植物生物資訊學方法有哪些不同型別？

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關鍵詞

生物資訊學、生物和非生物、全基因組關聯分析、下一代測序、植物育種、植物測序、植物病原體、序列分析、計算蛋白質組學、微陣列資料分析、生物本體、生物資料庫。

介紹

生物資訊學在當今的植物科學中發揮著至關重要的作用。隨著資料量的呈指數級增長，對資料管理、視覺化、整合、分析、建模和預測的工具和方法的需求也同步增長。分子生物學和基因組技術的重大進步導致了生物資訊呈指數級增長。

在植物生物技術中，來自許多植物物種的許多資料庫的資訊量呈指數級增長。高效的生物資訊學工具和方法也被開發出來，以允許快速基因組測序和在“組學”方法中研究植物基因組。

生物資訊學作為一個新興的跨學科領域，擁有許多工具和技術，這些工具和技術對於有效地將生物資料分類和組織到資料庫中至關重要。生物資訊學可以被稱為一個基於計算機的科學領域，它將數學、生物學和計算機科學應用到一個單一的學科中，用於分析和解釋基因組學和蛋白質組學資料。

簡而言之，生物資訊學的主要組成部分是 (a) 資料庫的收集和分析以及 (b) 軟體工具和演算法的開發作為解釋生物資料的工具。生物資訊學在其應用提供了各種型別的資料（包括核苷酸和氨基酸序列、蛋白質結構域和結構以及來自各種生物體的表達模式）方面在生物學的許多領域發揮著至關重要的作用。

植物育種的生物技術和生物資訊學

植物育種可以定義為改變或改良植物中所需的性狀，以生產改良的新作物，造福人類。生命科學在分子生物學和基因組學領域的革命，透過將基因組研究中獲得的知識和生物資料應用於作物，使植物育種取得了飛躍。

下一代測序 (NGS) 和其他測序技術的演變產生了大量生物資料，這些資料需要資料庫來儲存資訊。SNP 是同一物種基因組內獨特的等位基因變異，可以用作生物標記來定位與植物（如水稻、小麥和玉米）中所需性狀相關的基因。

水稻

在水稻生物技術中，最廣為人知的轉基因水稻之一是黃金大米。黃金大米是一種水稻品種，透過引入生物合成途徑將 β-胡蘿蔔素（維生素 A 原）引入主食，以解決維生素 A 缺乏症。

維生素 A 是人類必需的營養素，因為它有助於視覺發育、生長、細胞分化和免疫系統的增殖；維生素 A 攝入不足可能導致兒童失明、貧血和降低對感染的免疫反應。

小麥

小麥作為種植和消費最廣泛的作物，與水稻和玉米一起貢獻了我們日常生活中 60% 以上的卡路里和蛋白質。下一代測序 (NGS) 平臺和其他生物資訊學工具的進步揭示了小麥中廣泛的結構重排和複雜的基因含量，這徹底改變了小麥基因組學，提高了小麥產量及其對不同環境的適應性。

例如，全基因組關聯研究 (GWAS) 是基因組研究中使用的一種方法，它允許快速篩選原始資料以選擇具有農藝性狀的特定區域。

玉米

玉米是一種全球重要的作物，不僅在經濟影響方面用途廣泛，而且還可以作為植物基因組研究中基因型與表型關係的遺傳模型物種。

在包括玉米在內的幾種作物中引入 NGS 技術，實現了快速從頭基因組測序和大量基因組學和表型組學資訊的產生。利用這些工具整合和視覺化高質量資料，能夠快速確定感興趣的作物表型，這在改進植物育種方面發揮著至關重要的作用。

用於研究植物抗逆性的生物資訊學

植物的脅迫反應可分為生物和非生物。生物脅迫主要指病毒、真菌、細菌、昆蟲、線蟲和雜草等活生物體造成的負面影響，而非生物脅迫指極端溫度、乾旱、洪水、鹽鹼化和輻射等因素，這些因素會嚴重影響作物產量。

NGS 技術和其他強大的計算工具，允許對全基因組和轉錄組進行測序，導致了對植物在分子基礎上的脅迫反應進行了廣泛的研究。

研究植物病原體抗性的生物資訊學方法

植物病原體的研究在植物病害的研究中起著至關重要的作用，包括病原體鑑定、病害病因、抗病性和經濟影響等。植物透過複雜的防禦系統保護自己免受各種病原體的侵害，包括昆蟲、細菌、真菌和病毒。透過應用不同的生物資訊學工具，可以將植物-病原體相互作用在轉錄組學和蛋白質組學背景下的更清晰的圖景視覺化，這反過來使得在植物中工程化抗微生物病原體的能力成為可能。

生物資訊學在植物生物技術中的應用

• 將生物資訊學和計算生物學引入植物生物學領域正在極大地加速生命科學的科學發明。

• 序列分析是從生物體的基因組中獲得全基因組序列（如 DNA、RNA 和蛋白質序列）的最基本方法。

• 完整的序列資料包含編碼和非編碼區域，可以作為任何功能基因的必要前體，這些功能基因決定了生物體所具有的獨特特徵。

• 隨著下一代測序 (NGS) 和一些其他組學技術用於檢查植物基因組學的出現，越來越多的植物基因組序列將被揭示。

• 為了處理這些海量資料，生物資訊學的發展和實施使科學家能夠以系統的方式捕獲、儲存和組織這些資料到資料庫中。

結論

擁有數學和程式設計技能的生物資訊學家和專家將在為生物資訊學帶來新的方法和知識方面發揮重要作用，這不僅有利於植物生物技術和農業部門的進步，而且有利於人類的未來。

生物資訊學在農業部門的發展中發揮著重要作用，因為它有助於研究抗逆性和植物病原體，這對推進作物育種至關重要。迫切需要有效的生物資訊學工具，這些工具可以提供更長的讀取和無偏見的覆蓋範圍，以克服植物基因組的複雜性。