生物学软件在核酸序列比对与系统发育分析中的应用

第一篇：生物学软件在核酸序列比对与系统发育分析中的应用

生物学软件在核酸序列比对与系统发育分析中的应用

摘要 通过ClustalX2.1、Boxshade、DNAman和MEGA6等软件的使用，介绍了生物学软件在核酸序列比对、着色美化、序列分析和植物系统发育树构建中的应用。并结合具体实例，采用邻接法对核基因组中的内转录间隔区序列进行了构树，进化枝的可信度较高，表明该方法适用于相似度较高、亲缘关系较近序列的系统发育树的构建。

关键词 序列比对；邻接法；系统发育树；构建

中图分类号 Q7；TP31 文献标识码 A 文章编号 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

核酸序列比对（Nucleic acid sequence alignment）又称为核酸序列联配，是通过2个或多个核酸序列的比对，显示出其中相似结构区域的过程[1]，是进一步进行相似性、序列间亲缘关系和系统发育分析的基础[2-3]。在系统发育分析中，最常用的可视化表示进化关系的方法就是绘制系统发育进化树（Phylogenetic trees）。系统发育树构建有非加权分组平均法（Unweighted-pair-groop-method with arithmetic means，UPGMA）、邻接法（Neighbor-joined，NJ）、最大简约法（Maximum parsimony，MP）和最大似然法（Maximum likelihood，ML）等多种方法[4]，由于邻接法具有构建的树相对准确、假设少且计算速度快的特点，因而是目前最常用的方法之一。但NJ法所分析序列的遗传距离不能太大，适用于相似度较高、亲缘关系较近的短序列[5]。

核基因组序列中的内转录间隔区（Internal transcribed spacer，ITS）主要编码植物的核糖体RNA，属于中度保守序列，因此可用于较低分类阶元的系统发育研究[6-7]。本文以Ziziphus Mill.的部分ITS序列为对象，介绍了ClustalX2.1[8-9]、Boxshade、DNAman和MEGA6[10]等软件在序列比对、着色美化、序列分析和植物系统发育树构建中的应用。序列获取

从NCBI网站（http：//）或Espript在线工具（http：//espript.ibcp.fr/ESPript/cgi-bin/ESPript.cgi）对aln文件进行着色美化。将aln文件序列粘贴到Boxshade序列框中，点击“Run boxshade”，结果以.ps格式存储，用Ghostview和Ghostspript软件打开，如图3所示。DNAman多序列比对和序列一致性

DNAman软件除了可对序列进行比对之外，还可进行引物的设计、限制性内切酶和质粒图谱的绘制，功能较为强大。双击DNAman图标，打开“File”菜单→“Open”，选择four sequences.aln文件，再打开“Sequence”菜单→“Alignment”→“Multiple sequence alignment”，从显示结果可看出，这4条ITS序列的序列一致性为90.10%（图4），结果可以以Phylip、Clustal和GCG等多种格式输出。MEGA进行系统发育分析

4.1 打开分子进化遗传分析（Molecular evolution genetic analysis，MEGA）软件

由于MEGA只能识别.meg文件格式，故需要对.aln格式的文件进行转化。点击“File”→“Convert file format to MEGA”，将.aln格式文件转化为.meg格式，存储于桌面上，命名为four sequences.meg。或进行在线文件格式转换（http：//sing.ei.uvigo.es/ALTER/）。

4.2 主窗口中打开“Phylogeny”菜单

可以看到，MEGA提供了UPGMA法、NJ法、MP法和ML法等多种算法，如前所述，NJ法在处理相似度较高、亲缘关系较近的序列时是最可靠的一种算法。选择“Construct/Test neighbor-joined tree”，在弹出的对话框“Options summary”→“Test phylogeny”中，选择“Bootstrap method”，重复次数为1000次，模式框中选择Kimura-2-parameter model对进化树进行评估（图5），本次所构建的系统进化树如图6所示。

从构建的NJ树可知，基因登录号为EU075099和EU07 5097的序列聚为一类，bootstrap支持率为97%，表明该进化枝的可信度较高。结语

本文以Ziziphus Mill.的部分ITS序列为对象，介绍了ClustalX、Boxshade、DNAman和MEGA等软件在序列比对、着色美化、序列分析和植物系统发育树的构建中的应用。在此需要特别指出，在基于序列构建进化树的过程中，由于不同的算法，不同的重复次数，选用不同的模型所构建的树是不完全相同的[11]，因此，这种单纯的依靠某段核酸序列建立的进化树只能提供物种进化的部分信息，而不能完全代表该物种进化的全过程。参考文献

[1] 王禄山，高培基.生物信息学应用技术[M].北京：化学工业出版社，2007.[2] 谢强，卜文俊.核苷酸序列比对在生物系统发育研究中的应用[J].动物分类学报，2005（2）：281-286.[3] 杨学森.基于汉明距离的DNA短序列比对算法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.[4] 路明.利用进化树研究基因序列的进化[D].南宁：广西大学，2014.[5] 高凯.NJ进化树构建方法的改进及其应用[D].北京：北京工业大学，2008.[6] 樊杰，白妍，束明月.远志属7种药用植物ITS1和ITS2序列分析[J].中草药，2015（4）：562-565.[7] BRUCE G，BALDWIN.Phylogenetic utility of the internal transcribed spacers of nuclear ribosomal DNA in plants：An example from the compositae[J].Molecular Phylogenetics and Evolution，1992，1（1）：3-16.[8] LARKIN M A，BLACKSHIELDS G，BROWN N P，et al.Clustal W and Clustal X version 2.0[J].Bioinformatics，2007，23：2947-2948.[9] 李彬彬，黄培春，钟复光.生物学软件在线粒体DNA序列多态性分析中的应用[J].生物信息学，2010（2）：153-155.[10] TAMURA K，STECHER G，PETERSON D，et al.MEGA6：Molecular Evolutionary Genetics Analysis Version 6.0[J].Molecular Biology and Evolution，2013，30：2725-2729.[11] 李衍达，孙之荣译.生物信息学[M].北京：清华大学出版社，2008.

第二篇：生物学在日常生活中的应用

生物在我们生活中无处不在！

经常有老师们在私下进行交流，特别羡慕生物课堂，因为它充满乐趣、有意思，而实际上我们身临其境的老师却只有苦笑，生物学科虽然作为自然科学的基础学科，但在初中阶段一直处于两难：课本知识枯燥、现实生活无用，生物学科成了二张皮，不能真正溶到学生的生活中，而且在中考指挥棒的隐性弱化，这都无疑让生物课处于尴尬的地位。

二十一世纪初，美国教育学家杜威提出：对于科学，学生要掌握的不只是知识，还应包括过程和方法。他主张开展探究教学，以培养和提高学生解决实际问题的能力，让学生积极地“做”科学，而不是被动的“读”科学。

伴随新课程提出的关注学生的全面发展，培养提高学生的基本生物科学素养，突出创新精神和实践能力的培养，生物课是初中阶段的一门基础课，也是与日常生活、农业生产，自身健康息息相关的一门学科，因此在生物教学中以知识点为依托，从生活生产中蕴含的知识激发学生的兴趣点，不断培养学生的实践和创新能力，应用知识解决实践问题的能力，而这正是使生物学焕发生命活力的最佳切入点，我认为在生物教学中贯彻“从实践中来，到实践中去”，充分发挥生物学学以致用的作用，恰恰可以突破生物教学的困境的瓶颈。

经过几年的教学实践，我采取以下方法注重学生解决实际问题能力的培养。

一、从课堂内容中延伸

在学习细菌、真菌对疾病防治的过程中，一提到抗生素，学生们马上想到青霉素和输液，这是不够的，通过《科学.技术.社会》中抗生素今昔的介绍和课后练习题2相结合，让学生明确了抗生素的含义及在生活中如何正确应用，同时课后布臵了一道开放题：收集生活中人们对抗生素的认识及应用。随后的课上，学生不仅交流介绍了常用抗生素的种类、应用方法、人们的用法、滥用抗生素的后果，甚至还有同学从药房里拿到所有抗生素的药品成分说明书，对全班同学进行抗生素的优缺点分析。事后，一位学生对我说，她回去对她妈妈说今后生病应该怎样合理使用抗生素。还有对于传染病的相关知识，同学们现在也能学以致用了。而这种现象正是生物学应该给予学生最有用的。

课堂教学的反馈中，认真用好课后练习，其实课文后面的思考题很多是让学生灵活运用所学知识，联系生产生活问题的。如“早春播种后用塑料薄膜覆盖地面，为什么会促进出苗”？这在农业生产中是地膜覆盖问题，而在生物学中是温度对种子萌发的影响问题，即通过地膜覆盖可以提高地表层土壤的温度，从而促使种子提早萌发，再就是家里养花为什么要松土，为什么要换盆，家里养的鱼为什么长时间不换水会有绿苔，经过这样贴近生活的问题的引入，引起学生学习的兴趣，并激发学生学以致用，以用促学，越学越有劲。

二、从自身体验中深入

从心理的观点来看，人们一般倾向于对与自己有直接或间接的事件、活动感兴趣，对于自己充当角色的活动，这种兴趣会更加强烈，因此在教学中要高度重视学生的参与，让学生从自身体验中去感知，使他们在参与中发展和提高实践和创新能力。

在学习完食物的营养与吸收后，关注合理营养过程中，我们选取从学生的一日三餐中入手：你最喜欢吃的菜和你认为最有营养的菜，让他们谈谈自己对营养的看法和认识，在小组充分讨论合作设计营养餐的基础上，指导学生再分析哪类食物在哪里消化在哪里吸收在哪里利用等等，深入到生活实际中，开展对现实生活中初中生的营养状况分析，同学们完成分析之后，不仅充分消化吸收了营养的相关知识，还提高了对生活问题进行实际解决的能力。

三、从社会焦点、热点中引入

对同学们普遍关注的话题，多用实例、多用客观的内容引起他们的警觉，如“如关于艾滋病的学习中，通过问卷调查，我们发现学生们对艾滋病的认识还存在很大的盲区：什么途径、什么方式进行传播，怎样与艾滋病人交往等，开设“艾滋病及预防”相关内容的专题课，通过专题课的讲授，再组织学生完成防艾小报，不仅有利于他们顺利渡过“危险期”，而且对于他们形成社会责任心，提高自身素质也具有一定的意义。

例如蔬菜大棚为什么要经常通风？在移栽树苗或蔬菜时，为什么要去掉一些叶片？锄地的目的是什么？果蔬贮藏为什么采取低温、低压法？新疆地区的瓜果为啥特别甜？蚕农为什么给末龄家蚕喷施保幼激素？糖渍、盐渍食品为什么不会变质？“发面”时为什么要加入酵母粉？加酶洗衣粉为什么不能用开水溶化？近亲结婚的后代为什么容易得遗传病？

当然，关于生物学知识在生产和生活中应用的例子还有很多，如转基因食品、克隆动物等。这说明生物学与人类的生活息息相关，我们在教学过程中要注意联系和引入这样的例子，以引起学生的思考和探究，加深他们对知识的理解，为自己将来从事生产劳动或生活做好知识储备。

在学习植物蒸腾作用时，课堂让学生用干燥塑料袋罩紧花盆里一株菊花上方，过一段时间，学生观察到塑料袋内出现水雾。通过这一实验指导，学生加深对蒸腾作用的理解。教师又让学生把森林与气候关系用动画图片连贯起来：一草一木构成森林，成片森林蒸腾作用产生大量水分，汇集到天空，形成云雾，大量云雾聚集形成乌云，乌云碰击最后形成雨滴降落下来，滋润地球上的万物，这样使抽象的知识具体化，学生容易理解森林调节气候的原理，深深体验到了“大树底下好乘凉”。教师有目的性地把书本知识与有关社会实际问题结合起来，学生愿意学习，丰富了书本知识，拓展了教材的局限，也培养了学生环保意识。用生物学的观点来关注社会问题，不仅培养了学生自我研讨的能力，还无形中提高了学生解决实际问题的能力。

四、从科技活动中强化

培养学生的创造能力，不仅体现在课堂教学活动中，而且更为突出的体现和落实在各种课外科技活

动中，学生在课外科技活动中可以不受教材和教师倾向的束缚，独立自主的发展，用科技小活动来创造学生学习生物的兴趣，如：自己种植土豆、豆芽，养殖泥鳅，制作叶脉书签，采集制作昆虫标本，蚯蚓生活状态实验，家庭酸奶的制备，甜酒的制作等。

调动学生积极地参与课外活动，如组织采集制作生物标本，参观苗圃、花园，做校园环保调查，办《生物小报》等，学生通过他们参与这些丰富多彩的课外活动，可以培养他们的实践能力，开阔视野，拓宽知识面。

五、顺口溜及俗语的引入

在现在的生物考试中，经常出现一些成语、谚语、歇后语等等知识与生物知识的结合：如：

在夏天的时候，我们经常看到一种现象“蜻蜓点水”，请问这是什么现象？考察蜻蜓产卵的方式； “儿童急走追黄蝶，飞入菜花无处寻。”考察动物的保护色；

“有收无收在于水，收多收少在于肥。”考察水和无机盐对植物生长的作用；

“种瓜得瓜，种豆得豆。”考察遗传现象；

“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃泥巴。”考察生态中的食物链和食物网的知识，还有 “螳螂捕蝉，黄雀在后。”；

“桔生淮南为桔，生淮北则为枳”考察温度对生物生长的影响；

“山上多植树，胜似修水库，有雨它能吞，无雨它能吐。”考察保持水土、涵养水源的重要性；

同时还可以借助成语与谜语知识来考察生物学的概念。如：

视而不见——保护色；望而生畏——警戒色；以假乱真——拟态；移花接木——嫁接；鹦鹉学舌——模仿行为；孔雀开屏——求偶行为；望梅止渴——条件反射；种豆南山下，草盛豆苗稀——竞争；无中生有——隐性；有中生无——显性

这样的题目的出现，即扩大了学生的知识面，又考察了学生的生物学常识。因此在平时多积累这方面的素材，并在平时的授课当中适当的渗透，既能提高学生的学习兴趣，又让学生抓住了特点，更利于知识的记忆。另外在以往的听课中，有些教师自编了顺口溜，这样让学生记起来不仅琅琅上口，而且效果更较明显。如我在讲到维生素的功能的时候，就借用了一个：A，火眼金睛看得清；B，脑筋急转我最灵；C，大力水手羡慕我；D，加钙增高我能赢；还有一个小小E，不怕病菌来入侵……。这样不仅使学生一下胃口大开，课堂气氛异常活跃，而且，许多的学生还在反复的哼唱。

兴趣是最好的老师，兴趣需要我们教师的正确引导和培养与呵护，让学生在学习中找到了乐趣，一定能事半功倍。而且在讨论、角色扮演、各种科学探究活动中，不仅能提高学生的动手操作能力，还能发展创新意识，提高实践能力，围绕从“从实践中来，到实践中去”无疑能更好地促进学生的全面发展，用理论解决实践将是点燃学生学习生物学热情的火把。——王昊

第三篇：浅谈生物信息学在生物学研究中的应用

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浅谈生物信息学在生物学研究中的应用

生物信息学（Bioinformatics）是一门新兴的、正在迅速发展的交叉学科，目前国内外对生物信息学的定义众说纷纭，没有形成统一认识。概括来说，现代生物信息学是以核酸和蛋白质等生物大分子数据库及其相关的图书、文献、资料为主要对象，以数学、信息学、计算机科学为主要手段，对浩如烟海的原始数据和原始资料进行存储、管理、注释、加工，使之成为具有明确生物意义的生物信息。并通过对生物信息的查询、搜索、比较、分析，从中获得基因的编码、凋控、遗传、突变等知识；研究核酸和蛋白质等生物大分子的结构、功能及其相互关系；研究它们在生物体内的物质代谢、能量转移、信息传导等生命活动中的作用机制。

生物信息在生物学研究上的应用主要包括在基因组学研究上的应用和在蛋白质组学研究中的应用。

1.在基因组学研究中的应用

基因组（genome）表示一个生物体所有的遗传信息的总和。一个生物体基因所包含的信息决定了该生物体的生长、发育、繁殖和消亡等所有生命现象。有关基因组的研究称为基因组学(Genomics)，基因组学根据研究重点的不同分为序列基因组学(Sequence genomics)、结构基因组学(Structural genomics)、功能基因组学(Functional genomics)与比较基因组学(Comparative genomics)。结构基因组学的研究：结构基因组学(Structural genomics)是基于基因组学的一个重要组成部分和研究领域，它是一门通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基因定位的科学口。生物信息学在结构基因组学中的应用主要在于：基因组作图、核苷酸序列信息分析、基因定位、新基因的发现和鉴定等方面。比较基因组学的研究：借助生物信息学的手段对不同生物基因组的比较、分析，可以进行生物进化等方面的研究。

功能基因组学的研究：功能基因组学(Functional genomics)是指在全基因组序列测定的基础上，从整体水平研究基因及其产物在不同时空、条件下的结构与功能关系及活动规律的学科。功能基因组的研究是后基因组时代的关键点，它将借助生物信息学的技术平台，利用先进的基因表达技术及庞大的生物功能检测体系，从浩瀚无垠的基因库筛选并确知某一特定基因的功能，并通过比较分析基因及其表达的状态，确定出基因的功能内涵，揭示生命奥秘，甚至开发出基因产品。

2.在蛋白质组学的研究中的应用

在20世纪中后期，随着DNA双螺旋结构的提出和蛋白质空间结构的解析，生生命科学的研究进入了分子生物学时代，而遗传信息载体DNA和生命功能的体现者蛋白质的研究，成为了其主要内容。90年代初期启动的庞大的人类基因组计划，已经取得巨大的成在20世纪中后期，随着DNA双螺旋结构的提出和蛋白质

空间结构的解析，生生命科学的研就，人类基因组序列草图绘制完成后，生命科学研究跨入了后基因组时代。然而，人们清醒地识到基因仅是遗传信息的载体，而生命活动的执行者是基因的表达产物—蛋白质，它是生命现象复杂性和多变性的直接体现者。

蛋白质组一词是澳大利亚学者马克威尔金斯在1994年最先提出来的，它是指基因组表达的所有相应的蛋白质，也可以说是指细胞或组织或机体全部蛋白质的存在及其活动方式。蛋白质组学是从整体的蛋白质水平上,在一个更加深入、更加贴近生命本质的层次上去探讨和发现生命活动的规律和重要生理、病理现象的本质等。蛋白质组学的研究对揭示生命活动规律，探讨重大疾病机制，疾病诊断和防治、新药的开发提供重要的理论基础。

生物信息学在蛋白质组学中的蛋白质数据库的应用

2.1蛋白质组数据库

蛋白质组数据库是蛋白质组学研究的主要内容之一。通过构建不同环境条件下组织或细胞全部蛋白质的数据库来研究蛋白质表达的差异情况。与其他数据库相比, 目前大部分蛋白质组数据库都有以下几个方面的特点:（1）由于蛋白质相关数据的种类繁多,蛋白质组数据库的种类也多种多样,如双向电泳数据库、基于蛋白序列的数据库、蛋白质一级或高级结构数据库、蛋白质相互作用数据库等等;（2）新速度快,网络上的蛋白质组数据库的数据几乎每天都在更新;（3）网共享程度高, 越来越多的数据库资源与互联网相互配合,使得蛋白质相关数据的利用率空前的提高。蛋白质组数据库的主要内容即集中在基于双向电泳结果的数据库和基于蛋白质序列信息的数据库。

2.1.1基于双向电泳图谱的数据库

双向电泳技术是蛋白质组学研究中最重要的实验技术之一，所以基于双向电泳图片的数据库也成了蛋白质组学研究中主要内容。

2.1.2 基于蛋白质序列信息的数据库

基于蛋白质序列信息的数据库是生物信息学数据库中最基本的数据库，这些数据库以氨基酸残基顺序为基本内容，并附有注释信息（计算机的序列分析结果和生物学家查阅文献的结果）。基于蛋白质序列的数据库很多，主要有蛋白质信息资源数据库（PIR）、SWISS3D和 TrEMBL等等。

2.1.3 其他蛋白质组数据库

蛋白质生物信息学包含很多方面的内容：如蛋白质大分子的结构、相互作用等等，所以，除了上述的一些数据库之外，还有很多关于构象、相互作用等方面的数据库，是基于质谱应用的数据库，属于混合数据库。将生物信息学的实验思路引入蛋白质组学的实验方案后，实验人员可以通过互联网上的信息设计实验方

案，避免了很多重复性的劳动，少走很多弯路，为蛋白质组学的发展提供了可靠的信息资源。值得一提的是，上文提到的大多数数据库都能实现数据接收、在线查询和空间结构的可是化浏览等多种功能。而且，几乎所有这些数据库都是免费的，都可以免费下载或提供免费服务，使得蛋白质组学可以在生物信息学的辅助之下快速发展。

2.2生物信息学与蛋白质分析

在蛋白质组分析过程中，生物信息学的作用不仅仅体现在数据库的查阅和资料的整合中，生物信息学软件在蛋白质组研究领域的作用根式至关重要的。蛋白质分析软件应用主要集中在结合蛋白质组研究中的分离技术和坚定技术识别蛋白质（如2-DE）图像分析、Edman降解的序列组合、质谱数据的综合分析等），对有价值的未知蛋白质进行分析和预测（包括序列分析、结构预测、结构域、电点等性质的检测等）、针对蛋白质的分析预测方法应用的工具有4个方面。

2.2.1 蛋白质一级结构分析

根据20中氨基酸的理化性质可以分析电泳等实验中的未知蛋白质，同样也可以分析已知蛋白质的物化性质。设计PROPSEARCH的目的是为了通过排比方法查询一个新的蛋白质序列失败时,查找公认的蛋白质家族而设计的。PROPSEARCH可以通过氨基酸组分来查询,同时也可以通过其他的特性来进行查询,如从序列中计算所得的分子量、挑选的二肽组分的含量等。

2.2.2 蛋白质的物理性质预测

从蛋白质序列出发，预测蛋白质的许多物理性质，包括等电点、分子量、酶切特性、疏水性、电荷分布等。

2.2.3蛋白质二级结构预测

二级结构是指α螺旋和β折叠等规则的蛋白质局部结构元件。蛋白质的二级结构预测的基本依据是每一段相邻的氨基酸残基具有形成一定二级结构的倾向。因此,进行二级结构预测需要通过统计和分析发现这些倾向或者规律。蛋白质二级结构预测的方法有3种。一是由已知结构统计各种氨基酸残基形成二级结构 的构象趋势,其中最常用的是Chou和Fasman 法;二是基于氨基酸的物理化学性质,包括堆积性、疏水性、电荷性、氢键形成能力等;三是通过序列比对,由已知三维结构的同源蛋白推断未知蛋白的二级结构。各种方法预测的准确率随蛋白质类型的不同而变化。一般对于α螺旋预测精度较好,对β折叠差些,而对除α螺旋和β折叠等之外的无规则二级结构则效果很差。

2.2.4蛋白质的三维结构

蛋白质三维结构是预测时最复杂和最困难的预测技术。序列差异较大的蛋白质序列也可能折叠成类似的三维构象。由于蛋白质的折叠过程并不十分清晰,从理论上解决蛋白质折叠的问题还有待进一步的科学发展,但也有了一些有一定作

用的三维结构预测方法。即与已知结构的序列比较,同源模建,threading算法和 折叠识别方法。常见的预测算法有:SWISS-MODEL(自动蛋白质同源模建服务器)、CPHmodels等。

2.3 生物信息学与蛋白质功能

生物信息学发展到今天不仅可以对蛋白质组数据进行分析和预测，而且可以对已知或者未知的基因产物进行功能上全面的分析和预测。

生物信息学最常用的分析方法是模式识别。主要是利用存在于蛋白质序列结构中的某些特殊的特征模体来识别相关蛋白质性质。换而言之，就是从新的蛋白序列中发现标志性的序列或者结构，以此建立模式，然后在已经建立好的已知蛋白质数据库中，搜集于此相似的模式，来确定未知蛋白质的归属，从而预测它的功能。许多基因是在特定时期和条件下被激活，才能表达出来，在正常人工模拟的环境下根本无法表达。类似于这样的恩未知蛋白质也需要通过生物信息学的方法计算分析预测，以获得它的功能信息。

生物信息学的发展将给生命科学研究带来革命性的变革，将帮助人类认识生命的起源、进化、遗传和发育的本质，揭示人体生理和病理过程的分子基础，为人类疾病的预测、诊断、预防和治疗提供合理和有效的方法或途径，同时还将对医药、卫生、食品、农业等产业产生巨大的推动作用，甚至可能引发新的产业革命。21世纪是生命科学的时代，生物信息学为生命科学的发展提供了便利和强有利的技术支持，推动着生命科学的迅速发展。

第四篇：浅谈比喻在生物学教学中的应用

浅谈比喻在生物学教学中的应用

谭邦应

（湖北省秭归县职教中心

443600）

著名教育家夸美纽斯曾说：“兴趣是创造一个欢乐和光明的教学环境的主要途径之一”。当学生对学习产生兴趣时，学习起来就会积极主动、精力充沛、信心百倍。高中生物学教材中有很多概念性的知识表述往往比较抽象枯燥，显得深奥难懂，如果在教学中引用一些恰当的比喻，就可以使这些知识变得形象生动、通俗易懂，从而大大提高学生的学习兴趣。下面举几个例子间要说明比喻在生物学教学中的应用。

1用储蓄存款比喻人体内的能源物质

人体内的能源物质有ATP、葡萄糖、肝糖元、脂肪等，它们为机体供能时有先后顺序并且高协调。可以这样比喻：

ATP——零花钱。其特点是数目不多，但可以随时利用存折向银行支取。葡萄糖——活期存折。当机体内ATP含量下降，可立即由葡萄糖分解补充。

肝糖元、脂肪——定期存折。如机体内能量过多，会合成糖元和脂肪等大分子物质储存起来。肝糖元则属于定期较短的存折，脂肪相当于定期较长的那种，在饥荒年月（如动物冬眠）就可排上大用场了。2 噬菌体侵染细菌的程好比是医生在给病人注射

在教学中发现学生对噬菌体侵染细菌的过程容易误认为是整个噬菌体都侵入了，通过以下比喻可以让学生一次性记住。

蛋白质外壳——注射器，医生给病人注射时，注射器自然是留在外面的。注射液——DNA，噬菌体侵染细菌以后，只有DNA进入到细菌内部去了。蛋白质的合成过程可以比喻为人们织毛衣

氨基酸——毛绒，毛绒是构成毛线的基本单位，氨基酸则是构成蛋白质基本单位。

多肽链——毛线，把氨基酸脱水缩合成多肽链比作是用毛绒纺成毛线。蛋白质——毛衣，由多肽链折叠盘旋而成蛋白质就好象是用毛线编织成的毛衣，有它独特的空间结构。DNA的空间结构很象是一架螺旋状的梯子

多核苷酸链——扶手，由脱氧核糖和磷酸交替连接而成，一共有两条，共同构成梯子的骨架。

碱基对——梯板，碱基对间的氢键相当于给两块木板间上的销，G和C之间有三个，A和T之间有两个。

这架梯子的扶手之间、梯板之间以及上下螺旋之间的距离都很规则，不仅外形美观，而且结构牢固，从而保证了遗传物质的稳定性。5 物质出入细胞的方式好象是不同的人过河一样 顺水自由漂流——自由扩散，会游泳的人可采用这种方式。

顺水乘船漂流——协助扩散，不会游泳的人需要借助船（载体蛋白质）才能完成。

逆水行舟——主动运输，不会游泳的人从下游到上游时，他必须乘船（需载体蛋白质），需奋力划船（消耗ATP）方可完成。这样，把原本很抽象的知识形象化，能吸引学生的注意力，且容易记住。6 遗传信息的表达就象是邮局发电报

电报密码——遗传密码，电报密码由阿拉伯数字组成，而遗传密码则由碱基组成。

电报文字——氨基酸，用电报密码可翻译成中文汉字，氨基酸则是通过遗传密码翻译而成的。

电报语句——多肽链，用文字可以组成语言，由氨基酸脱水缩合而形成多肽链。染色质与染色体的关系简直就是钢丝与弹簧的关系

纲丝——染色质，呈细丝状，比较长。

弹簧——染色体，是由染色质螺旋化缩短变粗而成的，与染色质是同一物质，只不过形态不同。把细胞比喻为我们生活中的电视机

若把细胞比喻为电视机，那么构成电视机的电子元件就是细胞器，各种电子元件不具备收看电视的功能，必须组装成电视机才能收看电视。细胞也是这样，它是生物体结构和功能的基本单位。

其实生活中与生物学有关的比喻还有很多，教师在平时要注意加强积累，并灵活地应用于教学，可以让书本知识化难为易、化繁为简，达到事半功倍的教学效果。

第五篇：rDNA ITS 序列分析在植物种属鉴定中的应用与研究

rDNA ITS序列分析在植物种属鉴定中的应用和研究

黄

凤

玲

遵

义 医 学 院 珠 海 校 区（广东珠海，519041）

摘要：rDNA ITS序列分析方法用于植物系统种属鉴定与进化研究有较高的可靠性。由于高等植物rRNA基因上的18SrDNA、ITS及5SrDNA片段常具有变异位点[1]，通过DNA序列测定核基因组的rDNA ITS 序列，根据测序结果进行比较就可以鉴定植物的种属关系，对于植物的鉴定有非常重要的意义和作用。

关键词：rDNA ITS序列；植物；种属鉴定

分子生物学研究发现，生物种类所依赖的资源—“物种”的多样性是由于其基因多态性的结果，而基因多态性又直接体现在DNA分子水平上的检测。21世纪以来，现代分子生物学技术在植物的研究取得突破性进展，一些分类地位不明确、亲缘关系不清楚的物种通过该技术便得到验证，为不同植物的分类、鉴定等提供了更丰富、更可靠的手段。其中，核糖体基因（rDNA）的内转录间隔区（ITS）在植物的种、属鉴定的研究得到广泛的应用。rRNA基因（rDNA）的基本结构及ITS区

高等植物中有4种rRNA,即 5.8SrRNA、18SrRNA、28SrRNA和5SrRNA，前三者的基因组成一个转录元，是高度重复的串联序列单位。近年来，随着分子生物学技术在生物系统研究等领域的广泛应用，以PCR为基础的各种分子生物学技术在植物鉴定方面的应用报道日益增多。rRNA基因（rDNA）是目前分子系统研究中普遍采用的分子标记基因之一，它是一种中等重复并有转录活性的家族。核糖体RNA及其相邻的间隔区合称为rDNA

[2]。

rDNA中存在着广泛的保守区域，可以用作引物的结合位点，它们的不同区域可反映物种不同的进化水平。真核细胞rDNA有几十甚至数千个拷贝，其中2个内部转录间隔区ITS-

1、ITS-2将18S、5.8S、28S分隔开；不同的选择压力作用于rDNA区域，造成单个重复单位序列不同的保守性。每一部分都可以用作特殊的生物系统分析。大、小亚基序列高度保守，已被用来分析物种古化的进化分支以及跨越古生代和中生代的进化时间等问题。rDNA基因簇的最小基因5.8S由于序列太短，几乎不能提供强有力的系统信息。而ITS序列是rDNA中基因进化速度最快的区域，常用于属内中间比较或种内群体比较，因其两侧的编码区具有高度保守性，便于设计通用引物。利用植物核糖体基因的内转录间隔区既具保守性，又在科、属、种水平上均有特异性序列的特性，对ITS序列进行PCR扩增、测序以及序列分析后用于鉴定植物的方法越来越广泛的应用。rRNA基因（rDNA）ITS序列分析在中药材鉴定中的应用

马小军等用银染色法测定了4个山参的ITS1和2个山参的ITS2.得出人参属的ITS1有220—221个碱基，ITS2有222—224个碱基，其中ITS1在人参种内非常稳定，4个不同地区的野山参样品在ITS1转录间隔区的序列与GeneBank中栽培参无任何碱基发生变异。但ITS2有部分变异。说明ITS2的遗传信息有助于人参种质资源分析，能为栽培参起源提供一定证据。蔡金娜等为探讨不同分布区的蛇床的ITS序列变异与其地理分布和化学成分的相关性，设计两对引物进行PCR扩增，产物纯化后用银染法或ABI310测序，得到核糖体DNA中的ITS序列及5.8SrDNA部分序列。18S和28SrDNA部分序列,共约700bp，5个地点样品的ITS-1及ITS-2的序列大小分别为210—217bp和219—224bp，ITS-1碱基序列的遗传距离0.00—1.93％，ITS-2碱基序列的遗传距离0.46—2.34％ , ITS-1较为保守。结果表明ITS2序列的变异与中国产蛇床的纬度分布有关，而与蛇床化学型的关系尚需作进一步研究。另外，近几年国内学者还对阳春砂、黄草石斛、水母雪莲及其混淆品等rDNA ITS 序列进行测序分析。结果表明

[5]

[6]

[7]

[4][3] rRNA基因（rDNA）ITS序列分析在植物鉴定中的应用

ITS 序列分析不仅可以鉴定药用植物种类，还可以为寻找新的植物来源提供分子证据。杨佩文等应用真菌核糖体基因ITS区段通用引物对十字花科蔬菜根肿病菌rDNA进行PCR扩增，其实验结果对有效追踪根肿病菌在田间的发生动态监测和预测预报提供了重要信息和手段。葛芸英等用16S和23SrDNA之间的ITS 序列的通用引物对小麦细菌性苗枯菌进行研究，并发现对多种植物病原棒形杆菌的ITS 序列进行比较研究还具有一定的分类意义。

[9][8]4 rRNA基因（rDNA）ITS序列分析在植物和中药材鉴定中的应用前景

DNA测序技术(DNA Sequencing technology)使DNA分子鉴定技术取得了突破性进展，是中药材和植物鉴定的重要方法，ITS(核糖体基因内转录间隔区)是目前用于DNA测序的重要基因，因为高等植物rRNA基因上的18SrDNA、ITS及5SrDNA片段常具有变异位点，可成为一种很好的分子标记，不仅可用于植物品种的鉴定以及与其混伪品的鉴别，还在植物或药材的地道性、植物生态多样性及寻找新植物来源等研究领域具有广泛的应用前景。同时还可以应用于各种植物病害的诊断。另外，一些重要植物的系统研究中含有大量可供参考的信息，如五味子科的ITS序列

[10]、报春花属的ITS序列

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等都可在GeneBank中找到。

参考文献

[1]陈随清，王利丽，等.rRNA基因序列分析在中药品种鉴定中的应用及研究进展[J].河南中医学院学报，2003，18（105）.[2]马荣群，黄粤，岳文辉，等.核糖体rDNA ITS区在植物病害诊断中的应用[J].内蒙古农业科技，2006（6）：19-20.[3]马小军，王小全，肖培根，等.野山参与栽培参rDNA内转录间隔区序列比较[J].中国中药杂志，2000，25（4）：206.[4]蔡金娜，周开亚，徐珞珊，等.中国不同地区蛇床的rDNA ITS序列分析[J].药学学报，2000，35（1）：56.[5]潘华新，黄丰，王培训，等.阳春砂与绿壳砂的ITS1序列鉴别[J].中药材，2001，24（7）:481.[6]徐红，李小波，丁小余，等.中药黄草石斛rDNA ITS序列分析[J].药学学报，2001，36（10）：777.[7]刘健全，陈之端，路安民，等.藏药雪莲原植物水母雪莲及其混淆种类的ITS序列比较和分子鉴定[J].中草药，2001，32（5）：443.[8]杨佩文，等.根肿病菌核糖体基因ITS区段的克隆测序及其在检测中的应用[J].云南农业大学学报，2003，18（3）：228-233.[9]葛芸英，郭坚华，等.小麦苗枯病菌的ITS分析及PCR检测[J].植物病理学报，2003，33(3):198-202.[10]刘忠，王小全，陈之端，等.五味子科的系统发育：核糖体DNAITS区序列证据[J].植物学报，2000，42（7）：758.[11]朱惠芬，杨俊波，张长芹，等.应用ITS序列分析探讨偏花报春的系统位置[J].植物分类学报，2002，40（2）：133.