基因组学概述精选(九篇)

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第1篇：基因组学概述范文

药物基因组学是伴随人类基因组学研究的迅猛发展而开辟的药物遗传学研究的新领域，主要阐明药物代谢、药物转运和药物靶分子的基因多态性及药物作用包括疗效和毒副作用之间关系的学科。

基因多态性是药物基因组学的研究基础。药物效应基因所编码的酶、受体、离子通道作为药物作用的靶，是药物基因组学研究的关键所在。基因多态性可通过药物代谢动力学和药物效应动力学改变来影响物的作用。

基因多态性对药代动力学的影响主要是通过相应编码的药物代谢酶及药物转运蛋白等的改变而影响药物的吸收、分布、转运、代谢和生物转化等方面。与物代谢有关的酶有很多，其中对细胞色素-P450家族与丁酰胆碱酯酶的研究较多。基因多态性对药效动力学的影响主要是受体蛋白编码基因的多态性使个体对药物敏感性发生差异。

苯二氮卓类药与基因多态性：咪唑安定由CYP3A代谢，不同个体对咪唑安定的清除率可有五倍的差异。地西泮是由CYP2C19和CYP2D6代谢，基因的差异在临床上可表现为用药后镇静时间的延长。

吸入与基因多态性：RYR1基因变异与MH密切相关，现在已知至少有23种不同的RYR1基因多态性与MH有关。氟烷性肝炎可能源于机体对在CYP2E1作用下产生的氟烷代谢产物的一种免疫反应。

神经肌肉阻滞药与基因多态性：丁酰胆碱酯酶是水解琥珀酰胆碱和美维库铵的酶，已发现该酶超过40种的基因多态性，其中最常见的是被称为非典型的（A）变异体，与用药后长时间窒息有关。

镇痛药物与基因多态性：μ-阿片受体是阿片类药的主要作用部位，常见的基因多态性是A118G和G2172T。可待因和曲马多通过CYP2D6代谢。此外，美沙酮的代谢还受CYP3A4的作用。儿茶酚O-甲基转移酶(COMT)基因与痛觉的产生有关。

局部与基因多态性：罗哌卡因主要由CYP1A2和CYP3A4代谢。CYP1A2的基因多态性主要是C734T和G2964A，可能影响药物代谢速度。

一直以来麻醉科医生较其它专业的医疗人员更能意识到不同个体对药物的反应存在差异。的药物基因组学研究将不仅更加合理的解释药效与不良反应的个体差异，更重要的是在用药前就可以根据病人的遗传特征选择最有效而副作用最小的药物种类和剂型，达到真正的个体化用药。

能够准确预测病人对麻醉及镇痛药物的反应，一直是广大麻醉科医生追求的目标之一。若能了解药物基因组学的基本原理，掌握用药的个体化原则，就有可能根据病人的不同基因组学特性合理用药，达到提高药效，降低毒性，防止不良反应的目的。本文对药物基因组学的基本概念和常用的药物基因组学研究进展进行综述。

一、概述

二十世纪60年代对临床麻醉过程中应用琥珀酰胆碱后长时间窒息、硫喷妥钠诱发卟啉症及恶性高热等的研究促进了药物遗传学（Pharmacogenetics）的形成和发展,可以说这门学科最早的研究就是从麻醉学开始的。

药物基因组学(Phamacogenomics)是伴随人类基因组学研究的迅猛发展而开辟的药物遗传学研究的新领域，主要阐明药物代谢、药物转运和药物靶分子的基因多态性及药物作用包括疗效和毒副作用之间的关系。它是以提高药物的疗效及安全性为目标，研究影响药物吸收、转运、代谢、消除等个体差异的基因特性，以及基因变异所致的不同病人对药物的不同反应，并由此开发新的药物和用药方法的科学。

1959年Vogel提出了“药物遗传学”,1997年Marshall提出“药物基因组学”。药物基因组学是药物遗传学的延伸和发展，两者的研究方法和范畴有颇多相似之处，都是研究基因的遗传变异与药物反应关系的学科。但药物遗传学主要集中于研究单基因变异，特别是药物代谢酶基因变异对药物作用的影响；而药物基因组学除覆盖药物遗传学研究范畴外，还包括与药物反应有关的所有遗传学标志，药物代谢靶受体或疾病发生链上诸多环节，所以研究领域更为广泛[1,2,3]。

二、基本概念

1．分子生物学基本概念

基因是一个遗传密码单位，由位于一条染色体(即一条长DNA分子和与其相关的蛋白)上特定位置的一段DNA序列组成。等位基因是位于染色体单一基因座位上的、两种或两种以上不同形式基因中的一种。人类基因或等位基因变异最常见的类型是单核苷酸多态性(single-nucleotidepolymorphism,SNP)。目前为止，已经鉴定出13000000多种SNPs。突变和多态性常可互换使用，但一般来说，突变是指低于1%的群体发生的变异，而多态性是高于1%的群体发生的变异。

2．基因多态性的命名法：

(1)数字前面的字母代表该基因座上最常见的核苷酸(即野生型)，而数字后的字母则代表突变的核苷酸。例如：μ阿片受体基因A118G指的是在118碱基对上的腺嘌呤核苷酸(A)被鸟嘌呤核苷酸(G)取代，也可写成118A/G或118A>G。

(2)对于单个基因密码子导致氨基酸转换的多态性编码也可以用相互转换的氨基酸的来标记。例如：丁酰胆碱酯酶基因多态性Asp70Gly是指此蛋白质中第70个氨基酸－甘氨酸被天冬氨酸取代。

三、药物基因组学的研究内容

基因多态性是药物基因组学的研究基础。药物效应基因所编码的酶、受体、离子通道及基因本身作为药物作用的靶，是药物基因组学研究的关键所在。这些基因编码蛋白大致可分为三大类:药物代谢酶、药物作用靶点、药物转运蛋白等。其中研究最为深入的是物与药物代谢酶CYP45O酶系基因多态性的相关性[1,2,3]。

基因多态性可通过药物代谢动力学和药物效应动力学改变来影响药物作用，对于临床较常用的、治疗剂量范围较窄的、替代药物较少的物尤其需引起临床重视。

（一）基因多态性对药物代谢动力学的影响

基因多态性对药物代谢动力学的影响主要是通过相应编码的药物代谢酶及药物转运蛋白等的改变而影响药物的吸收、分布、转运、代谢和生物转化等方面[3,4,5,6]。

1、药物代谢酶

与物代谢有关的酶有很多，其中对细胞色素-P450家族与丁酰胆碱酯酶的研究较多。

（1）细胞色素P-450（CYP45O）

物绝大部分在肝脏进行生物转化，参与反应的主要酶类是由一个庞大基因家族编码控制的细胞色素P450的氧化酶系统，其主要成分是细胞色素P-450（CYP45O）。CYP45O组成复杂，受基因多态性影响，称为CYP45O基因超家族。1993年Nelson等制定出能反应CYP45O基因超家族内的进化关系的统一命名法：凡CYP45O基因表达的P450酶系的氨基酸同源性大于40%的视为同一家族（Family），以CYP后标阿拉伯数字表示，如CYP2；氨基酸同源性大于55%为同一亚族（Subfamily），在家族表达后面加一大写字母，如CYP2D；每一亚族中的单个变化则在表达式后加上一个阿拉伯数字，如CYP

2D6。

（2）丁酰胆碱酯酶

麻醉过程中常用短效肌松剂美维库铵和琥珀酰胆碱，其作用时限依赖于水解速度。血浆中丁酰胆碱酯酶(假性胆碱酯酶)是水解这两种药物的酶，它的基因变异会使肌肉麻痹持续时间在个体间出现显著差异。

2、药物转运蛋白的多态性

转运蛋白控制药物的摄取、分布和排除。P-糖蛋白参与很多药物的能量依赖性跨膜转运，包括一些止吐药、镇痛药和抗心律失常药等。P-糖蛋白由多药耐药基因（MDR1）编码。不同个体间P-糖蛋白的表达差别明显，MDR1基因的数种SNPs已经被证实，但其对临床麻醉的意义还不清楚。

（二）基因多态性对药物效应动力学的影响

物的受体（药物靶点）蛋白编码基因的多态性有可能引起个体对许多药物敏感性的差异，产生不同的药物效应和毒性反应[7,8]。

1、蓝尼定受体-1（Ryanodinereceptor-1，RYR1）

蓝尼定受体-1是一种骨骼肌的钙离子通道蛋白，参与骨骼肌的收缩过程。恶性高热（malignanthyperthermia,MH）是一种具有家族遗传性的、由于RYR1基因异常而导致RYR1存在缺陷的亚临床肌肉病，在挥发性吸入和琥珀酰胆碱的触发下可以出现骨骼肌异常高代谢状态，以至导致患者死亡。

2、阿片受体

μ-阿片受体由OPRM1基因编码，是临床使用的大部分阿片类药物的主要作用位点。OPRM1基因的多态性在启动子、内含子和编码区均有发生，可引起受体蛋白的改变。吗啡和其它阿片类药物与μ-受体结合而产生镇痛、镇静及呼吸抑制。不同个体之间μ-阿片受体基因的表达水平有差异，对疼痛刺激的反应也有差异，对阿片药物的反应也不同。

3、GABAA和NMDA受体

γ-氨基丁酸A型（GABAA）受体是递质门控离子通道，能够调节多种物的效应。GABAA受体的亚单位（α、β、γ、δ、ε和θ）的编码基因存在多态性（尤其α和β），可能与孤独症、酒精依赖、癫痫及精神分裂症有关，但尚未见与物敏感性有关的报道。N-甲基-D-天门冬氨酸（NMDA）受体的多态性也有报道，但尚未发现与之相关的疾病。

（三）基因多态性对其它调节因子的影响

有些蛋白既不是药物作用的直接靶点，也不影响药代和药效动力学，但其编码基因的多态性在某些特定情况下会改变个体对药物的反应。例如，载脂蛋白E基因的遗传多态性可以影响羟甲基戊二酸单酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂（他汀类药物）的治疗反应。鲜红色头发的出现几乎都是黑皮质素-1受体（MC1R）基因突变的结果。MC1R基因敲除的老鼠对的需求量增加。先天红发妇女对地氟醚的需要量增加，热痛敏上升而局麻效力减弱。

四、苯二氮卓类药与基因多态性

大多数苯二氮卓类药经肝脏CYP45O代谢形成极性代谢物，由胆汁或尿液排出。常用的苯二氮卓类药物咪唑安定就是由CYP3A代谢，其代谢产物主要是1-羟基咪唑安定，其次是4-羟基咪唑安定。在体实验显示不同个体咪唑安定的清除率可有五倍的差异。

地西泮是另一种常用的苯二氮卓类镇静药，由CYP2C19和CYP2D6代谢。细胞色素CYP2C19的G681A多态性中A等位基因纯合子个体与正常等位基因G纯合子个体相比，地西泮的半衰期延长4倍，可能是CYP2C19的代谢活性明显降低的原因。A等位基因杂合子个体对地西泮代谢的半衰期介于两者之间。这些基因的差异在临床上表现为地西泮用药后镇静或意识消失的时间延长[9,10]。

五、吸入与基因多态性

到目前为止，吸入的药物基因组学研究主要集中于寻找引起药物副反应的遗传方面的原因，其中研究最多的是MH。药物基因组学研究发现RYR1基因变异与MH密切相关，现在已知至少有23种不同的RYR1基因多态性与MH有关。

与MH不同，氟烷性肝炎可能源于机体对在CYP2E1作用下产生的氟烷代谢产物的一种免疫反应，但其发生机制还不十分清楚[7,11]。

六、神经肌肉阻滞药与基因多态性

神经肌肉阻滞药如琥珀酰胆碱和美维库铵的作用与遗传因素密切相关。血浆中丁酰胆碱酯酶(假性胆碱酯酶)是一种水解这两种药物的酶，已发现该酶超过40种的基因多态性，其中最常见的是被称为非典型的（A）变异体，其第70位发生点突变而导致一个氨基酸的改变，与应用肌松剂后长时间窒息有关。如果丁酰胆碱酯酶Asp70Gly多态性杂合子(单个等位基因)表达，会导致胆碱酯酶活性降低，药物作用时间通常会延长3～8倍；而丁酰胆碱酯酶Asp70Gly多态性的纯合子(2个等位基因)表达则更加延长其恢复时间，比正常人增加60倍。法国的一项研究表明，应用多聚酶链反应（PCR）方法，16例发生过窒息延长的病人中13例被检测为A变异体阳性。预先了解丁酰胆碱酯酶基因型的改变，避免这些药物的应用可以缩短术后恢复时间和降低医疗费用[6,12]。

七、镇痛药物与基因多态性

μ-阿片受体是临床应用的阿片类药的主要作用部位。5%～10%的高加索人存在两种常见μ-阿片受体基因变异，即A118G和G2172T。A118G变异型使阿片药物的镇痛效力减弱。另一种阿片相关效应—瞳孔缩小，在118G携带者明显减弱。多态性还可影响阿片类药物的代谢。

阿片类药物的重要的代谢酶是CYP2D6。可待因通过CYP2D6转化为它的活性代谢产物－吗啡，从而发挥镇痛作用。对33名曾使用过曲马多的死者进行尸检发现，CYP2D6等位基因表达的数量与曲马多和O－和N－去甲基曲马多的血浆浓度比值密切相关，说明其代谢速度受CYP2D6多态性的影响。除CYP2D6外，美沙酮的代谢还受CYP3A4的作用。已证实CYP3A4在其它阿片类药如芬太尼、阿芬太尼和苏芬太尼的代谢方面也发挥重要作用。

有报道显示儿茶酚O-甲基转移酶(COMT)基因与痛觉的产生有关。COMT是儿茶酚胺代谢的重要介质，也是痛觉传导通路上肾上腺素能和多巴胺能神经的调控因子。研究证实Val158MetCOMT基因多态性可以使该酶的活性下降3～4倍。Zubieta等报道，G1947A多态性个体对实验性疼痛的耐受性较差，μ-阿片受体密度增加，内源性脑啡肽水平降低[13～16]。

八、局部与基因多态性

罗哌卡因是一种新型的酰胺类局麻药，有特有的S-(-)-S对应体，主要经肝脏代谢消除。罗哌卡因代谢产物3-OH-罗哌卡因由CYP1A2代谢生成，而4-OH-罗哌卡因、2-OH-罗哌卡因和2-6-pipecoloxylidide(PPX)则主要由CYP3A4代谢生成。CYP1A2的基因多态性主要是C734T和G2964A。Mendoza等对159例墨西哥人的DNA进行检测，发现CYP1A2基因的突变率为43%。Murayama等发现日本人中CYP1A2基因存在6种导致氨基酸替换的SNPs。这些发现可能对药物代谢动力学的研究、个体化用药具有重要意义[17,18,19]。

九、总结与

展望

第2篇：基因组学概述范文

关键词：普通小麦 （Triticum aestivum L.）；抽穗期；TaHd1；直向同源区

中图分类号：S512.1；S311；Q78 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）05-1031-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2015.05.002

Abstract： Heading date is one of the important agronomic traits affecting production safety of common wheat， and is also a complex trait controlled by interaction of multiple genes. In this paper， the aspects including gene controlling systems of heading date， the cloning and function of TaHd1（one of controlling loci of heading date）， genomic location of TaHd1， the prospects about microevolution among TaHd1 orthologous region were reviewed. It will provide some reference for studying the heading date and improving common wheat.

Key words： common wheat （Triticum aestivum L.）； heading date； TaHd1； orthologous region

抽穗期作为普通小麦（Triticum aestivum L.）的重要农艺性状之一，对普通小麦适应不同生态环境条件具有至关重要的作用，不但直接决定了普通小麦育成品种的推广范围与季节，而且对普通小麦品种的产量、品质、抗逆性等重要性状都有影响[1]。对于普通小麦野生近缘植物来说，抽穗开花期是与其栖息地的生态地理条件相适应的。从野生状态的生态地理条件适应性到不同农业生态环境条件的广泛适应性表明，普通小麦起源、演化过程中抽穗期这一性状经历了严格的驯化选择[2]。

近年来，严重影响小麦生产的各种不良灾害性天气如倒春寒、暖冬、干热风等频繁出现。为了小麦生产安全，迫切需要根据新的气候变化趋势，通过遗传改良来调整小麦的抽穗开花期，使其与光、温等环境因子变化密切协调，从而使小麦适应新的气候条件，提高稳产性[3]。因此，开展小麦抽穗期相关基因的研究是小麦生产上十分重要的任务，该研究将为小麦生态育种奠定良好的基础[4]。本文对近年来小麦抽穗期基因控制系统中关键成员之一 ――TaHd1基因的研究进展进行了概述，并对其相关研究发展趋势进行了展望。

1 植物抽穗开花的基因控制系统

对双子叶植物拟南芥的研究表明，对其开花的控制有4种途径：光周期途径、春化途径、自主途径（固有早熟性）和赤霉素（GA）途径，其中一个途径受阻将会影响开花时间，但不会完全阻止发育转换[5，6]。与双子叶植物相类似，普通小麦抽穗期也受多基因系统的协调互作控制，从对环境信号反应的差异来看，可将这些基因分为三大类[1]：春化基因（Vrn）、光周期基因（Ppd）和早熟性基因（Eps），其中春化基因和光周期基因的定位及作用机理研究比较深入，已经从拟南芥、水稻、大麦、普通小麦等植物中克隆了约40个相关基因[7]。拟南芥中光周期控制途径已基本阐明，该途径由叶片中的光敏色素（即光受体）感受昼夜长短和光的强弱等光信号开始，产生昼夜节律，昼夜节律基因[8-10]（TOC1、CCA1、ZTL、LUX、ELF3、FKF1、LHY、LKP2等）感受昼夜变化而引起自身表达量的变化，该变化被GI和CDF1捕获，进而激活了叶片中的CONSTANS（CO）基因，当CO表达量超过特定临界值时， FT（FLOWERINGLOCUST）的表达被激活，进而启动抽薹开花过程[11，12]。由此可见，光周期控制通路中的CO基因（短日照的水稻中直向同源基因为Hd1[13]）是光周期信号传递过程中的关键基因之一[14]，本文主要概述了CO/Hd1基因在普通小麦中的研究进展及展望。

2 普通小麦抽穗期控制基因TaHd1的克隆及其功能

Nemoto等[15]根据CO/Hd1基因的高度保守序列，在普通小麦中克隆到Hd1的直向同源基因有TaHd1-A、TaHd1-B、TaHd1-D。TaHd1具有与水稻Hd1高度相似的结构，均包含锌指基序和CCT结构域。用中国春的基因组DN段（含TaHd1-A）对粳稻日本晴Hd1没有功能的近等基因系植株进行转化，结果表明，T2代中含有TaHd1-A的转基因植株比转化前的近等基因系植株在短日照条件下抽穗期提早了约10 d，在长日照条件下推迟了约25 d。可见，TaHd1-A能够对水稻中Hd1的功能进行互补。从CO/Hd1在光周期途径中所处的位置看，其有双重功能，即短日照植物（如水稻）中在短日照条件下促进植株的抽穗开花，长日照植物（如拟南芥）中在长日照条件下促进植株抽穗开花[2，13，16]。但在普通小麦中由于没有合适的突变体，至今未见有关TaHd1-A基因在普通小麦中对抽穗期影响的报道。

TaHd1-B在启动子区因存在63 bp的缺失而不能转录，但编码区结构正常；TaHd1-D的mRNA具有与TaHd1-A相同的结构，显然，普通小麦基因组中3个TaHd1基因至少2个有潜在功能。多倍体中经常是冗余基因发生假基因化，进而降低基因剂量效应对生物体正常生长发育的影响，但异源六倍体普通小麦中TaHd1基因位点3个拷贝结构都正常，而且至少有2个拷贝具有功能，说明该基因对普通小麦生长发育十分重要，除了参与光周期反应外，可能还参与调控其他重要性状，如在水稻中就发现了一个同时影响抽穗期、株高、每穗粒数的QTL[17]。

3 普通小麦抽穗期控制基因TaHd1的基因组定位

TaHd1的3个基因都位于普通小麦基因组第六染色体同源群的长臂上。水稻的第六染色体与小麦族植物的第七染色体间有共线性，水稻中Hd1位于第六染色体的短臂上，而且Hd1两侧RFLP标记Xrz588、Xcdo17均位于小麦族的第七染色体同源群上。由此可见，现在位于普通小麦第六染色体同源群的TaHd1应是由于进化历史上普通小麦染色体重排过程中发生了易位所致[15]。前人的研究也证实，小麦族基因组中该染色体区域在进化过程中发生过高度重排。与水稻相比，高粱中Hd1直向同源区发生过包括基因易位、基因附加等在内的微重排[6，15]。

综上所述，迄今关于普通小麦抽穗期TaHd1这一重要农艺性状位点已经围绕基因定位、基因克隆、基因功能等进行了深入研究，但也留下了许多亟待解决的问题，如TaHd1的可能属于功能冗余的3个同源基因是如何选择性保留的；如果并非属于功能冗余基因，是否存在一因多效效应或该区段是否为含有几个重要农艺性状基因的基因密集区；该效应是否受到TaHd1在普通小麦进化过程中发生的染色体重排的影响；影响该位点染色体重排的机理何在，是否由于该位点周围存在导致染色体重排的已知遗传元件或新的遗传元件等等。

4 普通小麦及其近缘属中TaHd1位点的研究展望

利用亲缘关系较近的多个物种进行直向同源区序列比较研究是揭开基因组区段进化机制的重要手段[18，19]。笔者及合作者前期开展了稻属多个重要农艺性状基因（如MOC1，Adh1，Shattering4和Hd1等）直向同源区比较研究，发现多倍体中及二倍体发生基因串联复制的基因组区段中，常常出现冗余基因由于编码区小的插入/缺失或编码密码子突变为终止密码子而导致的假基因化[20，21]；稻属AA基因组中有4个（18、19、21、28）新基因可能通过denovo机制形成[21]；在稻属中还发现有基因组片段移动现象，但在该同源区及其侧翼区没有发现目前已知的能介导基因移动的Pack-MULE、逆转座子、Helitron等元件，暗示其移动机制有新的未知形式[21]；直向同源区存在基因共线性，共线性程度差异具有种属特异性，该特异性与LTR型逆转座子活动有关，转座子是影响基因组大小、基因密度、特定基因组变异的主要因素[21-23]。此外，四倍体硬粒小麦A、B基因组中含醇溶蛋白基因、较低的相对分子质量麦谷蛋白基因区的序列的比较研究也证明，逆转座子的快速扩增、基因移动、多轮的区段复制是造成该位点进化快、组织结构复杂、共线性较差的主要原因[24]。因此，亲缘关系较近的不同物种中直向同源区的微共线性研究可以使人们从较长DNA区段上了解物种进化、基因组内在结构及其形成机制、直向同源基因的内部结构和组织，而同一物种类型的栽培种与近缘野生种之间的直向同源区序列比较分析，则提供了物种进化和驯化过程中DNA水平信息[22]。可见，对于小麦TaHd1位点来说，开展序列水平的基因组直向同源区比较研究是解决上述问题的关键。

小麦属及其近缘属中蕴含了丰富的优异基因，是拓宽普通小麦育种亲本遗传基础、进行普通小麦遗传改良的宝贵基因库[25]。小麦属及其近缘属中有二倍体（AB）、四倍体（AABB、AAGG）、六倍体（AABBDD）等不同的基因组类型，各类型中又存在野生种、原始种及栽培种等亚类，是研究普通小麦起源、演化的良好系统[26，27]。但由于小麦属中多数植物基因组巨大，重复序列含量很高，普通小麦至今没有完成全基因组测序。

以BAC载体为工具构建的一系列普通小麦及其近缘种的基因组DNA大片段插入文库，为研究普通小麦基因组区段进化提供了良好的平台，是进入普通小麦及其近缘植物全基因组水平研究前的必然选择[28]。第二代高通量测序仪的出现及其越来越广泛的应用[29，30]，为进行多物种、大片段基因组DNA同源区序列测定提供了价低、质优的便利条件。但对于没有完成近缘种全基因组测序、重复序列含量又高的普通小麦及其近缘种来说，单独应用二代测序技术在序列组装时存在一定困难。2013年由中国科学家公布的小麦A、D基因组草图序列为开展小麦基因组区段进化研究提供了宝贵的参考序列，但由于是序列框架图阶段，序列中Gap很多，难以满足同源区序列分析要求[26，27]。2012年英国、美国等科学家完成了普通小麦中国春基因组草图测序[31]，但是笔者用多个重要农艺性状基因（抽穗期基因TaHd1、矮秆基因Rht1、条锈病抗病基因Yr10等）序列在该基因组数据库中比对搜索结果表明，比对在显著水平（BlastN，1e-10）以上的基因组组装序列都比较短（

上述国内外研究现状说明，普通小麦TaHd1、水稻Hd1等许多控制抽穗开花的基因均已被定位、克隆，并进行了功能研究；已对稻属中Hd1、MOC1、Adh1等位点直向同源区及四倍体硬粒小麦A、B基因组中醇溶蛋白基因、较低的相对分子质量麦谷蛋白基因同源区进行了系统深入研究。但普通小麦及其近缘种中TaHd1区域比较研究还未见报道，需要开展深入研究。

另外，从测序手段来看，已报道的几个位点同源区序列比较研究中测序采用的都是传统Sanger测序法，测序成本较高，而采用二代测序和Sanger测序相结合的方法进行同源区序列测定目前还未见报道。因此，采用二代高通量测序与传统测序技术相结合的方法，对普通小麦及其近缘种A、B、D基因组中重要农艺性状位点TaHd1区域进行比较研究，面临重大机遇，研究将为阐明普通小麦及其近缘种中TaHd1区域基因组区段进化机制、基因及转座子进化机制等重要生物学问题提供深层次理解，也将为普通小麦野生近缘植物中优异基因的发掘与利用提供有价值的参考。

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第3篇：基因组学概述范文

摘要：从方证相关基本理论、客观化规范化、分子生物学水平、交叉学科理论与方法等方面对方证的现代研究进行了简要综述。认为方证研究取得了很大进展，尤其与复杂系统理论结合有望取得突破性进展，并由此可以加快中医现代化的进程。

关键词：中医方证； 基本理论； 分子生物学； 客观化； 规范化

辨证论治是中医诊疗疾病的基本方法和原则，在辨证论治的理、法、方、药这个体系中，方证占据着核心地位。方证研究一直都是中医发展的重要命题，并且已经积累了大量知识。随着对中医研究的深入和现代科学理论和技术的日益发展，近年来方证研究取得了很大进展。现作一简要综述。

1 方证相关基本理论

1.1 方证对应 《伤寒论》第317条曰：“病皆与方相应者，乃服之”。《伤寒论》第149条“伤寒五六日，呕而发热者，柴胡证具，而以他药下之，柴胡证仍在者，复与柴胡汤…… ”。唐・孙思邈在《千金翼方》中对《伤寒论》病脉证并治体系进行了整理，采用“方证同条，比类相附”的方法，建立了方证对应的“方证”体系。到清代柯琴“以方名证”思想和日本汉方医家吉益东洞“方证相对说”［1］，说明方证相应理论在中医学历史上影响深远。方证相应说也为现代许多医家所推崇，现代名医胡希恕［2］也认为，临证有无疗效，决定于方证对应与否。著名医家邓铁涛［3］说：“证变则方亦随之变，证不变则效不更方。当然若对慢性病，服药时间较长，根据患者的证情，加减一二味，亦每每有好处，但治疗之大原则未变。”现代研究对方证对应的认识有：方证相应指的就是一个方剂的功效和方剂内的药味及其配伍关系与其所对应的“证”之间存在着高度的统一性和针对性，亦即解决问题的方法“方”与矛盾问题“证”之间的高度一致性［4］。方证对应是方剂与主证相对应；方证对应指证不变方亦不变，方随证变，随证加减 ；方证对应是方证间病势、病位、病情、病性相对应；方证对应是一个动态对应；方证对应中方剂是有证而为，无证而不为；方证对应可以是一方多证［5］。

1.2 方证从化学说及其研究 方证从化学说包括［6］：所谓“从方化证”即指“方”对“证”的授予、攻击作用过程；所谓“从证化方”即“证”对“方”的亲和选择作用过程。在方证这种“耦合过程”中，方证以互为主客体的“主体选择”和“引导”，构成不可分割的互溶、互化的交互关系。把一个辨证论治过程的对应方证，分解为从化前的“方证对应”，从化中的“方证耦合”和从化后的“方证符合”三个阶段，进行多元、多级化“方”“证”互补式的阶段研究，从而提出了“方药有效实体 成分组合模”的概念。一方可以多“模”，一“模”可以多方。方证从化学说理论框架的形成，无疑对阐明理法方药各个环节的内涵，提供了新的突破口［7］。又有研究认为［8］方证从化学说与受体学说有一致之处，中药有效成分在体内的分布是药物归经理论的重要依据。同一处方，施之于同一病人，应用时间有先后，其通过机体及证所授受的有效成分就不同；更由于证的从化递减，造成了方药的利用率的必然下降，形成了方变；同一个病证的不同患者，用同一方剂治疗也会发生同样的问题。

2 方证相关的客观化规范化研究

方证的客观化规范化研究也是现代中医研究的一个重点和难点，虽然研究起来有些困难，但近年来也取得了一些成就。如在妇科研究中发现［9］，活血化淤法对妇科血淤证的治疗作用可能是通过以下诸多方面来实现的：雌激素相关作用；改善血液流变学的主要指标，消除血液浓、黏、聚的状态，改善子宫微循环；调节凝血系统、纤溶系统功能；保护血管内皮细胞及其功能等。又如杨丁友等［10］研究显示冠心病心虚证患者血小板明显活化，血小板活化标志物CD62P 及CD63 表达明显较健康对照组增强(P

3 方证相关的分子生物学研究

分子生物学是生命科学的带头学科，应用分子生物学理论和技术在中医方证研究中也取得了一些进展。

3.1 对中药复方的研究应用分子生物学技术对中药复方的分子机理进行了探讨。如用细胞培养的方法研究发现［13］ ：复方补益剂(四君子汤、四物汤、八珍汤、十全大补汤)对细胞生长均有显著促进作用，而且不同补益剂对同种细胞的促生长作用明显不同，同种补益剂对不同细胞或同种细胞的不同生长时期作用也不完全相同。贺双腾等［14］运用Northern杂交检测到加入补肾醒脑解毒复方中药煎液后，感染神经元NGF和BDNF表达较正常海马神经元明显提高并且能持续增加，维持潜伏感染神经元存活达10周以上。凌云彪等［15］利用核素掺入试验、流式细胞术观察到通过两种不同途径制备的中药复方“肝纤方”可以抑制大鼠肝星状细胞(HSC)的增殖及其胶原合成量。孙饶鸿等［16］采用流式细胞技术发现消瘤饮(根据益气解毒抗癌的原则组成的中药治疗肿瘤方剂)具有明显的抑瘤作用，可促使bax基因表达，诱导肿瘤细胞凋亡。

3.2 对证的研究 蛋白质是人体功能表现的物质载体。当内外环境变化时，人体“应变系统”产生各种应变活动，包括各种症状表现，这些反应实质上是人体蛋白质正常或异常功能的宏观表现形式。证的初始内涵其实为各种症状归纳、综合而来，这些症状集中体现了证的功能性［17］。21世纪的生命科学将由人类基因组计划和后基因组时代、蛋白组计划、生物信息学、生命科学数字化等部分组成［18］。1990年人类基因组计划（HGP）开始启动，预计将在2005年以前完成人类基因组全部序列的测定，认识人类全部基因编码及功能［19］。所以理论和技术上蛋白质组学都可以用来研究"证"。如有实验利用基因芯片技术研究心梗后心衰心气虚证大鼠模型心脏梗塞区能量代谢功能基因表达谱的特征［20］。

3.3 对方证的研究中国的人类基因计划自1993年开始，1999年正式启动以来，已取得了显著成绩［21］。杨焕明在199101的中医学与基因组学术会上指出，弘扬具有特色的中医药，尤其是在已知中医疗效功能的基础上反推基因功能组，如“哮喘中药”的基因表达谱，利用人类基因组多样性探寻证的“遗传标记”，探讨“养生祛病”来修饰、改善基因功能的机理等［22］。王米渠等对中医“恐伤肾”与补肾药在基因水平作了研究［23］，首先用SMART技术逆转录扩增，以分别获得各组同一只小鼠造模前后的血液总cDNA；通过抑制消减杂交(SSH)方法获得各实验组造模前后差异表达基因SSH 图谱。结果显示，造模肾虚组小鼠与药物治疗组同对照组的基因表达有较大差异，从所得到的l0个基因图谱，可以初步理解与肾虚证可能相关的基因，补肾药物治疗组在基因图谱与造模组的差异，显示补肾药治疗对基因表达的影响。

4 方证研究的新理论

4.1 熵理论与方证研究“熵”是19世纪60年代德国物理学家克劳修斯作为热力学的概念提出来的。爱因斯坦(A．Einstein)将熵理论在科学中的地位概述为：“熵理论对于整个科学来说是第一大法则。” 熵方法在自然科学和社会科学的研究中已经被广泛应用，它对具有随机性、多维数性、多关系性、多判据性以及定性描述多于定量描述等特点的因素处理具有信息全面、可靠性高、能进行定量比较等优点。研究证候与方剂的相关性，涉及到的信息也具有随机性、多维数性、多关系性、多判据性等特点。对于这么复杂的信息，可以尝试用熵理论分析。杨洪军等［24］对中风病证候进行了长期研究，积累了丰富的中风病中医证候学研究资料，量化标准基本成熟，因此，他们在病的框架内研究证、熵、方三者相关联的科学规律。研究思路分为三个步骤，第一，收集证候、中风病、方剂的临床信息，建立数据库；第二，基于熵方法的证候、中风病、方剂综合演化模型的建立；第三，证候、中风病、方剂三者相关科学规律的提取。以中风这样一个具体的疾病为模型，进行相关问题的探讨，证实熵理论是研究证侯与方剂的相关性的一个有效的理论工具。

4.2 复杂系统理论与方证研究复杂系统理论是21世纪最具有生命力的科学之一。耗散结构理论、协同论、混沌理论、人工神经网络和混沌同步与控制理论在复杂系统理论发展历史中都起了重要作用［25］。开放的复杂巨系统的研究方法其实就是把大量定性认识、点滴知识、专家意见汇集成一个整体结构，从不完整到完整的定性，完成从定性到定量的飞跃［26］，通过大量积累，达到更高层次的认识和飞跃。辨证论治理法方药一致是中医治疗的根本，既然临床用方(药)离不开证，那么方证之间就会存在一种特殊的对应关系 。从科学发展及临床治疗要求来看，中医学的确需要构筑一种全新的方证论治体系。这个体系应是从宏观到微观，从抽象到具体，从定性到定量，从模糊到精确的辨证论治体系。这一要求，与复杂巨系统所特有的科学理论、专家经验(历代医家的临床有效治疗)和定量分析方法不谋而合［27］。复杂系统理论将会破解中医方证体系中目前尚未可知的系统。著名的复杂系统研究者、遗传算法的发明人霍兰教授认为，许多的复杂系统存在着杠杆支点一个小的输入会产生巨大的、可预期的直接变化，它提供我们改变系统行为的机会［28］。本项目组王建红等从肾阳虚引起下丘脑垂体性腺轴生殖内分泌功能改变入手，将典型方剂与证候右归丸与肾阳虚证联系起来，建立方证系统的动态模型，观察右归丸对肾阳虚时下丘脑垂体性腺轴生殖内分泌功能的影响，在这个动态模型中，分析中药复方中各组成药物在调整病证机体中的相互作用与地位，发现配伍规律，优化配方；又借助中药的信息载体作用，获得肾阳虚证本质的认识，通过“证”解析“方”，又通过“方”解析“证”，建立了中医方证研究的新方法。

5 小结

方证是中医辨证体系的核心问题，从古至今都是医家比较重视的理论。在现代科学理论和技术日新月异的时代背景下，方证研究取得了很大进步。方证相关性研究的基本理论在不断发展完善；随着现代医学的进步，在客观化规范化研究方面取得的成绩，使中医的方证更加具体明确，也丰富了中医辨证论治的内容；分子生物学理论和技术的日益进步使方证和生命科学更加有效地结合、促使尽快实现中医现代化；熵理论、复杂系统理论等理论的成熟将会为中医方证研究提供新的方法论的指导，揭示其深层次的科学内涵。以方证这样一个有着长期积累和深厚理论基础、有希望在新的条件下取得突破性进展的中医基本问题进行深入的研究，将会加速中医药的发展和创新，为中医药现代化打开一个崭新的局面。

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第4篇：基因组学概述范文

关键词：高通量测序：序列比对；序列作图；序列比对工具

中图分类号：Q-31

文献标识码：A

文章编号：1007-7847（2014）05-0458-07

以Roche/454焦磷酸测序（2005年）、lllumina/Solexa聚合酶合成测序（2006年）和ABI/SOLiD连接酶测序（2007年）技术为代表的第二代测序技术与Sanger测序相比，共有的突出特征是单次运行产出序列数据量大，故而又被通称为高通量测序技术。高通量测序技术大大降低了测序的时问和成本，因而得到了广泛应用。但随之而来的短序列（short read）为基因数据分析带来了新挑战。目前对短序列一个常用的分析方法则是将已有基因组序列作为参考基因序列（reference），将短序列与参考基因序列进行序列比对，并在参考基因序列上进行定位，这个过程称为mapping。序列比对是基冈数据分析最基本的手段，对其进行研究具有重要意义。

1 高通量测序概述

1.1 测序分类

大规模、低成本、快速的高通量测序技术被广泛应用于生物研究的各个方面，当前主流的测序分为：1）基因组学的全基因组de novo测序、全基因组重测序、外显子&目标区域测序、简化基因组测序；2）转录组学的转录组测序、数字基因表达谱、小RNAs测序、降解组测序和长链非编码BNA洲序；3）表观基囚组学的全基因组Bisulfile甲基化测序、RRBS、MeDIP测序等。

1.2 测序数据类型

现在比较常见的测序方式有：single -read、paired-end、Mate-pair、color-space。1）Single-read即为单末端测序，在测序前先将DNA样本进行片段化处理形成200～500 hp的片段，且将引物序列连接到DN段的一端，然后末端加上接头。这种方法较简单，但是它只有一端有拼接信息，不利于拼装；2）Paired-end称为双末端测序或配对末端测序，它是指在构建待测DNA文库时，在基因片段的两端都加上测序引物结合位点再进行测序。双末端测序是在片段两端都加上接头，在序列拼装的时候更容易定位片段；3）Male-pair也属于双末端测序，与paired-end不同的是它将基因随机打成特定为2～10 kb的片段，然后经末端修复，生物素标记和环化等实验步骤后.再把环化后的片段打断成400～600 bp的片段并标记测序。因为经过了环化步骤，Mate-pair比paired-end方式测得的序列片段更长，从而可以将基因序列中大量的repeat包含在内，减少拼接难度；4）Color-space read是ABI公司的SOLiD测序仪检测出的read，SOLiD可以同时检测两个相邻的碱基，并利用颜色空间的4种不同的颜色对两个碱基编码。对于这种编码方式，只要知道颜色编码对应的序列上任何一个位置的碱基类型，就可以将颜色编码解码为原来的碱基序列，图l为颜色编码过程。

2 序列比对方法

对于百万条甚至上亿条短序列在reference上的定位，传统的动态规划算法不能满足我们的要求。为了加快序列比对的速度，应用启发式算法是必然趋势。同前，绝大多数的启发式算法都是通过建立索引加快比对速度。建立索引就是用一个辅助的数据结构存储待比对序列，这种数据结构能够将序列中符合一定规则的子序列凸显出来。常用的数据结构有哈希表和后缀树两种。

2.1 基于种子的哈希表索引方法

这种方法多用于数据库搜索或read在参考序列上的mapplng，以哈希表形式建立序列的索引，这类算法的代表软件是SSAHA，基于种子的哈希表方法具体步骤：

第一步，建立哈希表。

DNA序列由A、C、T、G四种脱氧核苷酸组成，长度为k的连续片段也就是“种子”有4K种可能将4K种子存放在哈希表中，我们用一个公式将所有种子唯一标识，将4个碱基的值f（x）转换为二进制数据表示，只占用2 Bit的内存。

第二步，将数据库中的序列与哈希表关联

设一个含有n条DNA序列的数据库D={S1，S2，…，Sn}，将数据库中的每条序列分解连续种子w，其长度k=5，从头开始每次偏移一位直到序列结束，那么长度为l的序列有（l-k+1）个种子。并将每一个“种子”所在的序列，N（N=l，2，…，n）和在序列中的顺序号L （L=1，2，…，l）在对应的哈希表中的“种子”以二维数组方式记录下来（N，L）。将S1

第三步，查询序列Q也分解成长度为k的种子并计算其标识号，在哈希表中找到数据库中与之匹配的所有位置。

为了让算法更高效，算法在各个方面进行了改进：1）“种子”长度，允许错配和indel的数量等因素直接影响比对结果的准确性、敏感度、时间和空间花费等指标，所以研究者们一直致力于对“种子”形式和选择的改进中。Blastn、Blat、SOAP、SeqMap、MAQ、SHRiMP使用不同的种子模型，如空位种子、空位种子组（同时使用多个种子模型）等；2）-些软件如MAQ、RMAP、SeqMap、ZOOM等将reads序列建立索引，而一些软件将参考序列数据库建立索引；3）设置阈值F将哈希表中出现频率低于F的“种子”删去。

2.2 基于前/后缀树的索引方法

后缀树是一种重要的数据结构，AVID、MUMmer、MUMmer等序列比对算法都是基于后缀树的这个结构，但与两序列相似性比对时用于寻找最大公共子序列不同，read在参考序列中mapping时，是将read或其子序列在按序排列的所有后缀中一一比对找到匹配位置。算法VCAKE、SSAKE、SHARCGS、BWA-SW应用前缀树数据结构，它将序列所有的前缀用树的结构表示，原理与后缀树相同。如图3所示为序列S=GATGAC的前缀树和前缀DAWG （DirectedAcyclic Word Graph，有向无环词图）。

由于后缀树结构在比对大型序列时，空间占用比较大，Abouelhoda等改进了Manber和My-ers提出的后缀树存储方法，称为增强后缀数组来提高空间利用率。Ferragina和Manzini提出的FM （full-text minute-space）-indexc是一种基于BWT （burrows-wheeler transform）的全文本压缩索引结构，利用BWT矩阵与后缀树之间的关系压缩后缀数组和索引，减少内存占用率。

第一步，BWT矩阵T设序列S以“$”为结束符号，轮换列出序列S所有的后缀记为数组M，然后将数组M的每行按照字母顺序排序得到BWT矩阵T；

第二步，矩阵T中第i行在矩阵M中的行号（也是矩阵T第一列字母在序列S中的序号）为数组S[i]矩阵T中最后一列的结果为BWrr数组B[i]。我们可以根据这两个数组将序列S还原，这个算法称为UNPERMUTE算法；

第三步，创建数组Oc （A）表示矩阵T中第一列的第一个A在第几行，Occ（2，G）表示矩阵T的最后一列中第2行的G是此列的第几个G。以这两个数组为索引可以很快找到匹配点；

用这种方法比对的软件有：Bowite、BWT-SW、BWA-SW。我们知道人类的基因组为3 Gb，那么数组Occ和S的每个值都要用4 Byte表示，3 Gb就要分别用12 GB内存存储。在Bowtie中应用了FM-index，每隔数行建立一个索引，使得人类基因组的内存占用约为1.3 GB，完全可以在普通机器上运行。

基于这两种数据结构的算法都有利于提高比对效率，两者的区别在于后缀树可以有效减少不精确匹配，并可避免比对过程中做的无用功，这个特点适用于相同物种之间相似性高的序列比对和寻找保守区。而应用哈希表数据结构的算法具有较高的敏感性，有利于发现SNPs和突变。可用于局部匹配或从大量数据巾搜索匹配点以及跨物种序列间的比对。

3 序列分析软件比较

表1中列出民目前常用的第二代测序序列的分析软件，对软件分析的序列类型、序列长度、软件特点、功能以及可输入、输出格式等方面进行了详细析和比较。

选择合适的软件要根据软件适用的序列类型、长度以及运用的算法、性能特点、输入/输出格式等项全而考虑，如表1中列出的常用软件的各项属性进行筛选：1）根据第2列中序列类型，如果是Spliced reads可以选择QPALMA和TopHat软件，（color-spaced reads可以选择BWT -SW、BFAST；2）根据第4列中read的长度，SSAHA、BLAT用于长序列的比对；SOAP.ZOOM、SeqMap适用于short-reads的mapping；3）按照表中5和6列软件的特点和功能，如Bowtie、BWT -SW、RMAP、MAQ、QPALMA、SHiRMP等在分析序列对，应用了质量分数，这在很大程度上提高了比对的准确性。用Bowlie和BWA在分析速度内存占用方面略优于其他软件：4）第8列为软件在比对时是否允许错配，gaps以及indels，这也影响比对结果。例如，MAQ在比对Illumina paired-end reads时允许gaps这样可以加大paired-end reads拼接的成功率。BWA、BFAST、SHiRMP、PASS等在进行比对时允许一定或不定数量的gaps可以提高比对的敏感度，降低假SNP的出现率，有利于发现真正的突变位点；5）最后，根据软件的输入格式是否符合待比对序列的格式、输出格式是否又符合下一步分析要求的格式进行软件选择。

此外，在分析数据的时候将两个或多个软件结合使用，例如在处理spliced reads时，可以使用Bowtie或BWT建立索引文件，再将索引文件使用TopHat、SoapSplice等软件进行splice junction检测。

4 结论

本文对国内外第二代测序技术以及数据的分析算法进行了总结和分析，对目前流行的序列分析软件进行详细归纳和比较并给出了参考建议，有利于从整体上把握测序技术和序列分析的发展状况.为今后序列分析和研究提供参考。

第5篇：基因组学概述范文

>> 案例教学法在《生物信息学》本科教学中的应用 师范院校生物信息学教学的现状分析 医学院校生物信息学教学的探究 面向医科院校生物信息学专业的Java教学实践 面向生物信息学本科专业的《遗传学》教学要点及模式探索 离散数学在生物信息学专业本科教学的开展研究 生物信息学中的机器学习 癌症研究的生物信息学资源 生物信息学中的序列比对算法 师范院校生物信息学本科教学改革与实践 生物信息学数据库及运用分析 生物信息学专业MySQL数据库课程教学方法探讨 生物信息学在生物学研究领域的应用 医学院校生物技术专业生物信息学教学探索 生物背景学生的《生物信息学》课程教学思考与探索 师范院校研究生生物信息学教学改革思考 农业院校生物信息学教学模式探索 探讨医学院校生物信息学创新实践能力培养 中医大数据下生物信息学的发展及教育模式浅析 大数据背景下的生物信息学教学探索 常见问题解答 当前所在位置：l）。此外，还有细菌、真菌、植物等分支数据库。该数据库也有搜索引擎，其内容详细的数据记录了DNA、转录产物、蛋白质和基因突变等信息，使用方便，记录系统、完整，是了解基因结构和功能比较理想的数据库[2]。

2.3 miRBase数据库 microRNA是近年来发现的非编码内源性小RNA分子，其功能主要是调节靶基因的转录后水平的表达，是近年来研究的热点领域。miRBase数据库更新快，包含miRNA序列数据、功能注释、靶基因预测等多各方面，是存储miRNA信息最主要的公共数据库之一（http：///）。目前，新版本（Ver.21）收录了223个物种28645个前体miRNA和35 828个成熟miRNA产物，所有数据均可以通过web界面检索，而且通过与TargetScan链接，可以查阅miRNA的潜在的靶基因。

2.4 生物分子信号通路数据库 信号通路一词在高中生物就接触到，到本科阶段的《细胞生物学》课程中得以深入学习。据调查，对于本科生而言，他们对信号通路想理解和认识有限，掌握的信号通路都是不完整的。学生在学习时，可借助信号通路数据库检索的方式，搜索某基因所参与的信号通路，并且可以直观的看到该基因在整个信号通路中的地位和作用。信号通路数据库目前比较常用的是WikiPathways数据库（http：//）。该数据库集成了主要的基因、蛋白质，允许整个研究者更广泛参与[3]。该数据最大的特点是将基因之间的关系以图形方式显示，使学生直观了解所感兴趣的基因是如何参与到信号通路或生化代谢过程的。

3 常用生物信息学软件及在线分析工具

3.1 DNA序列分析软件 在生物科学本科教学过程中，很多课程如《生物化学》《分子生物学》《遗传学》等，都涉及到DNA序列结构、基因突变等知识点，而且学生掌握到的更多都是一种朦朦胧胧，是懂非懂的知识点。因此，在《生物信息学》课堂上，当讲到采用生物信息学软件进行DNA序列分析时，学生产生了浓厚的兴趣。DNA序列分析的软件有很多，如：BioEdit，DNASIS，DNAStar，DNAClub，DNAMan等，相比较可知，就序列分析而言，我们认为DNAStar软件最常用，且操作简单，可视化功能强大，是地方本科院校学生的最佳选择。

DNASTAR是基因组学、结构生物学和分子生物学领域中的一款综合性序列分析工具软件，包含可视化和序列编辑（SeqBuilder），序列组装（SeqMan）、序列比对（MegAlign）、引物设计（PrimerSelect）、蛋白质结构分析（Protean）、基因查找（GeneQuest）和序列编辑（EditSeq）7个模块，可用作DNA和蛋白质序列分析、序列重叠群拼接和基因工程管理等方面，目前，该软件已被90多个国家的制药，生物技术，学术和临床研究人员使用。

3.2 RNA结构分析软件 RNA包含tRNA，mRNA，rRNA和sRNA等多种类型，在蛋白质生物合成过程中起着非常重要的作用。他们的二级结构或高级结构会影响蛋白质合成的效率。因此，对于本科生而言，直观的了解RNA的二级结构，对于掌握理论知识具有重要意义。RNA结构分析的软件有如Mfold、RNAdraw和RNAstructure等多个软件[4-5]。通过比较这些软件获得难易度、优缺点和使用复杂程度，我们发现Mfold已完成多次修订，且实现了网上在线免费试用（http：//unafold.rna.albany.edu/？q=mfold），输出结果灵活多样，结果直观，是本科生用于RNA结构分析的最佳选择。

3.3 序列比对软件（在线工具） 序列比对也称序列比较，通过该操作，可以将两个或多个基因（或蛋白质）序列按照一定的规律排列，使学生直观的观察到序列的变异，从而确定序列之间的相似性或同源性。根据序列多少，可分为双序列比对和多序列比对。序列比对的软件或在线工具也有很多，其中多序列比对软件有Clustal（ClustalX和ClustalW）、GCG、BioEdit、DNAMAN和DNAStar件包中的MegAlign等。在这里，适合本科生教学的软件我们推荐MegAlign和DNAMAN。而两序列比最常用的则是BLAST在线工具（http：//ncbi.nlm.nih.gov/blast），它是NCBI开发的可免费非注册使用的在线工具，可与NCBI的蛋白质数据库和基因数据库链接，也可用于蛋白质和基因序列的同源检索，是本科教学中必须要用到的在线工具。

3.4 系统发育树构建软件 在生物进化过程中，细胞内的生物大分子（蛋白质、核酸）的一级结构的变化会出现变异（进化），而生物大分子进化速率相对恒定，我们可以根据生物大分子的序列信息构建系统发育树，推断生物进化历史。系统发育树构建的软件有MEGA，PHYLIP，DNAMAN等。在分子进化相关的科学研究中，最常用的是MEGA（即Molecular Evolutionary Genetics Analysis），该软件更新快（目前的最新版本为MEGA7.0 http：///），运行速度快，操作简单，结果直观。因此，在本科教学中，我们推荐MEGA软件作为系统发育树构建的软件。

3.5 Expasy工具 ExPASy，即Expert Protein Analysis System，由瑞士生物信息学研究所维护的蛋白组学相关的在线实用分析平台，整合了很多蛋白质数据资源和分析工具（http：///），涉及蛋白分类、蛋白质翻译、结构预测、相似检索、序列比对等。该在线工具可免费试用，是本科教学过程中值得推荐的分析工具。但是，该工具包数据量大，鉴于本科教学学时的限制，在教学过程中不宜细讲，可以引入，让感兴趣的同学自学。

4 结语

随着分子生物学和生物信息学的迅猛发展，生物信息学数据库不断完善，生物分析软件越来越多，且各具特色。考虑到地方本科院校实际情况，我们介绍了以上的生物信息学数据库和分析软件（在线工具），并简单总结了它们适合于地方性高校本科教学的优点，给出了合理选择的参考建议，以期为地方本科院校《生物信息学》教学提供参考。

参考文献

[1]Bethesda（MD）.The NCBI Handbook[Internet]. 2nd edition[M].National Center for Biotechnology Information（US）. 2013.

[2]Yates A，Akanni W，Amode M R，et al. Ensembl 2016[J].Nucleic Acids Res.2016，44（D1）：D710-D716.

[3]Kelder T，van Iersel M P，Hanspers K，et al.WikiPathways：building research communities on biological pathways[J].Nucleic Acids Res. 2012，40（Database issue）：D1301-D1307.

[4]徐思敏.RNA生物信息相关软件概述[J].科技信息：科学教研，2008（14）：398-399.

第6篇：基因组学概述范文

1结果与分析

1.1BSA与AP-AuNPs的物理吸附结果电泳检测蛋白质可以通过物理作用吸附在纳米颗粒表面。从图1可以看出，从左至右，随着BSA浓度的增加，BSA与AP-AuNPs的吸附量也随之增多。通过与纯的AP-AuNPs相比较我们认为，图中与AP-AuNPs在同一水平位置的条带为没有吸附上BSA的AP-AuNPs，图中微滞后的条带为吸附上一条BSA的AP-AuNPs。选取吸附1个BSA的样品进行分析。

1.2蛋白酶K酶切AuNPs-BSA的电泳检测结果本文中选取蛋白酶K(proteinaseK,ProK)对吸附在AP-AuNPs表面的BSA进行酶切。与AP-AuN-Ps-BSA相对比，随着ProK浓度的增加，AP-AuNPs-BSA的迁移率逐渐的增大，但最终还是小于AP-Au-NPs的迁移率，说明吸附结合在AP-AuNPs表面的BS段随着ProK浓度的增加而减少，但是还是有部分BSA的片段吸附在AP-AuNPs的表面，没有受到ProK的酶切(图2)。

1.3SDS洗脱及吸附在AP-AuNPs表面肽段的PAGE胶鉴定十二烷基硫酸钠(SDS)是一种阴离子表面活性剂。用10%的SDS对AP-AuNPs-BSA(酶)进行处理。通过2%的琼脂糖凝胶电泳我们看出，10%的SDS可以将吸附在AP-AuNPs表面的蛋白片段洗脱下来(图3A)。然后将洗脱后的样品进行SDS-丙烯酰胺(PAGE)凝胶电泳，来对洗脱下来的蛋白多肽片段进行鉴定。从图3B中我们可以看出，经过SDS洗脱的后的样品中，在分子量约26kD处，有一条带出现，经与其它的样品比较，我们认为，该条带则为吸附在AP-AuNPs表面的BS段。

2讨论

本实验选取BSA与AP-AuNPs通过简单的物理吸附作用结合在一起，通过琼脂糖凝胶电泳结果可以看出，BSA可以稳定地吸附在AP-AuNPs的表面。在经过蛋白酶K酶切的电泳结果可以推测，BSA稳定的吸附在AP-AuNPs的表面是BSA中的一段氨基酸序列吸附在AP-AuNPs的表面所导致的。在经过SDS洗脱及SDS-PAGE电泳结果证明，BSA与AP-AuNPs是通过BSA的一段固定的多肽序列结合在AP-AuNPs所到导致的。该实验结果的发现，对于功能化的纳米颗粒在生物体内高效、稳定的应用奠定了坚实的基础。

3材料与方法

3.1AP合成AP合成的方法参照文献(Zhangetal.,2011)。简要概述：称取3.084g(15mmol/L)的聚异丁烯马来酸酐置于500mL的圆底烧瓶中，2.7g(15mmol/L)的十二胺干粉溶于100mL的四氢呋喃后与聚异丁烯马来酸酐混合，超声，使得溶液完全澄清。将混合液55~60℃加热、搅拌1h。用旋转蒸发仪将溶液浓缩到30~40mL后搅拌、过夜。次日，将溶液完全抽干，加入40mL的氯仿重新溶解。最终得到单元结构浓度(Cmononier)为0.5mol/L的两性聚合物。

3.2有机相AuNPs的合成合成方法参照文献(Linetal.,2008)。简要描述：称取2.17g四辛基溴化铵溶于80mL的甲苯中。称取300mg氯金酸溶于25mL的超纯水中。将两者混合至分液漏斗中，轻微震荡后弃水相，将有机相转移到圆底烧瓶中。称取334mg硼氢化钠溶于25mL的超纯水中，并迅速的加入到有机相中，搅拌60min后转移到250mL的分液漏斗中，分别加入NaCl、NaOH洗涤3次，弃水相后在转移到250mL的圆底烧瓶中，磁力搅拌，过夜。加入10mL十二烷硫醇，65℃水浴加热，搅拌3h。分装在40mL的小瓶中，2000r/min离心5min，收集上清。加入等体积的甲醇，2000r/min离心5min，弃上清，晾干，加入氯仿重新溶解。

3.3AP包裹AuNPs包裹的方法参照文献(Zhangetal.,2011)。简要概述：根据每个AuNP的有效表面积每平方纳米含有200个polymer单元结构比例混合。每个AuNP的有效表面积的计算方法为：Aeff=4•仔•(deff•2-1)2，其中的deff为油相纳米金颗粒的有效动力学直径。由于AuNP和polymer的体积小，密度大，使得它们在溶液中分布比较密集。由于氯仿挥发的太快，在进行真空抽气时不能够将polymer均匀的包裹在AuNP表面。在进行包裹时，先加入少量的氯仿有利于将polymer均匀的包裹在AuNP表面，真空抽气直到将氯仿全部抽干。加入适量的SB12缓冲液进行搅拌，直到混合物完全溶解且澄清。这样就将油相的AuNP转移至水相中(AP-AuNP)。

3.4BSA与AP-AuNPs的物理吸附实验取PCR管分别编号1~10，按表1中比例加入AP-AuNPs与BSA混匀，反应体系为30滋L，不足由超纯水补齐。室温下反应30min。

第7篇：基因组学概述范文

关键词：微流控芯片；基因芯片；芯片实验室；体育科研

中图分类号：G804 文献标识码：B 文章编号：1007―3612(2006)11―1495―03

1　微流控芯片技术概述

1．1微流控芯片微型全分析系统又称为芯片实验室，是一个跨学科的新领域，是通过分析化学、微机电加工、计算机、电子学、材料科学及生物学、医学的交叉实现化学分析系统，从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与便携化。微流控分析芯片是微型全分析系统的主要组成部分，是以常规毛细管电泳原理为基础，通过微细加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能元器件像集成电路一样，使它们集成在芯片材料(基片)上，实现样品进样、分离、反应乃至在片检测的微全分析系统。它以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络微结构为特征，以生命科学为目前主要应用对象。

微流控芯片的早期形式是芯片毛细管电泳。根据芯片材料的不同可分为硅芯片、玻璃芯片、石英芯片、高聚物芯片和复合材料芯片；根据功能的不同可分为高分辨分离芯片、微采样芯片、微检测芯片、细胞分析芯片、前处理芯片、化学合成芯片、多功能集成化芯片。每一个芯片实验室都将被赋予一定的功能，因此形成功能芯片系统，大体包括三个部分：一是芯片；二是信号的检测收集装置；三是包含有实现芯片功能化方法和材料的试剂盒。所涉及到的部件包括：和进样及样品处理有关的透析、膜、固相萃取、净化；用于流体控制的微阀(包括主动阀和被动阀)、微泵(包括机械泵和非机械泵)；微混合器、微反应器、微通道和微检测器等。其制作工艺包括芯片的基体加工及表面加工、键合和粘接等。

微流控芯片把整个生化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可多次使用。因此具有广泛的适用性。微芯片分析系统的出现不仅可使珍贵的生物试样与试剂消耗大大降低到微升甚至纳升级，而且使分析速度成百倍地提高，费用也相应下降，从而为分析测试技术的普及创造了条件。近年来，微流控芯片技术在以下几方面得到了发展：微流控分析系统从以毛细管电泳分离为核心分析技术发展到液－液萃取、过滤、无膜扩散等多种分离手段，具有广泛的应用前景；微流控分析系统从单道检测发展到多重平行检测；微全分析系统从成分分析工具发展到包括在线检测的微型化学反应与合成手段；在新药物筛选中显示出强大的生命力；微流控分析系统具有多种检测手段，如电化学、质谱、原子光谱、光声光谱、化学发光等。由此可见，微流控芯片在生物化学分析中具有显著优势，这种生化检测可以提高分析速度，增加分析效率，减少样本和试剂的消耗，排除人为干扰，防止污染以及完成自动高效的重复实验。分析系统的微型化可以使野外实验室变得很简单，芯片实验室的潜在应用范围包括高效筛选、环境监测、临床监测、空间生物学、现场分析、生物战争试剂检测、高效DNA检测等。

1．2微流控芯片与基因芯片 20世界90年代初由瑞士的Manz和Widmer提出了以微机电加工技术(microelectro－mechanical systems，MEMS)为基础的“微型全分析系统”(micrototal analysis systems，μTAS)。μTAS可以分为芯片式与非芯片式两大类，其目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度的把分析实验室的供能转移到便携式的分析设备中。目前，芯片式是发展的重点，即最大限度地把分析实验室的供能集成到方寸大小的芯片上，实现所谓的“芯片实验室”(lab-on a-chip，IDC)。在芯片式μTAS中，依据芯片结构及工作原理又可以分为微阵列芯片和微流控芯片。微阵列芯片目前的应用对象是DNA分析，也称DNA芯片、基因芯片或生物芯片。生物芯片技术的实施包含三个基本元素：1)生物探针分子的获得；2)探针分子的表面固定和对样品的识别；3)识别结果的检测和分析。有关基础研究始于20世纪80年代末，主要是在生物遗传学领域发展起来的。而微流控分析芯片是1990年提出的μTAS主要发展方向，主要是在分析化学领域发展起来的。在目前的学术刊物中，微全分析系统(μTAS)和微流控芯片(microfluidic chip)指的是同一个概念。其目标是把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在可多次使用的微芯片上。因此较微阵列芯片应有更广泛的适用性及应用前景。

1．3微流控芯片的应用 目前微流控芯片已突破其发展初期在加工技术即基本流控技术上的主要难关，正在进入一个开展更深入的基础研究、广泛扩大应用领域，及深度产业化的转折时期。这种微型化、集成化的微流控芯片氨基酸和蛋白质的分离、免疫分析、DNA分析和测序、生物细胞研究等方面显示出巨大的潜力。这必将对疾病诊断和治疗、新药开发、食品卫生等诸多领域产生革命性的影响。

1．3．1蛋白质分析　微流控芯片的一个重要的应用领域是蛋白质。蛋白质的微流控电泳芯片，通过在玻璃片或硅片上设置各种微泵、微阀、微电泳以及微流路，可将生化实验室的分析功能浓缩固化在蛋白质芯片上，然后在电场作用下，样品中的蛋白质通过芯片上的孔道分离开来，经喷雾直接进入质谱仪中进行检测，以确定样品中蛋白质的分子量及种类。除了蛋白质以外，对更为复杂的糖蛋白的芯片测定也已开始，用电泳技术结合蛋白酶和糖苷酶对蛋白质的处理，在芯片实验室进行糖蛋白中糖链分析的方法已建立。徐良基等利用微流控芯片技术制作石英玻璃材料的微流控芯片，在自行研制的紫外可见吸收检测系统上，实现了芯片上对牛血清蛋白BSA、人免疫球蛋白IgG和人转铁蛋白TRF及它们的混合溶液的分离检测，结果重复性较好。王惠民等依据电荷和分子量的不同，利用微流控芯片技术，在2～3 min内检测到38例尿蛋白阳性患者中，溢出性蛋白尿3例、选择性蛋白尿9例、非选择性蛋白尿26例，8例健康对照未检出蛋白峰。

1．3．2免疫分析免疫分析是利用抗原和抗体之间的特异性反应来选择性识别和测定作为抗体或抗原的待测物。经过多年的应用与发展，免疫分析已经成为临床诊断、生物医药以及环境化学研究中一种有力的分析手段。降低样品和试剂的消耗量，提高分析速度是免疫分析的重要目标。在微流控芯片上进行免疫分析是对毛细管电泳免疫分析技术的重大革新。这种微片装置是在微型的玻璃片或者硅芯片上采用化学刻蚀等技术产生一些微小的通道来代替传统的毛细管作为电

泳分析的场所。这种开放式的通道结构使得在很短的分析长度内就可以满足分析需求，可以大大缩短整个分析所需的时间，并可根据实际需要设计合适的芯片。芯片上可以很容易地刻蚀上很密集的分析通道的阵列，并可高精度地复制生产，大大增加了分析通量。因此，免疫分析在微流体系统中的应用已受到广泛的关注。

1．3．3 DNA分析及测序 微流控芯片可用于迅速分离DNA限制性片段PCR产物，比常规的毛细管电泳分离要快得多。把β珠蛋白的PCR扩增反应缩微集成到硅芯片上，目的基因进行15 min的扩增，然后仅用2 min就可完成PCR产物的分离，整个分析过程不到20 min。混合样品多PCR产物电泳芯片分离，可同时分析10个以上PCR反应产物，尤其适用于基因作图分析，以及遗传性疾病诊断。在微流控芯片上观察荧光标记DNA的重复三联体序列，分离速度是常规毛细管电泳的十几倍。此外，常规DNA测序需要制备微升级的样品，试剂消耗量大。将纳升级的样品制备系统缩微到芯片上进行测序，可在分离前除去多余的引物、盐分、核苷酸等，所用测序体积是Sanger双脱氧链终止法的1／300，测序成本明显降低，而且可进行固相测序。将微流控芯片四色标记法用于DNA测序，可在540 s分离150个碱基，准确率在97％以上。用高分子材料制作的微流控－微阵列芯片，可以用于核酸杂交并对其进行实时检测。而且微流控－微阵列体系还可以检测杂交反应的动力学特性。

1．3．4细胞培养与检测单细胞分析对重大疾病的早期诊断、治疗和药物筛选以及细胞生理、病理过程的研究有重要意义。微流控分析芯片的网络结构和微米级的通道尺寸使简化单细胞分析成为可能。微流控芯片系统用于细胞分析是近年来该技术发展的一个热点，已引起较广泛的关注。利用微全分析系统高度微型化、集成化和设计灵活等特点，通过巧妙设计和精密加工能够实现细胞的培养、凋亡及检测等功能，如细胞操作，绿色荧光蛋白的表达，基因转染，细胞活性测试，细胞分离，细胞内钙离子的测量，激素分泌监测以及高通量的细胞含量分析等。目前，微流控：片系统已被应用在血液流变学、单细胞操纵与计数以及单细胞胞内组分分析等多方面。在微流控芯片通道中，人们利用气压、液压和电压，或利用介电电泳、光学陷阱、行波介电电泳以及磁场等技术，可以操纵细胞通过或驻留在通道内的任意位置，从而使单细胞计数、筛选以及胞内组分分析等操作大大简化。

1．3．5药物筛选　药物筛选是现阶段新药开发的主要途径。高通量药物筛选是近10年来发展起来的药物筛选的新的技术体系。微流控芯片实验室实现药物筛选的基本原理是以酶标为例，即令酶和一种荧光标记的底物反应，使之产生一种荧光产物，用芯片电泳将这一荧光产物和荧光底物或其他荧光本底分离开来。这种方法已经用于蛋白激酶．磷酸酶、蛋白酶、细胞色素和磷酸单脂酶等，芯片上的分离只需几秒，通常变异系数小于10％。用于药物筛选微流控芯片装置有两大类，一类是一次性使用芯片，它采用类似于喷墨打印机的微散射法，把样品和试剂注入芯片的一组通道；另一种以连续流法为基础，它将样品的注射过程、混合过程和功能实现过程在芯片上集成于一体。

微流控装置的用途广泛，但目前流行的微流控装置最大的不足之处是它们需要大量辅助的外部设备，体积庞大且成本很高，这就极大地限制了它的应用。克服这些困难的一个途径就是将所需试剂装配并存储于微流控体系内部，真正实现“lab-on-a-chip”。有学者预计，最晚到2008年，以微流控芯片为核心的微分析系统将取代当前化学分析实验室的很多设备，使化学分析进入病房、生产现场甚至家庭。在此基础上再经过三五年，能监测自身生化指标及基因变异、食品卫生及环境状况的便携式“个人化实验室”将可能成为现实。

2　微流控芯片技术与体育科技研究

中国自1984年重返奥运大家庭以来，在奥运会上取得了喜人的成绩。这些成绩的取得与科研人员参与到运动队中开展科研攻关与科技服务，大大提升科学化训练的水平密切相关。在总结了以往开展科研攻关与科技服务经验的基础上，针对运动员在训练比赛中遇到具有共性和基础性的问题，在新的一个备战奥运会周期中，提出了10个领域的科研工作，即运动员科学选材、运动训练科学化理论与方法的研究与应用、优秀运动员训练监控和机能评定的研究与应用、运动员体能恢复与营养补充的研究及应用、运动员心理咨询和心理训练理论与方法的研究及应用、运动创伤与医务监督的研究与应用、中医药防治运动性疲劳及伤病的研究与应用、反兴奋剂的研究与应用、体育信息与服务的研究与应用、竞技体育综合管理及战略研究。其中，在运动人体科学领域涉及的主要的热点问题有，运动损伤的防治、运动性低血睾酮、运动性低血色素(运动性贫血)、运动性免疫机能低下等的发生机理的研究，以及兴奋剂检测方法的研究，等等。

随着教练员、运动员文化素质的提高和运动训练基地科研条件的改善，借助科技手段辅助训练日益被教练员、运动员所接受，甚至有些教练员已经开始尝试根据科研人员的科学检测报告制订训练计划。事实上，对训练进行科学监控已成为当今运动训练(科学)的重要组成部分。目前，常用辅助教练员开展训练、评价运动员体能的指标有，血睾酮、皮质醇、血乳酸、血红蛋白、红细胞谷胱甘肽和活性氧、血清肌酸激酶、血尿素、IgN、IgA、IgG等，其中，监测血睾酮、皮质醇、红细胞谷胱甘肽和活性氧等通常须要采集受试者的静脉血，用分离出的血清与红细胞才能完成监测。然而，运动员和教练员往往不愿接受静脉取血，因此，研发微创、微量(采集末梢血)、快速的分析方法检测生化指标，现场化、及时性地评价运动员体能具有重要的意义，相关方法的研究亟待解决。

根据微流控芯片实验室所需样品微量，更具高通量、高效率、短时间等优势，中国科学院林秉承等与我们合作，利用微流控芯片技术进行了血睾酮和皮质醇联合检测芯片，血睾酮、皮质醇联合检测芯片分析仪的研发，目前该工作已完成标准品的检测。如果能够充分发挥微流控芯片技术的优势，研发出不需要用常规的静脉取血分离血清检测的方法，而是以末梢微量全血为直接的检测样品的芯片检测系统，建立通过微量的末梢血就可以快速、准确地完成多项指标的同时检测的运动员体能监控的微创检测方法，那么这将是一个“质”的飞跃。这个飞跃不仅仅会体现在检测方法上，也一定会体现在提高运动员体能上。如果能将这种技术推广应用，必将受到体育科技人员、乃至运动员和教练员的普遍欢迎，具有广阔的市场前景。

另外，利用微流控芯片电泳同时检测细胞活性氧类和谷胱甘肽的技术、单分子光学检测技术、基于毛细管及芯片电泳的分子相互相互作用的研究技术和基因诊断技术引等皆有可能作为研究方法，应用到体育科研中。

第8篇：基因组学概述范文

关键词：土壤微生物；环境胁迫；响应机制；农业发展；土壤肥力；农作物；种植产量 文献标识码：A

中图分类号：S154 文章编号：1009-2374（2017）11-0145-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.11.074

1 概述

地球表面最表层覆盖的是土壤，土壤不仅是自然资源中最与人接近的资源，还是分布量最大的资源，几乎在地表上到处都有土壤，可以说土壤与人类的生产生活紧密相连。同时，土壤作为大自然赋予的保护层，对维护自然生态系统的稳定性有重要意义，对此必须重视对土壤生态系统功能的养护，加强对破坏土壤营养成分的因素进行分析，以便提高土壤在环境中的抵抗力。众所周知，土壤生态系统自成一个完整的循环体，在土壤中生存了大量具有多样性特点的生物群落，正因为这些生物具备多样性特点，且含有对土壤起到积极影响的营养元素，才能维持土壤生态循环系统的平衡，并且部分微生物是参与地球化学循环必要物质，对植物生长、气候调节等陆地生态系统的生态功能起到不可替代作用。因此，探索微生物群落对环境的胁迫所引起的环境变化做出的响应，根据微生物响应机制做出调整，提高土壤自身生态功能的稳定性是十分必要的。

2 土壤微生物与环境胁迫之间的联系

环境胁迫是指在自然界中，环境对其范围内存在的生物产生了一定程度的威胁和制约，破坏了生物的自然生长和存在，这种胁迫主要是受到外来因素的干扰，例如受到天灾冰冻、洪涝、盐碱等或者受到人为的干扰如倾倒垃圾、碾压等。土壤作为自然环境中四处存在的物质，其受到环境的影响作用十分V泛，并且长期以来，由于人类工业化发展和城市化的变革，给土壤生态环境造成了难以想象的破坏。

在环境给土壤造成的破坏之中，突出的土壤污染表现为土壤重金属沉积，大量重金属经过日积月累，会导致土壤的生态系统失去平衡，造成土壤中微生物群落活性降低，使微生物生长逐渐朝向单一化演变，最终导致土壤的机能下降。已知关于土壤微生物对环境胁迫的响应机制研究中，人们多数是将重金属污染作为研究生物和环境胁迫的切入点。目前，科研人员已经发现了重金属在土壤中的沉积，会对土壤内部微生物群落多样性以及土壤生态稳定性等多方面造成影响，从这个角度切入进行实验，可以获得多项研究结果，有利于科研对比实验的展开。

3 土壤微生物多样性及土壤生态稳定性研究方法分析

3.1 土壤微生物多样性研究

土壤微生物群落因为自身的物质特点具备多样性的性质，正是由于微生物群落的多样性，为土壤提供了充分的营养，能够维持土壤生态系统平衡。而要想探究土壤微生物对环境胁迫的影响机制，首先就要了解土壤微生物多样性，对土壤微生物多样性的掌握有利于提高人们认识微生物的生态功能。测量土壤微生物群落多样性主要利用培养方式进行实验，传统的测量方法有底物利用分析法、分离培养分析法，也有依靠新技术产生的新兴研究方法，比如说高通量同高分辨率结合的宏基因组学分析法。在研究过程中，根据所具备的实验条件选择恰当的实验方法，对土壤微生物群落多样性进行分析和记录，在反复比对实验数据后得出土壤微生物群落多样性特征。目前，实验研究人员会根据微生物群落多样性的差异做出区分，多以微生物群落α多样性、β多样性和γ多样性为研究内容。

3.2 土壤生态稳定性研究

实际上，土壤生态稳定性决定了土壤在遇到环境胁迫时的响应机制反应度，土壤生态稳定性是指生态系统在面临外部环境发生变化，对土壤的各个方面的性能和生态性造成影响时，可以利用自身功能与性能抵抗外部侵袭的影响，使得土壤生态系统能够保持原有的状态。土壤生态稳定性包括了许多方面，但是起到绝大部分作用的有两个，即土壤抵抗力稳定性和恢复力稳定性。这两个功能是土壤本身含有的，不同的是不同的土壤因为具有的微生物群落不同，会体现出不同程度的差异。根据相关数据显示，土壤中的微生物群落如果功能性显示出多样化，并且微生物群落的数量越多，土壤自身的抵抗力稳定性和恢复力稳定性就越大，所以在研究土壤生态稳定性的实验中，研究人员主要讨论的就是这两个功能指标。

4 土壤微生物对环境胁迫响应机制的分析

4.1 土壤微生物群落功能冗余情况

功能冗余一般指具备多项功能的事物会存在生态功能重叠情况，对于土壤微生物群落而言，微生物具有多样性的特征，不同的微生物群落都会存在一些生态功能，这些功能本质上所起到的作用都是一致的。有实验证明，土壤微生物群落中的某些生态功能被剔除后，这些微生物群落的生态系统功能并没有发生太大改变，仍然可以维持原有的生态体系。也就是说，一旦土壤面对环境胁迫，微生物群落会选择脱离出一些个体，来应对环境变化造成的恶果，剩余微生物群落可能会减少微生物种类，使功能结构发生改变，但是这些改变还不足以支持整体土壤微生物群落的正常功能。众多数据显示出，土壤具备功能的稳定性，很大程度上与土壤微生物群落的功能冗余存在联系，正是因为这些功能冗余的原因，会始终保持土壤在自然环境的变化中呈现出平衡性，所以研究功能冗余的物种发挥重要作用可以很好的解释生态系统稳定性的潜在机理，对研究土壤生态系统平衡起到了重要的影响作用。自然微生物群落多样性与功能之间的联系始终都没有得到详细的认知，科学家们对微生物群落的研究体现在多方面，其中非常明确地表示出微生物群落的功能冗余对各种研究都有影响。

4.2 土壤微生物对重金属污染的抵抗性能

当前，社会环境问题严重，给土壤的生态系统造成了严重威胁，除了人为的治理以外，土壤微生物群落在应对土壤环境恶劣情况中发挥了巨大作用。在研究土壤微生物群落对环境胁迫的响应机制过程中，人们着重关注了微生物群落对土壤中因重金属带来的环境变化进行抵抗并自我恢复的研究，经过多项实验观察，确定了微生物群落在面对重金属物质的胁迫时能够及时激发响应机制，助力土壤保持生态系统稳定平衡。当土壤微生物群落感受到重金属的威胁时，一般会采取自动应对机制，形成相应的能力。其一，当重金属物质入侵土壤后，土壤中的微生物群落会改变性质，由耐受型微生物群落逐渐取代敏感型；其二，当遇到重金属量过大时，土壤中的微生物群落会发生对这些重金属的水平转移，会逐渐在群落内部生成抗性基因，对抗重金属；其三，有可能在遇到重金属入侵时，土壤微生物群落发生物种遗传变异，从初始微生物群落开始逐渐产生的新的群落会具备这些抗金属性能。在对抗重金属入侵过程中，土壤中用以对抗重金属的微生物群落还是会受到影响，时间越长，这些对抗重金属的微生物群落对抗性能和恢复性能降低越快，在面对环境胁迫时，土壤生态系统的稳定性更多还是依靠耐受型微生物群落和抗性基因转移（水平转移）。

4.3 环境胁迫下土壤微生物的其他机制

环境胁迫一旦发生，会引起原核生物与真核生物细胞产生蛋白质错误折叠与聚合。当环境胁迫为热胁迫，此时土壤微生物群落中的细菌会发生蛋白质变性与聚合，温度超过一定的限定值后会在原有细菌内部的蛋白质基础上诱变为热激蛋白，其内部含有分子伴侣，作用于细胞蛋白质，能够防止出现聚合或者降低蛋白质错误折叠，并且在热激蛋白中存在一种非蛋白酶，这种酶的作用是降解不可逆损坏的多肽。

5 结语

总之，当土壤遭遇环境胁迫时，土壤微生物群落会依靠自身的生态功能引发响应机制，应对已经发生的环境胁迫。但是单靠土壤微生物自发性的响应机制仍然不够，随着社会环保观念的加强，要持续加大投入研究土壤微生物对环境发生胁迫时响应机制的内容。就我国当前的实际情况而言，更要注重对土壤中的重金属抗性基因转移（水平转移）做深入研究，找出科学方法提高土壤微生物群落的生态活性，加强土壤微生物群落对重金属的抗性，以便提高土壤肥力，为恢复土壤生产力奠定坚实基础。

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第9篇：基因组学概述范文

关键词大豆；盐碱；耐盐机制

中图分类号 S529 文献标识码A文章编号 1007-5739（2011）08-0011-03

ResearchAdvancesonSaltToleranceIdentificationofSoybean

LI Zhao-nan 1，2SUN Shi 2 *

（1 The College of Plant Sciences，Jilin University，Changchun Jilin 130062； 2 Institute of Crop Sciences，The Chinese Academy of Agricultural Sciences）

AbstractSoybean is moderate salt tolerance，saline conditions impose negative impacts on soybean growth，agronomy traits and seed quality，thus reduce the yield.This article reviewed the advances in salt tolerance identification of soybean from four aspects：the impact of salinity on soybean，soybean salt tolerance mechanisms，the identification methods of soybean salt tolerance and the screening of excellent salt tolerance germplasm.

Key wordssoybean；salinity；salt tolerance mechanism

大豆是我国重要的农作物，虽然位于水稻、小麦、玉米之后，但是其40%左右的蛋白质含量使其成为人类食物和畜禽饲料植物蛋白的主要来源；富含不饱和脂肪酸的大豆油是优质食用油[1]；大豆还含有多种有益于健康的生物活性物质，如大豆异黄酮、大豆皂苷、VE、低聚糖等[2]。然而我国大豆产量较低，无法满足人们对大豆日益增长的需求[3]，其重要原因之一就是我国土壤盐渍化程度较重[1]。目前我国盐碱地达4 000万hm2，且呈逐年增加趋势[4]，由此造成耕地面积不断减少，开发利用盐碱地，提高盐碱耕地的大豆产量对于提高我国大豆产量具有重要意义。大豆属中度耐盐作物，国内外对大豆耐盐研究已有一些报道，为促进大豆耐盐研究，发展盐碱地大豆生产，该文从盐碱对大豆的影响、大豆耐盐机理、耐盐鉴定的方法及优异耐盐种质筛选4个方面进行综述。

1盐对大豆的影响

1.1盐对大豆种子萌发的影响

大豆由种子发育成苗，要经过吸水膨胀萌发、胚根生长、侧根生长。在这一生长过程中的不同发育阶段，盐对大豆萌发的影响有所不同。邵桂花等[5]研究表明，种子吸水膨胀率几乎不受盐浓度的影响，而在萌发阶段，胚根生长、侧根的生长对盐很敏感，随着盐浓度的增加，其抑制作用逐渐增强。在发芽时间及发芽率2个方面，盐害对盐敏感品种的影响较耐盐品种更加显著[6]。在低盐含量条件下（0.05%~0.10% NaCl）大豆种子萌发延缓，而高浓度的盐则导致发芽率整体下降[7]。种子的萌发率及活力均随盐浓度的增加而下降，活力下降程度比萌发率下降程度大，说明盐对种子活力的危害大于萌发率。Abel等[7]用6个大豆品种、6种盐浓度进行试验，其结果表明，盐分降低了所有品种的发芽率和出苗率。

1.2盐对大豆植株性状的影响

Abel等[7]研究表明，在电导率为6.5 dS/m含盐量下，大豆株高及叶片大小在生育中期约为对照的90%，含盐量提高后，株高降低较叶片大小更为明显。Parker等[8]指出，氯的毒害引起植株叶片枯萎，在营养生长和开花早期受害植株的下部叶片可能脱落，盐害症状逐渐加重，直至全部叶片死亡；经过进一步研究发现，增加氯的施用量后，大豆品种Bragg叶片枯萎症状也增加，地上部及根部生长显著下降。常汝镇等[9]研究发现，无论大豆品种耐盐与否，在盐胁迫条件下，都表现株高降低，主茎节数和分枝数减少。罗庆云等[10]研究显示，盐胁迫使植株发育迟缓，茎节数减少，但是其胁迫程度因大豆品种耐盐性不同而存在差异。在高浓度盐胁迫下，耐盐性强的品种的植株茎节数所受的胁迫程度较大，而耐盐性相对较弱的品种的植株茎节数所受胁迫程度较小。盐胁迫对大豆的分枝数影响较大，与对照相比，敏盐品种分枝数下降了51.3%，耐盐品种下降19.6%[11]。盐胁迫对根长的影响相对较小，不同盐胁迫强度下植株最大根长的差异不及株高明显。刘玉杰等[12]用NaCl溶液处理二心一叶期的大豆幼苗，2周后测定结果表明，大豆品种的根系活力随着浓度的升高而减小。

1.3盐对大豆产量的影响

盐导致大豆籽粒产量下降，产量的降低幅度与盐的种类、浓度以及品种耐盐能力有密切关系。Abel等[7]的研究指出，加盐导致产量和百粒重分别下降30%和23%。邵桂花等[11]研究盐土地对大豆产量的影响，经进行多次产量测量，发现盐造成大豆减产的趋势是一致的。在山东省昌邑研究发现，用14～15 dS/m的咸水处理材料平均产量下降52.5%，用18～20 dS/m的咸水处理材料平均产量下降61.0%；在山东禹城研究发现，锦豆33在盐地的种植产量减少51.9%。从大豆的产量构成因素来分析，单株荚数和百粒重受盐害的影响较大，其中敏感的品种和耐盐品种的百粒重分别下降了31.4%和24.5%[11]。

1.4盐对大豆籽粒品质的影响

常汝镇等[9]与万超文等[13]的研究均显示在低盐浓度下大豆籽粒的蛋白质含量显著下降，且盐敏感品种的下降幅度更大，而在低盐处理对脂肪含量的影响研究表明，两者的研究结果不同。在高盐处理下，蛋白质含量提高显著，脂肪含量显著降低。在低盐浓度下棕榈酸、亚油酸含量降低，油酸、硬脂酸、亚麻酸相对含量及脂肪酸不饱和指数提高。高盐浓度下油酸含量提高，其他脂肪酸含量降低，耐盐品种的油酸、亚油酸变化与敏感品种相反。相同盐浓度对不同耐盐类型品种作用效应不同，耐盐品种的蛋白质、亚油酸、亚麻酸含量及脂肪酸不饱和指数高于盐敏感品种，其品质也优于盐敏感品种[13]。

2大豆耐盐机理

2.1离子运输

2.1.1有害离子的排拒。Na+的净吸收值等于Na+的总吸收和总排出的平衡量。当外界有大量的Na+存在时，Na+的电化学梯度会促进Na+进入细胞内。因此，在盐胁迫的环境条件下，Na+吸收是一种被动作用，然而Na+排出则是一种主动作用[14-15]。目前，学者尚未确定Na+吸收的分子途径。电子生理研究结果显示，部分的Na+吸收过程是透过Ca2+敏感、电压不依赖、环核苷酸抑制和低选择性的单价离子通道进行的[16-20]。

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邵桂花等[21]利用筛选出的耐盐品种和盐敏感品种配制了一系列正反杂交组合，进行耐盐性遗传分析，结果表明大豆耐盐主要受一对核基因控制，耐盐属显性，盐敏感为隐性；由于大豆植株排斥为显性，积累Cl-为隐性，因而认为Cl-是造成大豆盐害的主要离子。目前，拟南芥的SOS1是唯一被定位于细胞膜上与耐盐性有关的Na+/H+逆向转运蛋白[22]。在低浓度盐胁迫下，SOS1通过将Na+运至木质部来运输到地上部，而后Na+被运至叶片的液泡中贮藏来减轻毒害。在高浓度盐胁迫下，SOS1会抑制Na+在木质部汁液的运送，并通过促进根尖排出Na+[23]。

2.1.2有害离子的区域化。除了直接排拒外，把已进入细胞内的有害离子区域化，减轻其对敏感代谢系统的损害，是另一种有效的耐盐机理。有害离子的区域化有不同的层次，包括以植物器官/组织为划分或在植物单一细胞内分区贮存。部分盐生植物的叶片有特殊的排盐结构，包括盐腺和盐囊，能有效地把已进入体内的有害离子排走。Zhou等[24]发现野生大豆的腺毛是具有泌盐功能的盐腺。另一类器官水平的离子区域化，是通过协调木质部Na+的运输和韧皮部对其过量回收，把Na+贮藏于根部或老叶，以保护新叶和生长点。对大豆的研究显示，木质部薄壁细胞会分化为转运细胞，与导管小孔紧密结合。此外，盐胁迫还可诱导未分化的大豆木质部薄壁细胞向内生长[25]。

2.1.3离子运输的能量系统。液泡膜上的离子运输比较活跃，其中一部分是耗能的主动运输过程，能量来源主要靠H+泵。例如V型H+-ATPase和液泡膜焦磷酸酶可将H+泵入液泡，以便Na+/ H+逆向转运蛋白运作[26-28]。

2.2活性氧化物的清除

盐胁迫能影响细胞内活性氧化物的清除系统，从而引起氧化物胁迫。陈一舞等[29-30]研究发现SOD活性在细胞溶质中最高，而线粒体、叶绿体较少，而盐胁迫在降低SOD酶活性的同时，使细胞器的SOD酶谱类型也发生变化。除此确认的ROS清除系统外，其他能进行REDOX反应的酶亦有可能发挥清除ROS的作用。Rodrigues等[31]研究发现GmTP55转基因拟南芥同烟草在干旱、盐及活性氧化胁迫下都表现出明显的耐逆性。

2.3渗透调节

渗透调节是大豆耐盐的最常见方式，是指在一定的胁迫范围内，大豆通过细胞内积累对原生质无伤害的物质来调解细胞渗透势，从而达到抗渗透胁迫作用的耐盐方式。渗透调解物质的特征是分子量小、极易溶于水、在生理pH值的范围内不带净电荷、能为细胞膜所保持、很少引起酶结构的变化；它们的生成必须是迅速的，而且要积累到足够引起渗透调节作用的量。

3 大豆耐盐性鉴定方法

在盐胁迫下，大豆形态、农艺性状与生理生化性状都将受到影响。因此，在评价大豆的耐盐性时，选用形态指标还是生理生化指标，选用单一指标还是综合指标，是大豆耐盐研究工作者关注的重点问题。经过多年的研究，目前主要有以下几种评价方法。

3.1室内鉴定法

目前，对大豆进行室内耐盐性鉴定的方法有很多，根据鉴定介质划分，可以分为沙培法[32]、培养皿萌发期鉴定法[5]、营养液筛选法[33]、培养基法[34]等。根据鉴定指标划分，包括盐害指数指标法[35]、耐盐系数法[36]和综合指标鉴定法[37]等。室内鉴定耐盐性具有时间短、容量大、重复性强、环境影响小等优点。

3.2田间鉴定法

室内的耐盐性鉴定结果可以作为大豆耐盐性强弱的参考指标，但是要想把筛选出的耐盐品种应用于实际生产，还必须在田间进行鉴定，因为田间试验过程更接近于大田生产实际，其鉴定结果更有实际应用价值。邵桂花[38]利用抽提地下咸水，配以淡水，人为造成短期盐害，进行大田耐盐筛选研究来评定品种耐盐级别。通过试验建立了一套大豆种质资源耐盐性田间鉴定方法，确定了鉴定时期、处理浓度、调查标准以及评价耐盐等级的方法。但大田鉴定受到气候因素影响较大，若将田间鉴定和室内鉴定结合起来效果会更好。

4耐盐种质的筛选

大豆种质耐盐能力高低不一，且各生育阶段对盐害的反应也不同，耐盐性之间没有明显的相关性。为了充分利用自然界可得的丰富遗传资源，前人对大豆种质进行耐盐性筛选，筛选出的耐盐种质类型有芽期耐盐、苗期耐盐、全生育期耐盐。

李星华等[39]对山东省747、759份大豆品种分别进行芽期和苗期耐盐性鉴定，芽期耐盐的品种有141个，苗期耐盐品种90个，芽期和苗期均耐盐的有25个，其中鲁豆2号、鲁豆5号、文丰7号等品种的综合农艺性状也较为优良。马淑时等[35]对来源于吉林省和内蒙古的1 020份大豆品种进行耐盐性鉴定，经重复鉴定，筛选出芽期和苗期均耐盐的大豆品种42份，高耐盐大豆品种11份，其中2份育成品种为吉林23和吉林31。邵桂花等[40]在盐碱地上通过海水与淡水混合灌溉，筛选了1 716份大豆种质，其中1 556份种质来源于我国21个省份，160份种质则来源于其他国家，品种的耐盐性出现显著差异且各生长阶段表现相同。筛选出7个全生育期耐盐品种：文丰7号、文丰4号、济阳大黑豆、锦豆33、锦6606-24、丹豆2号、铁丰8号。随后，我国在1986―1990年对10 128份大豆种质进行大规模耐盐性评估。其中，9.1%的品种表现出芽期耐盐性，4.5%的品种表现苗期耐盐性，而2.8%的品种表现芽期与苗期均耐盐，83份种质表现耐盐性1级[11]。

鉴定大豆品种的耐盐性，要鉴定各主要生育阶段的耐盐机制，方能全面评价品种的耐盐性，而在生产上实际存在的首要问题是种子在盐碱地表层土壤中能否发芽出土，幼苗能否正常存活。同时苗期也是盐碱伤害最敏感的时期，而后随着生育阶段增进，盐害有减轻的趋势[40]。并且其后各生育阶段可通过采取有效的田间管理措施加以缓解。因此，筛选和选育耐盐大豆品种，侧重芽期及苗期的耐盐性是切实可行的。

5结语

我国的大豆种质资源十分丰富，经过多年的鉴定，已筛选出一批具有较高耐盐能力的品种。利用这些耐盐品种，一方面，可以加快开展大豆耐盐机制的解析，进行耐盐基因克隆、基因表达调控、胁迫信号的传导以及耐盐蛋白的功能鉴定和结构方面的研究；另一方面，可以把这些耐盐品种作为中间材料或耐盐基因的直接供体，借助常规育种和分子育种手段，将耐盐基因转入到有应用前景的盐敏感品种中，育成综合性状优良、产量较高的品种，这对于大豆生产具有重要意义。

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