进化树的研究

1 引言

生物信息学是生物技术的核心，是在分子生物学和信息科学共同发展的基础上产生的一门交叉学科，包含对生物数据的获取、处理、存储、分发、分析、挖掘等方面的研究内容。生物信息学的研究对于最终改善人类自身生活质量，解决健康问题等也有重大的作用。随着分子生物学的不断发展，人们惊奇地发现DNA 的双螺旋结构中蕴涵着生命的密码，四种核苷酸的排列、变化包含着许多遗传、进化信息。人类基因组计划以来，有关核酸（或蛋白质）序列和结构的数据成指数增长，而面对如此复杂的数据，计算机在此方面的应用必不可少。因此，生物信息学研究的目的就在于，人们通过数学、计算机科学等各种工具，可以阐明和理解大量数据包含的生物学意义。

由于深度测序和基因芯片技术的不断完善和发展，表达谱、转录组、基因组等数据不断增长。到目前为止，已被测序的昆虫基因至少有10个，被报道的转录组数据也有30多个。生物信息学在昆虫学研究中的应用价值随着昆虫学研究的不断深入和昆虫生物数据的大量积累越来越明显。大量医学昆虫、经济昆虫和农业昆虫的基因组在模式昆虫果蝇的基因组测序成功之后也相继被测序。昆虫种类繁多、进化关系复杂、个体发育系统多样对于生物的多样性组成也占有举足轻重的地位。此外，昆虫与人类的日常生活和生产亦有密切的关系。例如，家蚕、蜜蜂等经济类益虫能够为人类提供日常生产资料和生活资源，害虫能给人类带来巨大的损失。对昆虫基因组进行深入研究不仅能为传统昆虫学科的发展提供崭新的机遇，而且对深入了解昆虫的多样性及其生物学特征与本质具有重大意义。

所有生物都可以追溯到共同的祖先，生物的产生和分化就像树一样的生长，分叉，因此以树的形式来表示生物间的进化关系是非常合理的。根据各类生物间的亲缘关系的远近，把生物安置在树状图表上，简明地表示生物的进化历程和亲缘关系的树状结构就是进化树。在进化树上每个叶子结点代表一个物种，每一条边都被赋予一个适当的权值的话，两个物种之间的差异程度就可以用两个叶子结点间的最短距离来表示。

2 生物信息学

2.1 生物信息学的诞生

1953年Watson 和Crick发现了DNA的双螺旋结构，开辟了现代分子生物学的新纪元。遗传中心法则的提出大大推动了分子生物学的发展。随后，限制性内切酶的发现、重组DNA克隆技术的实现是新一代深度测序的基础，同时也是海量生物数据产生的重要推动力[1]。1961年，计算科学首次被应用于基因和蛋白质的进化分析中。1990年人类基因组计划正式启动。此后更多的生物基因组测序计划开始进行，生物数据不断积累。然而缓慢的信息挖掘速度与成指数级增长的生物数据形成了巨大差距，这种差距进一步推动了生物信息学的发展。

2.2 生物信息学的概念

生物信息学以数学、信息学和计算机科学为主要手段，运用计算机软、硬件和计算机网络，对核酸、蛋白质等生物大分子数据库进行研究；对数据库中的原始数据进行存储、管理、注释、加工等, 形成具有明确生物意义的生物信息；通过信息查询、搜索、分析、比较,获取基因编码、核酸和蛋白质结构功能及其相互关系等知识；在大量信息和知识基础上, 探索生命起源、进化以及细胞、器官和个体的发生、发育、病变、衰亡等生命科学问题, 搞清它们的基本规律和时空联系,建立“生物学周期表”。广义地说, 生物信息学是一门使用数学和信息学的观点、理论和方法研究生命现象、组织和分析迅速增长的生物信息数据的学科。主要研究的是遗传物质的载体DNA 及其编码的大分子物质量，以计算机为主要工具，对各种学科交叉的生物信息学进行研究,找其规律性,发展出适合它的各种软件，对不断增长的DNA（蛋白质）序列和结构进行收集、整理、提取、加工、分析等。狭义地说,生物信息学是以计算机科学和数学为主要工具，对生物大分子进行信息的获取、加工、存储、分类、检索等。通过分析逐步认识生命的起源、进化、遗传和发育的本质,逐步破译隐藏在DNA 序列中的遗传语言,在分子基础上解释人体生理和病理过程,为人类疾病的诊断、预防和治疗提供最合理、有效的方法或途径是生物信息学研究的最终目的[2]。

2.3生物信息学在昆虫研究中的前景和展望

由于测序技术不断发展，10年左右可能会形成昆虫测序的高峰期。但昆虫种类多、进化关系复杂、基因杂合度大，基因组测序工作和分析工作仍有很大困

难。昆虫基因数据虽然获得了大量积累，并且正成指数级增加，但相对自然界丰富的物种来说，目前已获得的遗传信息仍然是非常渺小的。生物信息学在昆虫学领域的应用仍处于起步阶段，有很大的发展空间。昆虫基因数据的大量积累也将大大推动对资源昆虫的利用和害虫的控制，甚至有可能开辟资源昆虫利用的新领域，催生出全新的害虫控制技术。

3 基于基因组的昆虫学研究应用

随着越来越多的昆虫正在进行或已经完成基因组测序，现阶段昆虫学的研究已经步入了基因组时代。基因组时代的昆虫学研究方法相比于传统的昆虫学研究被赋予新的时代特征，其中基因组时代昆虫学研究应用包括：

1)在个体生物学研究中的应用

2)在多物种间及种群研究中的应用

3)在系统生物学研究中的应用

4 基因组时代昆虫学研究所面临的挑战

4.1 未来发展趋势

预计未来5到10年，随着大量昆虫的基因组测序工作的完成，昆虫学研究将迈向基因组时代的全盛期。昆虫学的研究也将步入后基因组时代，即功能基因组时代。我们要逐渐将个体生物学、进化学向多物种间或种群内不同个体间的基因组学过渡；将传统的生态学、生理学、行为学以及分子生物学相关研究逐步向更为全面的系统生物学过渡。

4.2 存在的问题与对策

综合国内外现有的有关昆虫功能基因组学及结构基因组学的研究，发现虽然基因组时代的昆虫学研究进展迅速，但也存在以下4个主要问题和不足[3]。

1)全基因组测序的昆虫样本准备起来较为困难,导致难以获得纯和的DNA。

2)测序方法选择错误：选择第2代测序方法产生的片段较短，后续拼接组装难度较大，易造成测序缺口。

3)多重视结构基因组草图绘制时，遗传图谱构建和遗传标记的筛选被忽视，缺乏绘制精细物理图谱的有效手段。