第一篇：生物學(xué)軟件在核酸序列比對與系統(tǒng)發(fā)育分析中的應(yīng)用

生物學(xué)軟件在核酸序列比對與系統(tǒng)發(fā)育分析中的應(yīng)用

摘要 通過ClustalX2.1、Boxshade、DNAman和MEGA6等軟件的使用，介紹了生物學(xué)軟件在核酸序列比對、著色美化、序列分析和植物系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建中的應(yīng)用。并結(jié)合具體實(shí)例，采用鄰接法對核基因組中的內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)序列進(jìn)行了構(gòu)樹，進(jìn)化枝的可信度較高，表明該方法適用于相似度較高、親緣關(guān)系較近序列的系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建。

關(guān)鍵詞 序列比對；鄰接法；系統(tǒng)發(fā)育樹；構(gòu)建

中圖分類號 Q7；TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）12-0347-02

Application of Biology Software in the Nucleic Acid Sequence Alignment and Phylogenetic Analysis

WANG Xiao-guo

（Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia Henan 472000）

Abstract This paper introduced the application of biology software in the nucleic acid sequence alignment，beautification，sequence analysis and plant phylogenetic tree construction through the use of software such as ClustalX 2.1，Boxshade，DNAman and MEGA 6.Combined with the specific example，constructed neighbor-joined tree according to internal transcribed spacer of nuclear genome sequences，and the credibility of clade was higher，so the method was suitable for the close genetic relationship sequence in the construction of phylogenetic tree.Key words sequence alignment；neighbor-joined method；phylogenetic tree；construct

核酸序列比對（Nucleic acid sequence alignment）又稱為核酸序列聯(lián)配，是通過2個或多個核酸序列的比對，顯示出其中相似結(jié)構(gòu)區(qū)域的過程[1]，是進(jìn)一步進(jìn)行相似性、序列間親緣關(guān)系和系統(tǒng)發(fā)育分析的基礎(chǔ)[2-3]。在系統(tǒng)發(fā)育分析中，最常用的可視化表示進(jìn)化關(guān)系的方法就是繪制系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹（Phylogenetic trees）。系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建有非加權(quán)分組平均法（Unweighted-pair-groop-method with arithmetic means，UPGMA）、鄰接法（Neighbor-joined，NJ）、最大簡約法（Maximum parsimony，MP）和最大似然法（Maximum likelihood，ML）等多種方法[4]，由于鄰接法具有構(gòu)建的樹相對準(zhǔn)確、假設(shè)少且計算速度快的特點(diǎn)，因而是目前最常用的方法之一。但NJ法所分析序列的遺傳距離不能太大，適用于相似度較高、親緣關(guān)系較近的短序列[5]。

核基因組序列中的內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（Internal transcribed spacer，ITS）主要編碼植物的核糖體RNA，屬于中度保守序列，因此可用于較低分類階元的系統(tǒng)發(fā)育研究[6-7]。本文以Ziziphus Mill.的部分ITS序列為對象，介紹了ClustalX2.1[8-9]、Boxshade、DNAman和MEGA6[10]等軟件在序列比對、著色美化、序列分析和植物系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建中的應(yīng)用。序列獲取

從NCBI網(wǎng)站（http：//）或Espript在線工具（http：//espript.ibcp.fr/ESPript/cgi-bin/ESPript.cgi）對aln文件進(jìn)行著色美化。將aln文件序列粘貼到Boxshade序列框中，點(diǎn)擊“Run boxshade”，結(jié)果以.ps格式存儲，用Ghostview和Ghostspript軟件打開，如圖3所示。DNAman多序列比對和序列一致性

DNAman軟件除了可對序列進(jìn)行比對之外，還可進(jìn)行引物的設(shè)計、限制性內(nèi)切酶和質(zhì)粒圖譜的繪制，功能較為強(qiáng)大。雙擊DNAman圖標(biāo)，打開“File”菜單→“Open”，選擇four sequences.aln文件，再打開“Sequence”菜單→“Alignment”→“Multiple sequence alignment”，從顯示結(jié)果可看出，這4條ITS序列的序列一致性為90.10%（圖4），結(jié)果可以以Phylip、Clustal和GCG等多種格式輸出。MEGA進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析

4.1 打開分子進(jìn)化遺傳分析（Molecular evolution genetic analysis，MEGA）軟件

由于MEGA只能識別.meg文件格式，故需要對.aln格式的文件進(jìn)行轉(zhuǎn)化。點(diǎn)擊“File”→“Convert file format to MEGA”，將.aln格式文件轉(zhuǎn)化為.meg格式，存儲于桌面上，命名為four sequences.meg。或進(jìn)行在線文件格式轉(zhuǎn)換（http：//sing.ei.uvigo.es/ALTER/）。

4.2 主窗口中打開“Phylogeny”菜單

可以看到，MEGA提供了UPGMA法、NJ法、MP法和ML法等多種算法，如前所述，NJ法在處理相似度較高、親緣關(guān)系較近的序列時是最可靠的一種算法。選擇“Construct/Test neighbor-joined tree”，在彈出的對話框“Options summary”→“Test phylogeny”中，選擇“Bootstrap method”，重復(fù)次數(shù)為1000次，模式框中選擇Kimura-2-parameter model對進(jìn)化樹進(jìn)行評估（圖5），本次所構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹如圖6所示。

從構(gòu)建的NJ樹可知，基因登錄號為EU075099和EU07 5097的序列聚為一類，bootstrap支持率為97%，表明該進(jìn)化枝的可信度較高。結(jié)語

本文以Ziziphus Mill.的部分ITS序列為對象，介紹了ClustalX、Boxshade、DNAman和MEGA等軟件在序列比對、著色美化、序列分析和植物系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建中的應(yīng)用。在此需要特別指出，在基于序列構(gòu)建進(jìn)化樹的過程中，由于不同的算法，不同的重復(fù)次數(shù)，選用不同的模型所構(gòu)建的樹是不完全相同的[11]，因此，這種單純的依靠某段核酸序列建立的進(jìn)化樹只能提供物種進(jìn)化的部分信息，而不能完全代表該物種進(jìn)化的全過程。參考文獻(xiàn)

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第二篇：生物學(xué)在日常生活中的應(yīng)用

生物在我們生活中無處不在！

經(jīng)常有老師們在私下進(jìn)行交流，特別羨慕生物課堂，因?yàn)樗錆M樂趣、有意思，而實(shí)際上我們身臨其境的老師卻只有苦笑，生物學(xué)科雖然作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，但在初中階段一直處于兩難：課本知識枯燥、現(xiàn)實(shí)生活無用，生物學(xué)科成了二張皮，不能真正溶到學(xué)生的生活中，而且在中考指揮棒的隱性弱化，這都無疑讓生物課處于尷尬的地位。

二十一世紀(jì)初，美國教育學(xué)家杜威提出：對于科學(xué)，學(xué)生要掌握的不只是知識，還應(yīng)包括過程和方法。他主張開展探究教學(xué)，以培養(yǎng)和提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，讓學(xué)生積極地“做”科學(xué)，而不是被動的“讀”科學(xué)。

伴隨新課程提出的關(guān)注學(xué)生的全面發(fā)展，培養(yǎng)提高學(xué)生的基本生物科學(xué)素養(yǎng)，突出創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，生物課是初中階段的一門基礎(chǔ)課，也是與日常生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，自身健康息息相關(guān)的一門學(xué)科，因此在生物教學(xué)中以知識點(diǎn)為依托，從生活生產(chǎn)中蘊(yùn)含的知識激發(fā)學(xué)生的興趣點(diǎn)，不斷培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，應(yīng)用知識解決實(shí)踐問題的能力，而這正是使生物學(xué)煥發(fā)生命活力的最佳切入點(diǎn)，我認(rèn)為在生物教學(xué)中貫徹“從實(shí)踐中來，到實(shí)踐中去”，充分發(fā)揮生物學(xué)學(xué)以致用的作用，恰恰可以突破生物教學(xué)的困境的瓶頸。

經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，我采取以下方法注重學(xué)生解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。

一、從課堂內(nèi)容中延伸

在學(xué)習(xí)細(xì)菌、真菌對疾病防治的過程中，一提到抗生素，學(xué)生們馬上想到青霉素和輸液，這是不夠的，通過《科學(xué).技術(shù).社會》中抗生素今昔的介紹和課后練習(xí)題2相結(jié)合，讓學(xué)生明確了抗生素的含義及在生活中如何正確應(yīng)用，同時課后布臵了一道開放題：收集生活中人們對抗生素的認(rèn)識及應(yīng)用。隨后的課上，學(xué)生不僅交流介紹了常用抗生素的種類、應(yīng)用方法、人們的用法、濫用抗生素的后果，甚至還有同學(xué)從藥房里拿到所有抗生素的藥品成分說明書，對全班同學(xué)進(jìn)行抗生素的優(yōu)缺點(diǎn)分析。事后，一位學(xué)生對我說，她回去對她媽媽說今后生病應(yīng)該怎樣合理使用抗生素。還有對于傳染病的相關(guān)知識，同學(xué)們現(xiàn)在也能學(xué)以致用了。而這種現(xiàn)象正是生物學(xué)應(yīng)該給予學(xué)生最有用的。

課堂教學(xué)的反饋中，認(rèn)真用好課后練習(xí)，其實(shí)課文后面的思考題很多是讓學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識，聯(lián)系生產(chǎn)生活問題的。如“早春播種后用塑料薄膜覆蓋地面，為什么會促進(jìn)出苗”？這在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是地膜覆蓋問題，而在生物學(xué)中是溫度對種子萌發(fā)的影響問題，即通過地膜覆蓋可以提高地表層土壤的溫度，從而促使種子提早萌發(fā)，再就是家里養(yǎng)花為什么要松土，為什么要換盆，家里養(yǎng)的魚為什么長時間不換水會有綠苔，經(jīng)過這樣貼近生活的問題的引入，引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，并激發(fā)學(xué)生學(xué)以致用，以用促學(xué)，越學(xué)越有勁。

二、從自身體驗(yàn)中深入

從心理的觀點(diǎn)來看，人們一般傾向于對與自己有直接或間接的事件、活動感興趣，對于自己充當(dāng)角色的活動，這種興趣會更加強(qiáng)烈，因此在教學(xué)中要高度重視學(xué)生的參與，讓學(xué)生從自身體驗(yàn)中去感知，使他們在參與中發(fā)展和提高實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

在學(xué)習(xí)完食物的營養(yǎng)與吸收后，關(guān)注合理營養(yǎng)過程中，我們選取從學(xué)生的一日三餐中入手：你最喜歡吃的菜和你認(rèn)為最有營養(yǎng)的菜，讓他們談?wù)勛约簩I養(yǎng)的看法和認(rèn)識，在小組充分討論合作設(shè)計營養(yǎng)餐的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生再分析哪類食物在哪里消化在哪里吸收在哪里利用等等，深入到生活實(shí)際中，開展對現(xiàn)實(shí)生活中初中生的營養(yǎng)狀況分析，同學(xué)們完成分析之后，不僅充分消化吸收了營養(yǎng)的相關(guān)知識，還提高了對生活問題進(jìn)行實(shí)際解決的能力。

三、從社會焦點(diǎn)、熱點(diǎn)中引入

對同學(xué)們普遍關(guān)注的話題，多用實(shí)例、多用客觀的內(nèi)容引起他們的警覺，如“如關(guān)于艾滋病的學(xué)習(xí)中，通過問卷調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生們對艾滋病的認(rèn)識還存在很大的盲區(qū)：什么途徑、什么方式進(jìn)行傳播，怎樣與艾滋病人交往等，開設(shè)“艾滋病及預(yù)防”相關(guān)內(nèi)容的專題課，通過專題課的講授，再組織學(xué)生完成防艾小報，不僅有利于他們順利渡過“危險期”，而且對于他們形成社會責(zé)任心，提高自身素質(zhì)也具有一定的意義。

例如蔬菜大棚為什么要經(jīng)常通風(fēng)？在移栽樹苗或蔬菜時，為什么要去掉一些葉片？鋤地的目的是什么？果蔬貯藏為什么采取低溫、低壓法？新疆地區(qū)的瓜果為啥特別甜？蠶農(nóng)為什么給末齡家蠶噴施保幼激素？糖漬、鹽漬食品為什么不會變質(zhì)？“發(fā)面”時為什么要加入酵母粉？加酶洗衣粉為什么不能用開水溶化？近親結(jié)婚的后代為什么容易得遺傳??？

當(dāng)然，關(guān)于生物學(xué)知識在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用的例子還有很多，如轉(zhuǎn)基因食品、克隆動物等。這說明生物學(xué)與人類的生活息息相關(guān)，我們在教學(xué)過程中要注意聯(lián)系和引入這樣的例子，以引起學(xué)生的思考和探究，加深他們對知識的理解，為自己將來從事生產(chǎn)勞動或生活做好知識儲備。

在學(xué)習(xí)植物蒸騰作用時，課堂讓學(xué)生用干燥塑料袋罩緊花盆里一株菊花上方，過一段時間，學(xué)生觀察到塑料袋內(nèi)出現(xiàn)水霧。通過這一實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，學(xué)生加深對蒸騰作用的理解。教師又讓學(xué)生把森林與氣候關(guān)系用動畫圖片連貫起來：一草一木構(gòu)成森林，成片森林蒸騰作用產(chǎn)生大量水分，匯集到天空，形成云霧，大量云霧聚集形成烏云，烏云碰擊最后形成雨滴降落下來，滋潤地球上的萬物，這樣使抽象的知識具體化，學(xué)生容易理解森林調(diào)節(jié)氣候的原理，深深體驗(yàn)到了“大樹底下好乘涼”。教師有目的性地把書本知識與有關(guān)社會實(shí)際問題結(jié)合起來，學(xué)生愿意學(xué)習(xí)，豐富了書本知識，拓展了教材的局限，也培養(yǎng)了學(xué)生環(huán)保意識。用生物學(xué)的觀點(diǎn)來關(guān)注社會問題，不僅培養(yǎng)了學(xué)生自我研討的能力，還無形中提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

四、從科技活動中強(qiáng)化

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力，不僅體現(xiàn)在課堂教學(xué)活動中，而且更為突出的體現(xiàn)和落實(shí)在各種課外科技活

動中，學(xué)生在課外科技活動中可以不受教材和教師傾向的束縛，獨(dú)立自主的發(fā)展，用科技小活動來創(chuàng)造學(xué)生學(xué)習(xí)生物的興趣，如：自己種植土豆、豆芽，養(yǎng)殖泥鰍，制作葉脈書簽，采集制作昆蟲標(biāo)本，蚯蚓生活狀態(tài)實(shí)驗(yàn)，家庭酸奶的制備，甜酒的制作等。

調(diào)動學(xué)生積極地參與課外活動，如組織采集制作生物標(biāo)本，參觀苗圃、花園，做校園環(huán)保調(diào)查，辦《生物小報》等，學(xué)生通過他們參與這些豐富多彩的課外活動，可以培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力，開闊視野，拓寬知識面。

五、順口溜及俗語的引入

在現(xiàn)在的生物考試中，經(jīng)常出現(xiàn)一些成語、諺語、歇后語等等知識與生物知識的結(jié)合：如：

在夏天的時候，我們經(jīng)?？吹揭环N現(xiàn)象“蜻蜓點(diǎn)水”，請問這是什么現(xiàn)象？考察蜻蜓產(chǎn)卵的方式； “兒童急走追黃蝶，飛入菜花無處尋?！笨疾靹游锏谋Ｗo(hù)色；

“有收無收在于水，收多收少在于肥。”考察水和無機(jī)鹽對植物生長的作用；

“種瓜得瓜，種豆得豆?！笨疾爝z傳現(xiàn)象；

“大魚吃小魚，小魚吃蝦米，蝦米吃泥巴。”考察生態(tài)中的食物鏈和食物網(wǎng)的知識，還有 “螳螂捕蟬，黃雀在后?！保?/p>

“桔生淮南為桔，生淮北則為枳”考察溫度對生物生長的影響；

“山上多植樹，勝似修水庫，有雨它能吞，無雨它能吐?！笨疾毂３炙?、涵養(yǎng)水源的重要性；

同時還可以借助成語與謎語知識來考察生物學(xué)的概念。如：

視而不見——保護(hù)色；望而生畏——警戒色；以假亂真——擬態(tài)；移花接木——嫁接；鸚鵡學(xué)舌——模仿行為；孔雀開屏——求偶行為；望梅止渴——條件反射；種豆南山下，草盛豆苗稀——競爭；無中生有——隱性；有中生無——顯性

這樣的題目的出現(xiàn)，即擴(kuò)大了學(xué)生的知識面，又考察了學(xué)生的生物學(xué)常識。因此在平時多積累這方面的素材，并在平時的授課當(dāng)中適當(dāng)?shù)臐B透，既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又讓學(xué)生抓住了特點(diǎn)，更利于知識的記憶。另外在以往的聽課中，有些教師自編了順口溜，這樣讓學(xué)生記起來不僅瑯瑯上口，而且效果更較明顯。如我在講到維生素的功能的時候，就借用了一個：A，火眼金睛看得清；B，腦筋急轉(zhuǎn)我最靈；C，大力水手羨慕我；D，加鈣增高我能贏；還有一個小小E，不怕病菌來入侵……。這樣不僅使學(xué)生一下胃口大開，課堂氣氛異?；钴S，而且，許多的學(xué)生還在反復(fù)的哼唱。

興趣是最好的老師，興趣需要我們教師的正確引導(dǎo)和培養(yǎng)與呵護(hù)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中找到了樂趣，一定能事半功倍。而且在討論、角色扮演、各種科學(xué)探究活動中，不僅能提高學(xué)生的動手操作能力，還能發(fā)展創(chuàng)新意識，提高實(shí)踐能力，圍繞從“從實(shí)踐中來，到實(shí)踐中去”無疑能更好地促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，用理論解決實(shí)踐將是點(diǎn)燃學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)熱情的火把?！蹶?/p>

第三篇：淺談生物信息學(xué)在生物學(xué)研究中的應(yīng)用

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淺談生物信息學(xué)在生物學(xué)研究中的應(yīng)用

生物信息學(xué)（Bioinformatics）是一門新興的、正在迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，目前國內(nèi)外對生物信息學(xué)的定義眾說紛紜，沒有形成統(tǒng)一認(rèn)識。概括來說，現(xiàn)代生物信息學(xué)是以核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子數(shù)據(jù)庫及其相關(guān)的圖書、文獻(xiàn)、資料為主要對象，以數(shù)學(xué)、信息學(xué)、計算機(jī)科學(xué)為主要手段，對浩如煙海的原始數(shù)據(jù)和原始資料進(jìn)行存儲、管理、注釋、加工，使之成為具有明確生物意義的生物信息。并通過對生物信息的查詢、搜索、比較、分析，從中獲得基因的編碼、凋控、遺傳、突變等知識；研究核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系；研究它們在生物體內(nèi)的物質(zhì)代謝、能量轉(zhuǎn)移、信息傳導(dǎo)等生命活動中的作用機(jī)制。

生物信息在生物學(xué)研究上的應(yīng)用主要包括在基因組學(xué)研究上的應(yīng)用和在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的應(yīng)用。

1.在基因組學(xué)研究中的應(yīng)用

基因組（genome）表示一個生物體所有的遺傳信息的總和。一個生物體基因所包含的信息決定了該生物體的生長、發(fā)育、繁殖和消亡等所有生命現(xiàn)象。有關(guān)基因組的研究稱為基因組學(xué)(Genomics)，基因組學(xué)根據(jù)研究重點(diǎn)的不同分為序列基因組學(xué)(Sequence genomics)、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(Structural genomics)、功能基因組學(xué)(Functional genomics)與比較基因組學(xué)(Comparative genomics)。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的研究：結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(Structural genomics)是基于基因組學(xué)的一個重要組成部分和研究領(lǐng)域，它是一門通過基因作圖、核苷酸序列分析確定基因組成、基因定位的科學(xué)口。生物信息學(xué)在結(jié)構(gòu)基因組學(xué)中的應(yīng)用主要在于：基因組作圖、核苷酸序列信息分析、基因定位、新基因的發(fā)現(xiàn)和鑒定等方面。比較基因組學(xué)的研究：借助生物信息學(xué)的手段對不同生物基因組的比較、分析，可以進(jìn)行生物進(jìn)化等方面的研究。

功能基因組學(xué)的研究：功能基因組學(xué)(Functional genomics)是指在全基因組序列測定的基礎(chǔ)上，從整體水平研究基因及其產(chǎn)物在不同時空、條件下的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系及活動規(guī)律的學(xué)科。功能基因組的研究是后基因組時代的關(guān)鍵點(diǎn)，它將借助生物信息學(xué)的技術(shù)平臺，利用先進(jìn)的基因表達(dá)技術(shù)及龐大的生物功能檢測體系，從浩瀚無垠的基因庫篩選并確知某一特定基因的功能，并通過比較分析基因及其表達(dá)的狀態(tài)，確定出基因的功能內(nèi)涵，揭示生命奧秘，甚至開發(fā)出基因產(chǎn)品。

2.在蛋白質(zhì)組學(xué)的研究中的應(yīng)用

在20世紀(jì)中后期，隨著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出和蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的解析，生生命科學(xué)的研究進(jìn)入了分子生物學(xué)時代，而遺傳信息載體DNA和生命功能的體現(xiàn)者蛋白質(zhì)的研究，成為了其主要內(nèi)容。90年代初期啟動的龐大的人類基因組計劃，已經(jīng)取得巨大的成在20世紀(jì)中后期，隨著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出和蛋白質(zhì)

空間結(jié)構(gòu)的解析，生生命科學(xué)的研就，人類基因組序列草圖繪制完成后，生命科學(xué)研究跨入了后基因組時代。然而，人們清醒地識到基因僅是遺傳信息的載體，而生命活動的執(zhí)行者是基因的表達(dá)產(chǎn)物—蛋白質(zhì)，它是生命現(xiàn)象復(fù)雜性和多變性的直接體現(xiàn)者。

蛋白質(zhì)組一詞是澳大利亞學(xué)者馬克威爾金斯在1994年最先提出來的，它是指基因組表達(dá)的所有相應(yīng)的蛋白質(zhì)，也可以說是指細(xì)胞或組織或機(jī)體全部蛋白質(zhì)的存在及其活動方式。蛋白質(zhì)組學(xué)是從整體的蛋白質(zhì)水平上,在一個更加深入、更加貼近生命本質(zhì)的層次上去探討和發(fā)現(xiàn)生命活動的規(guī)律和重要生理、病理現(xiàn)象的本質(zhì)等。蛋白質(zhì)組學(xué)的研究對揭示生命活動規(guī)律，探討重大疾病機(jī)制，疾病診斷和防治、新藥的開發(fā)提供重要的理論基礎(chǔ)。

生物信息學(xué)在蛋白質(zhì)組學(xué)中的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

2.1蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫

蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫是蛋白質(zhì)組學(xué)研究的主要內(nèi)容之一。通過構(gòu)建不同環(huán)境條件下組織或細(xì)胞全部蛋白質(zhì)的數(shù)據(jù)庫來研究蛋白質(zhì)表達(dá)的差異情況。與其他數(shù)據(jù)庫相比, 目前大部分蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫都有以下幾個方面的特點(diǎn):（1）由于蛋白質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)的種類繁多,蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫的種類也多種多樣,如雙向電泳數(shù)據(jù)庫、基于蛋白序列的數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)一級或高級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)相互作用數(shù)據(jù)庫等等;（2）新速度快,網(wǎng)絡(luò)上的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)幾乎每天都在更新;（3）網(wǎng)共享程度高, 越來越多的數(shù)據(jù)庫資源與互聯(lián)網(wǎng)相互配合,使得蛋白質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)的利用率空前的提高。蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容即集中在基于雙向電泳結(jié)果的數(shù)據(jù)庫和基于蛋白質(zhì)序列信息的數(shù)據(jù)庫。

2.1.1基于雙向電泳圖譜的數(shù)據(jù)庫

雙向電泳技術(shù)是蛋白質(zhì)組學(xué)研究中最重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一，所以基于雙向電泳圖片的數(shù)據(jù)庫也成了蛋白質(zhì)組學(xué)研究中主要內(nèi)容。

2.1.2 基于蛋白質(zhì)序列信息的數(shù)據(jù)庫

基于蛋白質(zhì)序列信息的數(shù)據(jù)庫是生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫中最基本的數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫以氨基酸殘基順序?yàn)榛緝?nèi)容，并附有注釋信息（計算機(jī)的序列分析結(jié)果和生物學(xué)家查閱文獻(xiàn)的結(jié)果）?；诘鞍踪|(zhì)序列的數(shù)據(jù)庫很多，主要有蛋白質(zhì)信息資源數(shù)據(jù)庫（PIR）、SWISS3D和 TrEMBL等等。

2.1.3 其他蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫

蛋白質(zhì)生物信息學(xué)包含很多方面的內(nèi)容：如蛋白質(zhì)大分子的結(jié)構(gòu)、相互作用等等，所以，除了上述的一些數(shù)據(jù)庫之外，還有很多關(guān)于構(gòu)象、相互作用等方面的數(shù)據(jù)庫，是基于質(zhì)譜應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫，屬于混合數(shù)據(jù)庫。將生物信息學(xué)的實(shí)驗(yàn)思路引入蛋白質(zhì)組學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案后，實(shí)驗(yàn)人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)上的信息設(shè)計實(shí)驗(yàn)方

案，避免了很多重復(fù)性的勞動，少走很多彎路，為蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展提供了可靠的信息資源。值得一提的是，上文提到的大多數(shù)數(shù)據(jù)庫都能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、在線查詢和空間結(jié)構(gòu)的可是化瀏覽等多種功能。而且，幾乎所有這些數(shù)據(jù)庫都是免費(fèi)的，都可以免費(fèi)下載或提供免費(fèi)服務(wù)，使得蛋白質(zhì)組學(xué)可以在生物信息學(xué)的輔助之下快速發(fā)展。

2.2生物信息學(xué)與蛋白質(zhì)分析

在蛋白質(zhì)組分析過程中，生物信息學(xué)的作用不僅僅體現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫的查閱和資料的整合中，生物信息學(xué)軟件在蛋白質(zhì)組研究領(lǐng)域的作用根式至關(guān)重要的。蛋白質(zhì)分析軟件應(yīng)用主要集中在結(jié)合蛋白質(zhì)組研究中的分離技術(shù)和堅定技術(shù)識別蛋白質(zhì)（如2-DE）圖像分析、Edman降解的序列組合、質(zhì)譜數(shù)據(jù)的綜合分析等），對有價值的未知蛋白質(zhì)進(jìn)行分析和預(yù)測（包括序列分析、結(jié)構(gòu)預(yù)測、結(jié)構(gòu)域、電點(diǎn)等性質(zhì)的檢測等）、針對蛋白質(zhì)的分析預(yù)測方法應(yīng)用的工具有4個方面。

2.2.1 蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)20中氨基酸的理化性質(zhì)可以分析電泳等實(shí)驗(yàn)中的未知蛋白質(zhì)，同樣也可以分析已知蛋白質(zhì)的物化性質(zhì)。設(shè)計PROPSEARCH的目的是為了通過排比方法查詢一個新的蛋白質(zhì)序列失敗時,查找公認(rèn)的蛋白質(zhì)家族而設(shè)計的。PROPSEARCH可以通過氨基酸組分來查詢,同時也可以通過其他的特性來進(jìn)行查詢,如從序列中計算所得的分子量、挑選的二肽組分的含量等。

2.2.2 蛋白質(zhì)的物理性質(zhì)預(yù)測

從蛋白質(zhì)序列出發(fā)，預(yù)測蛋白質(zhì)的許多物理性質(zhì)，包括等電點(diǎn)、分子量、酶切特性、疏水性、電荷分布等。

2.2.3蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測

二級結(jié)構(gòu)是指α螺旋和β折疊等規(guī)則的蛋白質(zhì)局部結(jié)構(gòu)元件。蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)預(yù)測的基本依據(jù)是每一段相鄰的氨基酸殘基具有形成一定二級結(jié)構(gòu)的傾向。因此,進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)預(yù)測需要通過統(tǒng)計和分析發(fā)現(xiàn)這些傾向或者規(guī)律。蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測的方法有3種。一是由已知結(jié)構(gòu)統(tǒng)計各種氨基酸殘基形成二級結(jié)構(gòu) 的構(gòu)象趨勢,其中最常用的是Chou和Fasman 法;二是基于氨基酸的物理化學(xué)性質(zhì),包括堆積性、疏水性、電荷性、氫鍵形成能力等;三是通過序列比對,由已知三維結(jié)構(gòu)的同源蛋白推斷未知蛋白的二級結(jié)構(gòu)。各種方法預(yù)測的準(zhǔn)確率隨蛋白質(zhì)類型的不同而變化。一般對于α螺旋預(yù)測精度較好,對β折疊差些,而對除α螺旋和β折疊等之外的無規(guī)則二級結(jié)構(gòu)則效果很差。

2.2.4蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)是預(yù)測時最復(fù)雜和最困難的預(yù)測技術(shù)。序列差異較大的蛋白質(zhì)序列也可能折疊成類似的三維構(gòu)象。由于蛋白質(zhì)的折疊過程并不十分清晰,從理論上解決蛋白質(zhì)折疊的問題還有待進(jìn)一步的科學(xué)發(fā)展,但也有了一些有一定作

用的三維結(jié)構(gòu)預(yù)測方法。即與已知結(jié)構(gòu)的序列比較,同源模建,threading算法和 折疊識別方法。常見的預(yù)測算法有:SWISS-MODEL(自動蛋白質(zhì)同源模建服務(wù)器)、CPHmodels等。

2.3 生物信息學(xué)與蛋白質(zhì)功能

生物信息學(xué)發(fā)展到今天不僅可以對蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測，而且可以對已知或者未知的基因產(chǎn)物進(jìn)行功能上全面的分析和預(yù)測。

生物信息學(xué)最常用的分析方法是模式識別。主要是利用存在于蛋白質(zhì)序列結(jié)構(gòu)中的某些特殊的特征模體來識別相關(guān)蛋白質(zhì)性質(zhì)。換而言之，就是從新的蛋白序列中發(fā)現(xiàn)標(biāo)志性的序列或者結(jié)構(gòu)，以此建立模式，然后在已經(jīng)建立好的已知蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中，搜集于此相似的模式，來確定未知蛋白質(zhì)的歸屬，從而預(yù)測它的功能。許多基因是在特定時期和條件下被激活，才能表達(dá)出來，在正常人工模擬的環(huán)境下根本無法表達(dá)。類似于這樣的恩未知蛋白質(zhì)也需要通過生物信息學(xué)的方法計算分析預(yù)測，以獲得它的功能信息。

生物信息學(xué)的發(fā)展將給生命科學(xué)研究帶來革命性的變革，將幫助人類認(rèn)識生命的起源、進(jìn)化、遺傳和發(fā)育的本質(zhì)，揭示人體生理和病理過程的分子基礎(chǔ)，為人類疾病的預(yù)測、診斷、預(yù)防和治療提供合理和有效的方法或途徑，同時還將對醫(yī)藥、衛(wèi)生、食品、農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的推動作用，甚至可能引發(fā)新的產(chǎn)業(yè)革命。21世紀(jì)是生命科學(xué)的時代，生物信息學(xué)為生命科學(xué)的發(fā)展提供了便利和強(qiáng)有利的技術(shù)支持，推動著生命科學(xué)的迅速發(fā)展。

第四篇：淺談比喻在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

淺談比喻在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

譚邦應(yīng)

（湖北省秭歸縣職教中心

443600）

著名教育家夸美紐斯曾說：“興趣是創(chuàng)造一個歡樂和光明的教學(xué)環(huán)境的主要途徑之一”。當(dāng)學(xué)生對學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣時，學(xué)習(xí)起來就會積極主動、精力充沛、信心百倍。高中生物學(xué)教材中有很多概念性的知識表述往往比較抽象枯燥，顯得深奧難懂，如果在教學(xué)中引用一些恰當(dāng)?shù)谋扔?，就可以使這些知識變得形象生動、通俗易懂，從而大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。下面舉幾個例子間要說明比喻在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

1用儲蓄存款比喻人體內(nèi)的能源物質(zhì)

人體內(nèi)的能源物質(zhì)有ATP、葡萄糖、肝糖元、脂肪等，它們?yōu)闄C(jī)體供能時有先后順序并且高協(xié)調(diào)?？梢赃@樣比喻：

ATP——零花錢。其特點(diǎn)是數(shù)目不多，但可以隨時利用存折向銀行支取。葡萄糖——活期存折。當(dāng)機(jī)體內(nèi)ATP含量下降，可立即由葡萄糖分解補(bǔ)充。

肝糖元、脂肪——定期存折。如機(jī)體內(nèi)能量過多，會合成糖元和脂肪等大分子物質(zhì)儲存起來。肝糖元則屬于定期較短的存折，脂肪相當(dāng)于定期較長的那種，在饑荒年月（如動物冬眠）就可排上大用場了。2 噬菌體侵染細(xì)菌的程好比是醫(yī)生在給病人注射

在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對噬菌體侵染細(xì)菌的過程容易誤認(rèn)為是整個噬菌體都侵入了，通過以下比喻可以讓學(xué)生一次性記住。

蛋白質(zhì)外殼——注射器，醫(yī)生給病人注射時，注射器自然是留在外面的。注射液——DNA，噬菌體侵染細(xì)菌以后，只有DNA進(jìn)入到細(xì)菌內(nèi)部去了。蛋白質(zhì)的合成過程可以比喻為人們織毛衣

氨基酸——毛絨，毛絨是構(gòu)成毛線的基本單位，氨基酸則是構(gòu)成蛋白質(zhì)基本單位。

多肽鏈——毛線，把氨基酸脫水縮合成多肽鏈比作是用毛絨紡成毛線。蛋白質(zhì)——毛衣，由多肽鏈折疊盤旋而成蛋白質(zhì)就好象是用毛線編織成的毛衣，有它獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)。DNA的空間結(jié)構(gòu)很象是一架螺旋狀的梯子

多核苷酸鏈——扶手，由脫氧核糖和磷酸交替連接而成，一共有兩條，共同構(gòu)成梯子的骨架。

堿基對——梯板，堿基對間的氫鍵相當(dāng)于給兩塊木板間上的銷，G和C之間有三個，A和T之間有兩個。

這架梯子的扶手之間、梯板之間以及上下螺旋之間的距離都很規(guī)則，不僅外形美觀，而且結(jié)構(gòu)牢固，從而保證了遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性。5 物質(zhì)出入細(xì)胞的方式好象是不同的人過河一樣 順?biāo)杂善鳌杂蓴U(kuò)散，會游泳的人可采用這種方式。

順?biāo)舜鳌獏f(xié)助擴(kuò)散，不會游泳的人需要借助船（載體蛋白質(zhì)）才能完成。

逆水行舟——主動運(yùn)輸，不會游泳的人從下游到上游時，他必須乘船（需載體蛋白質(zhì)），需奮力劃船（消耗ATP）方可完成。這樣，把原本很抽象的知識形象化，能吸引學(xué)生的注意力，且容易記住。6 遺傳信息的表達(dá)就象是郵局發(fā)電報

電報密碼——遺傳密碼，電報密碼由阿拉伯?dāng)?shù)字組成，而遺傳密碼則由堿基組成。

電報文字——氨基酸，用電報密碼可翻譯成中文漢字，氨基酸則是通過遺傳密碼翻譯而成的。

電報語句——多肽鏈，用文字可以組成語言，由氨基酸脫水縮合而形成多肽鏈。染色質(zhì)與染色體的關(guān)系簡直就是鋼絲與彈簧的關(guān)系

綱絲——染色質(zhì)，呈細(xì)絲狀，比較長。

彈簧——染色體，是由染色質(zhì)螺旋化縮短變粗而成的，與染色質(zhì)是同一物質(zhì)，只不過形態(tài)不同。把細(xì)胞比喻為我們生活中的電視機(jī)

若把細(xì)胞比喻為電視機(jī)，那么構(gòu)成電視機(jī)的電子元件就是細(xì)胞器，各種電子元件不具備收看電視的功能，必須組裝成電視機(jī)才能收看電視。細(xì)胞也是這樣，它是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。

其實(shí)生活中與生物學(xué)有關(guān)的比喻還有很多，教師在平時要注意加強(qiáng)積累，并靈活地應(yīng)用于教學(xué)，可以讓書本知識化難為易、化繁為簡，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

第五篇：rDNA ITS 序列分析在植物種屬鑒定中的應(yīng)用與研究

rDNA ITS序列分析在植物種屬鑒定中的應(yīng)用和研究

黃

鳳

玲

遵

義 醫(yī) 學(xué) 院 珠 海 校 區(qū)（廣東珠海，519041）

摘要：rDNA ITS序列分析方法用于植物系統(tǒng)種屬鑒定與進(jìn)化研究有較高的可靠性。由于高等植物rRNA基因上的18SrDNA、ITS及5SrDNA片段常具有變異位點(diǎn)[1]，通過DNA序列測定核基因組的rDNA ITS 序列，根據(jù)測序結(jié)果進(jìn)行比較就可以鑒定植物的種屬關(guān)系，對于植物的鑒定有非常重要的意義和作用。

關(guān)鍵詞：rDNA ITS序列；植物；種屬鑒定

分子生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，生物種類所依賴的資源—“物種”的多樣性是由于其基因多態(tài)性的結(jié)果，而基因多態(tài)性又直接體現(xiàn)在DNA分子水平上的檢測。21世紀(jì)以來，現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)在植物的研究取得突破性進(jìn)展，一些分類地位不明確、親緣關(guān)系不清楚的物種通過該技術(shù)便得到驗(yàn)證，為不同植物的分類、鑒定等提供了更豐富、更可靠的手段。其中，核糖體基因（rDNA）的內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（ITS）在植物的種、屬鑒定的研究得到廣泛的應(yīng)用。rRNA基因（rDNA）的基本結(jié)構(gòu)及ITS區(qū)

高等植物中有4種rRNA,即 5.8SrRNA、18SrRNA、28SrRNA和5SrRNA，前三者的基因組成一個轉(zhuǎn)錄元，是高度重復(fù)的串聯(lián)序列單位。近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)在生物系統(tǒng)研究等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以PCR為基礎(chǔ)的各種分子生物學(xué)技術(shù)在植物鑒定方面的應(yīng)用報道日益增多。rRNA基因（rDNA）是目前分子系統(tǒng)研究中普遍采用的分子標(biāo)記基因之一，它是一種中等重復(fù)并有轉(zhuǎn)錄活性的家族。核糖體RNA及其相鄰的間隔區(qū)合稱為rDNA

[2]。

rDNA中存在著廣泛的保守區(qū)域，可以用作引物的結(jié)合位點(diǎn)，它們的不同區(qū)域可反映物種不同的進(jìn)化水平。真核細(xì)胞rDNA有幾十甚至數(shù)千個拷貝，其中2個內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)ITS-

1、ITS-2將18S、5.8S、28S分隔開；不同的選擇壓力作用于rDNA區(qū)域，造成單個重復(fù)單位序列不同的保守性。每一部分都可以用作特殊的生物系統(tǒng)分析。大、小亞基序列高度保守，已被用來分析物種古化的進(jìn)化分支以及跨越古生代和中生代的進(jìn)化時間等問題。rDNA基因簇的最小基因5.8S由于序列太短，幾乎不能提供強(qiáng)有力的系統(tǒng)信息。而ITS序列是rDNA中基因進(jìn)化速度最快的區(qū)域，常用于屬內(nèi)中間比較或種內(nèi)群體比較，因其兩側(cè)的編碼區(qū)具有高度保守性，便于設(shè)計通用引物。利用植物核糖體基因的內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)既具保守性，又在科、屬、種水平上均有特異性序列的特性，對ITS序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增、測序以及序列分析后用于鑒定植物的方法越來越廣泛的應(yīng)用。rRNA基因（rDNA）ITS序列分析在中藥材鑒定中的應(yīng)用

馬小軍等用銀染色法測定了4個山參的ITS1和2個山參的ITS2.得出人參屬的ITS1有220—221個堿基，ITS2有222—224個堿基，其中ITS1在人參種內(nèi)非常穩(wěn)定，4個不同地區(qū)的野山參樣品在ITS1轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)的序列與GeneBank中栽培參無任何堿基發(fā)生變異。但I(xiàn)TS2有部分變異。說明ITS2的遺傳信息有助于人參種質(zhì)資源分析，能為栽培參起源提供一定證據(jù)。蔡金娜等為探討不同分布區(qū)的蛇床的ITS序列變異與其地理分布和化學(xué)成分的相關(guān)性，設(shè)計兩對引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，產(chǎn)物純化后用銀染法或ABI310測序，得到核糖體DNA中的ITS序列及5.8SrDNA部分序列。18S和28SrDNA部分序列,共約700bp，5個地點(diǎn)樣品的ITS-1及ITS-2的序列大小分別為210—217bp和219—224bp，ITS-1堿基序列的遺傳距離0.00—1.93％，ITS-2堿基序列的遺傳距離0.46—2.34％ , ITS-1較為保守。結(jié)果表明ITS2序列的變異與中國產(chǎn)蛇床的緯度分布有關(guān)，而與蛇床化學(xué)型的關(guān)系尚需作進(jìn)一步研究。另外，近幾年國內(nèi)學(xué)者還對陽春砂、黃草石斛、水母雪蓮及其混淆品等rDNA ITS 序列進(jìn)行測序分析。結(jié)果表明

[5]

[6]

[7]

[4][3] rRNA基因（rDNA）ITS序列分析在植物鑒定中的應(yīng)用

ITS 序列分析不僅可以鑒定藥用植物種類，還可以為尋找新的植物來源提供分子證據(jù)。楊佩文等應(yīng)用真菌核糖體基因ITS區(qū)段通用引物對十字花科蔬菜根腫病菌rDNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果對有效追蹤根腫病菌在田間的發(fā)生動態(tài)監(jiān)測和預(yù)測預(yù)報提供了重要信息和手段。葛蕓英等用16S和23SrDNA之間的ITS 序列的通用引物對小麥細(xì)菌性苗枯菌進(jìn)行研究，并發(fā)現(xiàn)對多種植物病原棒形桿菌的ITS 序列進(jìn)行比較研究還具有一定的分類意義。

[9][8]4 rRNA基因（rDNA）ITS序列分析在植物和中藥材鑒定中的應(yīng)用前景

DNA測序技術(shù)(DNA Sequencing technology)使DNA分子鑒定技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，是中藥材和植物鑒定的重要方法，ITS(核糖體基因內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū))是目前用于DNA測序的重要基因，因?yàn)楦叩戎参飏RNA基因上的18SrDNA、ITS及5SrDNA片段常具有變異位點(diǎn)，可成為一種很好的分子標(biāo)記，不僅可用于植物品種的鑒定以及與其混偽品的鑒別，還在植物或藥材的地道性、植物生態(tài)多樣性及尋找新植物來源等研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。同時還可以應(yīng)用于各種植物病害的診斷。另外，一些重要植物的系統(tǒng)研究中含有大量可供參考的信息，如五味子科的ITS序列

[10]、報春花屬的ITS序列

[11]

等都可在GeneBank中找到。

參考文獻(xiàn)

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