程度较低的范围(0.00150~0.00470)[14]。本研究所得核苷酸多样度结果与利用测序法研究绵羊mtDNA D-loop区的研究结果基本一致[15-18]。另外,三个品种拥有较高的单倍型多样度(平均值为0.9253),与成述儒等[19]的研究结果一致。就小尾寒羊这个品种而言,本研究计算所得单倍型多样度和核苷酸多样性指数与黄庆华等[20]报告的结果相近。中性检验显示这三个品种都未经历过群体扩张或瓶颈。
在群体遗传学研究中,遗传分化指数值常用来表示群体间的遗传分化程度,数值越大表明群体间分化程度越显著,Fst值在0~0.05之间说明群体间的遗传分化很小,在0.05~0.15之间说明群体间存在中等程度的遗传分化,在0.15~0.25之间说明群体间的遗传分化较大,Fst值大于0.25说明群体间的遗传分化很大。本研究中三个品种的Fst值在0.3240~0.5909之间,远大于0.25,说明群体间遗传分化程度较高。
根据Nei估算,同一物种内的种群间遗传距离变动在0~0.05之间;亚种间的遗传距离约为0.02~0.20;种间遗传距离的变幅为0.10~2.00之间。从三个品种的遗传距离来看,鲁西黑头羊与杜泊羊之间的遗传距离为0.1187,达到了种间的遗传距离,与小尾寒羊之间的遗传距离为0.0654,达到了亚种间的水平,这可能是由于育种过程中采用小尾寒羊作为母本,而线粒体基因又是母系遗传造成的。鲁西黑头羊以杜泊羊与小尾寒羊通过杂交选育和扩繁育成,经过10多年的育种,继承了杜泊羊的高产肉性能和小尾寒羊的高繁殖性能,遗传上已经达到了品种的要求。
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关键词:智能化;自动化控制;电气工程;理论;应用
中图分类号:TM76 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2013) 06-0223-01
一、智能化的理论基础分析
智能化技术主要体现在计算机技术上,精密传感技术,GPS定位技术的综合应用。产品的智能化能够大大改善操作者的作业环境,减轻了工作强度;提高了作业质量和工作效率;一些危险场合或重点施工应用得到解决;环保、节能;提高了机器的自动化程度及智能化水平等。
智能化技术的综合性很强,它的理论基础涵盖了信息论、控制学、仿生学、语言学、生物学、心理学、数理逻辑、医学、哲学等学科。智能化技术主要就是如何让没有意识的机器具备人工智能,能够通过一些程序指令而完成一些高危、难度大的工作。智能化技术的研究是与计算机技术的发展紧密联系的。
智能化技术在电气工程自动化控制中的应用在很早的时候就已经有实例了,具有适应性和可操作性,它的研究主要表现在:电气技术、信息的收集和分析处理。智能化技术运用于电气工程自动化控制,可以提高电气自动化控制的工作效率,降低成本投入,减少人力资源的投入,降低了作业人员的危险度。
二、智能化的特点和优势
(一)智能化的特点
第一,高精度高效化。在电气工程的自动化控制中,精度和效率是至关重要的,智能化技术采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统,使得电气工程的精度和效率越来越高。
第二,工艺复合性和多轴化。智能化技术的主要目的在于减少工序和辅助时间。智能化技术在电气工程上的运用正超着多轴多系统控制功能方向发展。
第三,科学的计算可视化。能够高效的处理数据和解释数据,信息的交流也不再局限于文字和语育的表达,有了更多的图形、图像、动画等可视信息。
(二)智能化的优势
将智能化技术运用于电气自动化控制中的主要表现就是智能化控制器,这种控制器的优势主要表现在:
第一,具有很强的一致性。智能化控制器一致性表现在可以对陌生的数据输入进行估计,同时驱动器对其造成的影响可以忽略不计。不同的控制对象会产生不同的效果,所以在初期的电气设备的设计时需要认真仔细的核对每一项。有时候会出现一些智能化控制器效果不佳的情况,这就需要从头开始排查每一个环节,找出错误,解决问题。
第二,可以提高电气自动化控制的性能。传统的电气自动化控制器是需要控制对象模型的,而智能化控制器却是不需要控制对象模型的,它可以自动的根据情况进行调整,譬如:调整下降的时间、鲁棒性等。智能化控制器的自动调整就可以提高自身的性能。
第三,更加容易调整控制。智能化控制器可以实现无人操作的机器自动化控制。另外,还有远程操作、高效化。
三、智能化技术在电气工程自动化控制中的应用
智能化技术运用于电气工程自动化控制中,主要表现在三个方面:
第一,在电气工程中的智能控制要通过什么样的手段来实现。
第二,电气产品的优化设计要如何实现。
第三,智能化技术如何运用到电气工程故障的诊断和维护上。
1.智能控制。从前文中就可以知道所谓智能就是实现无人的机器自动化控制管理,在电气工程中运用智能化技术,可以实现电气工程控制的无人化、自动化、远程化和高效化。实现电气工程的智能控制,可以降低成本,在人力资源的利用上也可以适当的减少或者是使人力资源结构得到优化配置,最大限度的利用人力资源。实现电气工程自动化控制的智能化,可以减轻目前的操作人员的压力,提高电气工程系统的安全性和可靠性。
2.优化设计。电气工程设备的设计是一项复杂艰辛的工作,运用到的专业知识很多,譬如:电磁场、电路、电机等学科。另外除了专业的知识外,还需要很丰富的实践经验。只有在专业知识和实践经验都扎实的情况下才能保证电气工程设备的设计能顺利完成。计算机技术的变革使电气工程设备的手动设计变成了CAD设计,这样就使得产品的生产周期缩短了,并且由此引发出了智能化技术。智能化技术的应用使得电气工程设备的设计以更高速度和质量实现。
在设备的优化方面,智能化技术的运用体现在遗传算法上,遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型,是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。遗传算法能够得到较精确的数据,可以使得电气工程设备的优化更加的合理。
3.故障诊断。在电气工程系统的运行中,不可能永远都是顺畅运行的,总是会出现一些故障和毛病。而很多时候,电气设备出现故障前会有预兆,但是预兆与故障之间却具有不确定、非线性的特点。将智能化技术运用于电气设备中,可以对电气设备出现的故障进行全面、准确的分析诊断。在电气设备中由于变压器的重要性,因此经常要对变压器进行检测和维修,减少电气设备出现故障的概率。运用智能化技术可以及时的将故障检测诊断出来,这样可以迅速的对故障采取相应的正确的办法来维修,促使电气系统能迅速的正常运行。
四、结束语
随着社会经济的发展,人们对各行各业的要求也越来越高。在电气工程方面主要体现在自动化的智能控制。电气工程的自动化控制的程度与电气工程的安全性和可靠息相关,市场激烈的竞争环境下,要求电气工程的自动化程度越来越高,这样才能不断的提高自身的性能,才能减少出现故障的几率,才能不断的满足人们的需求,提高市场竞争力。
智能化技术目前的应用已经非常广泛,在电气工程自动化控制中的运用已经有了成功的经验。智能化技术是一个涵盖了多种学科的技术,是一个综合的复杂的系统的技术。在其他各行各业中也应该不断的得到运用,促使整个社会的快速发展。
参考文献:
[1]耿英会.智能化技术在电气工程自动化控制中的应用[J].科技创新导报,2012,2.
[2]华树超,孙娜.基于电气工程自动化的智能化技术应用分析[J].科技创新与应用,2012,26.