水产养殖学专业生物信息学教学内容探讨
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作者:魏京广 张平 秦启伟
[摘 要] 生物信息学是现代基因组学时代的开拓者，也是生命科学研究重要的工具和载体。目前，全国高校的水产养殖学本科专业基本开设了生物信息学课程，但尚未形成成熟的课程体系，有很大的改革空间。根据水产养殖学专业的课程设置和学生知识背景，就生物信息学教学内容进行探讨，通过知识点的融会贯通，提高学生分析问题和解决问题的能力，适应后基因组时代水产科学研究，满足现代社会对水产创新型人才的需求。
[关键词] 水产养殖学;生物信息学;教学内容
[基金项目] 华南农业大学引进人才科研启动费（219239）
[作者简介] 魏京广（1980—），男，博士研究生，华南农业大学海洋学院教授，研究方向：鱼类免疫及病害防控;张 平（1980—）（通信作者），女，硕士研究生，中山大学生命科学学院实验员，研究方向：动物学;秦启伟（1964—），男，博士研究生，华南农业大学海洋学院教授，研究方向：鱼类免疫及病害防控。
[中图分类号]G642.3 [文獻标识码]A [文章编号]1674-9324（2020）31-0262-03 [收稿日期]2020-03-23
一、前言
华南农业大学水产养殖学本科专业设立于2002年，2005年设立水产养殖硕士点。水产养殖学专业为华南农业大学特色专业，是广东省创新人才培养基地，其培养目标是培养具备海洋科学、水产养殖及水生动物医学等方面具有扎实的基本理论、知识和技能，能在相关领域和部门从事科学研究、教学、经营管理、技术开发与推广等方面工作的复合应用型人才。该专业的人才培养内容主要包括水产科学、生物科学和环境科学的基本理论和基本知识，以及生物学和水产养殖实践性环节的基本训练，其中实践内容主要包括课程实习、生产实习和毕业实习等。
随着基因组测序技术的进步，一批水产动物已经完成了基因组测序，如大黄鱼、石斑鱼、牙鲆、青鳉鱼、斑马鱼、鲤鱼等，使人们能够在全基因组范围内比较分析模式生物的基因和发现新的涉及表型的相关基因[1，2]。
生物信息学的诞生和发展可以追溯到20世纪60年代，而生物信息学（Bioinformatics）一词的出现则是在1990年[3]。生物信息学是研究生物信息的采集、处理、储存、传播、分析和解释的一门学科，它通过综合利用分子生物学、遗传学、计算机科学和信息技术，揭示大量且复杂的生物数据所具有的生物学奥秘。生物信息学作为一门新的学科领域，把基因组DNA序列信息分析作为源头，在获得基因序列和蛋白质编码区的信息后，进行蛋白质功能、结构模拟和预测等，然后依据特定蛋白的功能进行必要的药物设计等一系列应用性研究[3]。生物信息学已成为水产养殖领域开展科研工作的重要工具，同时也是水产养殖相关专业本科生必须掌握的基本知识和技能。本文就生物信息学教学内容进行探讨，通过知识点的融会贯通来提高学生分析问题和解决问题的能力，适应后基因组时代水产科学研究，满足现代社会对水产创新型人才的需求。
二、生物信息学教学中存在的问题
（一）水产养殖学专业的现状
水产养殖学本科专业作为农科类专业之一，由于行业的特殊性，一直以来招生难度大，且要求转专业的学生较多。但在现实中，水产行业人才严重缺乏。因此，如何改革或采取新的教学方式，稳固学生的专业思想，培养热爱水产，愿为水产做贡献的人才，是当前水产养殖学本科专业人才培养亟待解决的重点与难题问题。
（二）学生的专业基础薄弱
生物信息学涉及分子生物学、细胞生物学、生物化学、数学和计算机科学等内容，绝大多数高校水产养殖学专业都开设了大学数学、分子生物学、细胞生物学和生物化学等课程，但是对计算机科学安排的并不多，未深入学习计算机语言、编程等。生物信息学的数据库、分析软件等绝大多数是英文环境，所以对学生的英语水平有一定的要求。
1.课时安排不足。在很多高校，生物信息学一般作为普通的选修课，有些甚至只安排了理论课而没有实践课。生物信息学涉及的学科越来越多，教学内容涉及生物化学、分子生物学、遗传学、基因工程及计算机语言，以及不断更新的数据库和软件，需要学生花费更多时间去理解与运用。多样的课程内容与较少学时之间的冲突，为完整系统授课带来一定难度。
2.缺乏合适教材。目前，生物信息学的专著和教材越来越多，部分教材专业性过强，难度较大，不适于水产养殖学专业学生使用。缺乏合适的教材是水产养殖学专业生物信息学教学的一大难题。
三、生物信息学课程的教学内容设置
针对生物信息学教学中遇到的问题，从水产养殖专业人才培养的目的出发，选择合适的教学内容开展工作，使学生愿意接受生物信息学课程，从而轻松学习、掌握与运用生物信息学知识。
（一）基础知识
1.绪论。绪论部分主要介绍生物信息学的概念、发展历史、生物信息类型、产生途径和面临的挑战等，让学生意识到生物信息学在水产养殖中的重要性，同时强调生物信息学的实践应用特点。
2.分子数据库。随着生物学的发展及各类组学技术的建立，生物学相关数据的数量不断增加。在组学发展过程中，如何有效地建立与使用数据库来实现大批量数据的存储、处理及检索是科学家们首先要解决的问题。因此，开发与分子生物学大规模数据相关的生物学数据库已经成为生物信息学研究中最基本的一项任务。分子数据库部分主要介绍生物数据库的类型、内容与结构。另外，开发众多分子数据库的目的除了存储与管理各类实验数据和结果外，最重要的是提供有效的用户检索与接入系统。因此，本章以目前最常用的生物学数据库检索系统之一的Entrez为例，介绍如何使用数据库快速提取所需要的信息。
3.序列比对。序列比对是生物信息学最主要的研究内容之一，它可以分为两个部分，一是序列组分分析（包括基因和基因组层次），二是序列之间的比较分析。比对是数据库搜索算法的基础，将查询序列与整个数据库的所有序列进行比较，从数据库中获得与其最相似序列的已有数据，能快速获得有关查询序列的大量有价值的参考信息，对进一步分析其结构和功能有很大帮助。近年来，随着生物信息学数据的大量积累，通过比对方法可有效分析和预测一些新发现基因的功能。因此，这一章要向学生讲解序列比对相关概念、序列比对打分方法、序列比对工具以及多重序列比对等。BLAST是最常用的核酸和蛋白质同源性比较工具，要重点介绍。这些知识的学习让学生了解生物信息所涉及的问题，掌握解决问题的基本方法，并将知识融会贯通。 4.基因预测与功能注释。准确的基因组注释对依赖基因组信息的研究工作至关重要。基因组注释努力的目标是尽可能地确定基因组中每一个核苷酸的生化和生物学功能。一个完整的注释包括在基因组中鉴定出其各类功能元件，如编码蛋白质的基因、RNA基因、重复序列和假基因等，并确定这些元件所对应的生物学功能。本章主要介绍基因组中的蛋白质编码基因、RNA基因、重复序列和假基因的几种重用注释方法，并以一种鱼类基因组为例说明基因组注释的整个流程。
5.分子进化与系统发育。自20世纪中叶以来，随着分子生物学的不断发展，进化生物学也进入了分子水平，并建立了一套依赖于核酸、蛋白质序列变异的理论和方法，由此也开创了生物信息学新领域。本章要主要介绍分子进化与系统发育的基本概念和理论，阐述几种分子系统发育树构建方法的基本原理，并说明构建系统发育树的基本步骤，以MEGA等常用软件和在线工具为例，介绍系统发育树的应用。
6.蛋白质的结构预测。蛋白质是生命活动的体现者。蛋白质结构决定功能，此即蛋白质科学的首要法则。事实上，没有任何一种其他类型的生物大分子可能完全行使蛋白质分子经过数百年进化所积累的所有生物学功能。因此，研究分析蛋白质的结构意义重大。本章在介绍的时候要从蛋白质的结构特征、结构测定及预测、蛋白质折叠等方面对蛋白质结构相关内容进行阐述。
（二）高通量测序数据分析
1.基因组学。基因组学是研究基因组结构、功能与多样性的科学，而基因组则是某一特定生物包含的所有遗传信息的总称。基因组学方法与传统生物学方法的主要差别在于研究的规模，因为基因组学的目标在于广泛分析大量的基因，甚至可能涉及组成基因组的全套基因，而不再局限于一个或少量基因。在讲授的时候要在前面基因预测与功能注释的基础上重点介绍基因组拼接与分析以及基因组变异与分析。最近，一些鱼类（包括斑马鱼、石斑鱼、大黄鱼、大西洋鲑鱼等）和少数贝类（牡蛎等）基因组数据已经公布[1]，所以还要介绍现有的基因组学技术和资源，同时探讨基因组学技术在鱼类和贝类养殖上的应用（如育种、繁殖、生长、营养和产品质量等），包括种质多样性的评估和在选育程序上的使用。
2.转录组学。中心法则是现代分子生物学的核心，RNA是遗传信息传递的媒介。而转录组学从RNA水平演技基因表达调控机制，阐述从DNA到蛋白质的中间过程，探索RNA参与的复杂生命活动。在讲授中主要介绍转录组学的产生、发展和最新研究策略，从试验设计、测序流程、数据处理和功能分析等角度全面解析RNA-seq的研究过程。重点介绍RNA-seq数据分析，包括测序数据质控、比对拼接、表达定量、差异表达分析、聚类分析及其共表达网络等。
3.蛋白质组学。蛋白质组是指一个生物体基因组、一个细胞或组织所表达的全部蛋白质成分。蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象，从整体蛋白质水平上，在一个更加深入、更加贴近生命的层次上去探索和发现生命多动的规律和重要的生理、病理现象等。在讲授中可以简述如何用生物信息学方法与理论进行蛋白质的表达、翻译后修饰、定位及蛋白质的相互作用分析。
4.代谢组学。代谢组学是迅速发展起来的一门新兴学科，它以生物系统中的代谢产物（由于实际分析手段的局限性，目前主要针对相对分子质量1000以下的小分子）分子为对象，以高通量、高灵敏度、高分辨率的现代仪器分析方法为手段，结合模式识别等化学计量学方法，分析生物体系受刺激或扰动后代谢产物的变化规律或随时间的变化规律[4]。目前，代谢组学在水产领域已经开始应用。因此，在讲授中可以介绍代谢组学的研究内容、分析技术及在水产养殖中的应用实例。
5.宏基因组学。宏基因组学代表着分子生物学与生物信息学工具的结合，用于评估一个群落中的遗传信息，而不需要经过任何微生物培养。这种方法对于那些包含大量不可培养微生物的样本研究非常有意义。在讲授中可以介绍宏基因组学早期研究概况和应用方向，讨论宏基因组学分析在分子生物学和生物信息学方面面临的挑战。同时介绍组装和合并的工具、基因预测程序和注释的系统，讨论基于数据集内分析系统发育和功能多样性的方法。
四、结语
改革开放以来，我国水产养殖业无论是产量还是产值，都维持着快速上升态势，连续多年稳居世界第一水产养殖大国的地位。水产养殖为解决我国人民膳食中动物蛋白来源，保障身体健康，提高身体素质起到了重要作用。随着基因组测序技术的进步，一批水產动物已经完成了基因组测序，如大黄鱼、石斑鱼、牙鲆、青鳉鱼、斑马鱼、鲤鱼等，使人们能够在全基因组范围内比较分析模式生物的基因和发现新的涉及表型的相关基因。生物信息学是现代基因组学时代的开拓者，也是生命科学研究的重要的工具和载体。本文针对生物信息学的教学内容进行了探讨，希望老师在教学中掌握时代前沿资讯，根据水产养殖学和生物信息学的发展，及时调整和选择教学内容并突出重点，引入最新的生物信息学资源以及相关软件工具和数据库，形成一套有层次的阶梯递进式生物信息学教学体系。
参考文献
[1]石琼，孙颖.海洋生物基因学概论[M].广州：中山大学出版社，2015：227.
[2]狄桂兰，李莉，孔祥会.水产养殖专业生物信息学教学模式和方法探索[J].河南水产，2014（4）：38-38.
[3]樊龙江.生物信息学[M].杭州：浙江大学出版社，2017：3.
[4]伟寇，国栋.代谢组学研究技术及其应用概述[J].生物学教学，2018，48（9）：2-3.
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