生物信息学

       课程论文

（20##学年  下学期）

论文题目：浅谈生物信息学的发展和前景

班　  级：    08生工3班    

学　　号：    0809030308    

姓　　名：      周永强      

摘 要：生物信息学已成为整个生命科学发展的重要组成部分，成为生命科学研究的前沿。 本文对生物信息学的产生背景及其研究现状等方面进行了综述，并展望生物信息学的发展前景。生物信息学的发展在国内、外基本上都处在起步阶段。因此，这是我国生物学赶超世界先进水平的一个百年一遇的极好机会。

关键字：生物信息学、产生背景、发展现状、前景

随着生物科学技术的迅猛发展，生物信息数据资源的增长呈现爆炸之势，同时计算机运 算能力的提高和国际互联网络的发展使得对大规模数据的贮存、处理和传输成为可能，为了 快捷方便地对已知生物学信息进行科学的组织、有效的管理和进一步分析利用，一门由生命 科学和信息科学等多学科相结合特别是由分子生物学与计算机信息处理技术紧密结合而形 成的交叉学科——生物信息学(Bioinformatics)应运而生,并大大推动了相关研究的开展,  被誉为“解读生命天书的慧眼”。

一、生物信息学产生的背景

生物信息学是80年代未随着人类基因组计划（Human genome project)的启动而兴起的一门新的交叉学科。它通过对生物学实验数据的获取、加工、存储、检索与分析，进而达到揭示数据所蕴含的生物学意义的目的。由于当前生物信息学发展的主要推动力来自分子生物学，生物信息学的研究主要集中于核苷酸和氨基酸序列的存储、分类、检索和分析等方面，所以目前生物信息学可以狭义地定义为：将计算机科学和数学应用于生物大分子信息的获取、加工、存储、分类、检索与分析，以达到理解这些生物大分子信息的生物学意义的交叉学科。事实上，它是一门理论概念与实践应用并重的学科。

 生物信息学的产生发展仅有10年左右的时间---bioinformatics这一名词在1991年左右才在文献中出现，还只是出现在电子出版物的文本中。事实上，生物信息学的存在已有30多年，只不过最初常被称为基因组信息学。美国人类基因组计划中给基因组信息学的定义：它是一个学科领域，包含着基因组信息的获取、处理、存储、分配、分析和解释的所有方面。

 自1990年美国启动人类基因组计划以来，人与模式生物基因组的测序工作进展极为迅速。迄今已完成了约40多种生物的全基因组测序工作，人基因组约3x109碱基对的测序工作也接近完成。至20##年6月26日，被誉为生命“阿波罗计划”的人类基因组计划终于完成了工作草图，预示着完成人类基因组计划已经指日可待。截止目前为止，仅登录在美国GenBank数据库中的DNA序列总量已超过70亿碱基对。此外，迄今为止，已有一万多种蛋白质的空间结构以不同的分辨率被测定。基于cDNA序列测序所建立起来的EST数据库其纪录已达数百万条。在这些数据基础上派生、整理出来的数据库已达500余个。这一切构成了一个生物学数据的海洋。这种科学数据的急速和海量积累，在人类的科学研究历史中是空前的。

数据并不等于信息和知识，但却是信息和知识的源泉，关键在于如何从中挖掘它们。与正在以指数方式增长的生物学数据相比，人类相关知识的增长（粗略地用每年发表的生物、医学论文数来代表）却十分缓慢。一方面是巨量的数据；另一方面是我们在医学、药物、农业和环保等方面对新知识的渴求，这些新知识将帮助人们改善其生存环境和提高生活质量。这就构成了一个极大的矛盾。这个矛盾就催生了一门新兴的交叉科学，这就是生物信息学。

二、生物信息学研究的发展现状

资金和实力非常重要，生物信息的研究投入短期不算大，但是结合成果，其投入相当的大。因为目前生物信息主要在于教学和和研究，商业领域的应用不算很广。如一套LIMS加上软件就要花上数千万。加上相关项目的研究开发，不是国内相关的机构所能承受的。所以需要得到政府的支持和帮助。以及有识之士的投入。否则我们又将远远落后国外。国内的制药行业将永不得翻身！基因的流失(国外一些国家打着给国内免费治疗，分析疾病的考旗帜，暗中收集了国内不同省份，地区的遗传类疾病和特性。这些资源，我们国家忽略，应当说目前还没有这样的实力进行研究）。落后就要挨打，21世纪是生物的世纪。基因大战不可避免。基因和疾病的研究很大程度就是数据的分析。里面的领头羊就是生物信息。国内应当在基础教学，基础研究并结合应用力度。

当然国内的人才济济，如有更多计算机领域和数学（统计方面的）人才参与到生物信息，将如虎添翼。目前我国生物信息学发展面临着如下几方面的困境：

⒈政府投资不足      虽然国际上生物信息学研究在各发达国家中比较受重视，但仍有不少研究机构抱怨政府资金投入不够。最近美国许多研究院纷纷申请要求政府加大生物信息学工具与数据库方面的投入，而且欧洲、日本、澳大利亚在这些领域也存在着资金困扰问题，欧洲生物信息学研究所（EBI）和欧洲基金会生命科学中心去年都遇到了麻烦。目前虽然危机已经暂时渡过，但未来几年EBI数据库和其它基础结构仍将受到资金短缺的困扰，一致有人发出了"免费数据服务还能维持多久"的疑问。

2.来自商业机构的竞争     基因组研究潜在的巨大商业利润使得国际上一批大型制药公司和化学公司向该领域大规模的进军。世界最大制药集团之一的Giba Geigy和Sandoz合资建立的Novartis公司投资2.5亿美元建立基因组研究所；Glaxo-Wellcome在基因组研究领域投入4700万美元，将研究人员增加一倍;Smith Kline公司花125亿美元扩展人基因组的顺序，将生物信息学的研究人员从2人增加至70人，并将该公司药物开发项目中的25%建立在基因组学之上。这一方面给生物信息学发展注入了生机，另一方面对那些政府支持的不以赢利为目的的研究机构造成了巨大的压力，学术部门的资金投入远远不及工业部门，其负面冲击力不可忽视。毕竟经济利益的盲目追求会导致基因组研究的片面性，生物信息学长路漫漫，保护这些学术部门的良好发展非常有必要。

3.专业人才匮乏     目前该领域缺乏懂得如何利用计算机技术处理大量生物数据的生物学家，不少生物学家只是将计算机用来打字或作为图纸的替代品。甚至出现了这样有趣的现象：制药业、工业、农业、生物技术研究团体经常在学术机构大肆搜查那些"可疑人"，更有甚者他们彼此间互挖"墙角"。虽然对于人才的渴求与日俱增，但全世界也仅有20多个专业人才培训中心，而且这些中心本身也处在恶性循环中，那些经培训后的人才往往由于高薪诱惑而投身应用工业部门，导致培训教育人员越来越少，出现"断层"现象。

综上所述，不难看出，生物信息学并不是一个足以乐观的领域，究竟原因，是由于其是基于分子生物学与多种学科交叉而成的新学科，现有的形势仍表现为各种学科的简单堆砌，相互之间的联系并不是特别的紧密。在处理大规模数据方面，没有行之有效的一般性方法；而对于大规模数据内在的生成机制也没有完全明了，这使得生物信息学的研究短期内很难有突破性的结果。那么，要得到真正的解决，最终不能从计算机科学得到，真正地解决可能还是得从生物学自身，从数学上的新思路来获得本质性的动力。毫无疑问，正如Dulbecco1986年所说："人类的DNA序列是人类的真谛，这个世界上发生的一切事情，都与这一序列息息相关"。但要完全破译这一序列以及相关的内容，我们还有相当长的路要走。

三、生物信息学的发展前景

《第三次技术革命》里有这样描述：“一场与工业革命和以计算机为基础的革命有相同影响力的变化正在开始。下一个伟大时代将是基因组革命时代，它现在处于初期阶段。”基因组学的发展已经进入后基因组研究阶段,致力于蛋白质功能研究的蛋白质组学和功能蛋白质组学正在蓬勃发展,在生物信息学发展的带动下,我们必定能够揭示各种生命现象的奥秘,并带动多个学科的跨越式发展。生物信息学的发展将对分子生物学、药物设计、工作流管理和医疗成像等领域产生巨大的影响,极有可能引发新的产业革命。此外,生物信息学所倡导的全球范围的资源共享也将对整个自然科学乃至人类社会的发展产生深远的影响。有理由相信，今日生物学数据的巨大积累将导致重大生物学规律的发现，生物信息学的发展在国内、外基本上都处在起步阶段，因此，这是我国生物学赶超世界先进水平的一个百年一遇的极好机会。

生物学是生物信息学的核心和灵魂，数学与计算机技术则是它的基本工具。这一点必须着重指出。预测生物信息学的未来主要就是要预测他对生物学的发展将带来什么样的根本性的突破。这种预测是十分困难的，甚至几乎不可能。但机不可失，时不再来，鉴于生物信息学在我国生物信息学和经济发展中的重要意义和其发展的紧迫性，因此，由国家出面组织全国的力量，搞个类似"两弹一星"那样的，但是，规模要小的多，花钱也少的多的生物信息学发展计划，不是不可以考虑的。要充分发挥中央与地方，生物学科研究人员等方方面面的积极性。生物信息学研究投资少，见效快，可充分发挥我国智力资源丰富的长处，是特别适合我国国情的一项研究领域。要在大学里建立生物信息学专业，设立硕士点和博士点，培养专门人才。可以组织一大批数学、物理、化学和计算机科技工作者，在自愿的基础上，学习有关的生物学知识，开展多方面的生物信息学研究。

经过十几年或更长的时间的努力，逐渐使我国成为生物信息学研究强国，是完全有可能的。信息学的商业价值十分显著。国外很多大学，研究机构，软件公司甚至政府机构纷纷成立各种生物信息机构，建立自立的生物信息集成系统，研制这方面的软件，重金招聘人才，期望从中获取更多的生物信息和数据加以研究和利用，缩短药物开发周期，抢注基因专利，获取更大利润。我国如不加大资金投入力度，将来可能会花更多的钱去购买别人的软件，使用专利基因或购买新的药物。所幸，我国也开始重视这一学科：南、北方人类基因组中心的相继建成，北大生物城的破土动工等，标志着我国对生物信息学的重视。我们有理由相信，我国的生物信息学在21世纪会有巨大的飞跃。

参考文献

1.  陈润生.生物信息学.生物物理学报,1999,15(1):5-13.

2.  北京生物技术和新医药产业促进中心.世纪之交的新科学:生物信息学.生物技术通 报,1999,(8):49-54.

3.  杨福愉.展望21世纪的分子生物学.生物物理学报,1999,15(1):1-5. 

4.  郑国清,张瑞玲,段韶芬,徐丽敏;生物信息学的形成与发展[J];河南农业科学;20##年11期

5.  王玉梅,王艳;国外生物信息学发展动态分析[J];科技情报开发与经济;20##年06期

 

第二篇：生物信息学论文Doc1

对欧洲油菜中假定的17.9负责二级热休克蛋白的研究进行生物信

息学分析

黄玉霞(201007010105)

(周口师范学院生命科学系，河南周口，466001)

摘要：采用生物信息学方法，对其编码的蛋白从理化性质、二级结构、细胞定位、信号肽预测，磷酸化位点，跨膜结构域及功能域等方面进行了预测和分析。结果表明，该欧洲油菜假定的17.9负责二级热休克蛋白为154个氨基酸，该蛋白二级结构中以α-螺旋（37.01%）和扩展束（19.48%）β-转角（7.14%）和无规则卷曲(36.36%)为主，不存在跨膜区，N端不存在信号肽序列，亚细胞定位于细胞质中；存在3个不稳定区，不形成球形蛋白域。该研究结果为进一步研究提供了理论基础。

关键词：芸苔属植物籽（欧洲油菜）；热休克蛋白；生物信息学

植物在热激3—5min内HSPmRNA的含量增加。在20分钟内可以检测到新合成的HSP。如果植物一直处于热激状态，HSP合成可以持续几个小时。HSP广泛存在于植物细胞膜、细胞质、叶绿体线粒体

等组织中。目前已发现的众多HSP，它们的主要功能是参与新生肽的折叠以及蛋白质变性后的复性、降解，维持胞内环境的稳定。因此热激蛋白的研究将是植物抗逆境胁迫的重要领域。植物细胞在受胁迫时HSPs能合成 ，而且不同的细胞中存在不同类型的，这些结果表明:在基本的生命过程中起一定的作用 。因此胁迫下产生的HSPs与未受胁迫时HSPs之间的关系也是一个非常值得探讨的问题。从目前研究来看，还没有任何有关转基因植株中HSPs表达量增加或减少的报道，更没有HSPs量的增加可使转基因植株抗逆性能力提高的报道。如果转HSPs基因植株中HSPs量增加后确实可以提高其耐热、抗旱能力，那么就可以断定HSPs具有增强植株的耐热、抗旱等功能。 目前已经获得了一些HSPs的抗体以及HSPs的cDNA探针，有实验表明在豌豆、大豆和玉米中能克隆出叶绿体smHSPs的cDNA，这些将可能有助于上述问题的解决。分子伴侣是当今国际上蛋白质研究的一个热点，其作用的分子机理已有一些假说，但还需进一步深入研究 搞清楚分子伴侣的作用机理对于揭示植物细胞抗逆性的本质无疑是十分重要的 此外，对HSPs生物学特性及交叉保护的研究也将会是未来的研究热点。因此，只有在彻底弄清楚HSPs诱导机理以及各种HSPs的功能之后才有可能有目的地利用HSPs改良蔬菜，为农业生产服务。此外，油菜对干旱以及其它逆境胁迫的研究不能仅限于搞清楚一两个蛋白或通过转移一两个基因来提高其抗性，而应当结合其它相关研究（如植物抗逆性调控基因或植物信号感受系统），综合地进行研究，这样才能对植物的抗旱机理有更深的认识，实现培育新的抗性品种的突破相信随着人们对耐旱分子机制研究的不断深入、植物蛋白质组学研究方法和技术的改善，基因操作技术也将日趋完善，将抗旱基因转移到无抗旱性的油菜组织中，以增强油菜抗旱性，也是很有可能的.。本文利用生物信息学相关软件对其进行综合预测分析，为进一步研究其在油菜发育过程中的调节作用提供理论基础。

1.油菜热休克蛋白的生物信息学分析

1.1利用Protparam（）工具预测蛋白质的基本理化性质，利用SOPMA工具预测蛋白质的二级结构，利用NetPhos 2.0 Server 预测磷酸化作用位点，在上利用TMPred工具分析蛋白质的跨膜区和跨膜方向，利用TargetP 1.1 Server预测氨基酸前导肽的细胞定位。

2 结果与分析

2.1对欧洲油菜中假定的17.9负责二级热休克蛋白序列分析

利用NCBI得到的欧洲油菜中假定的17.9负责二级热休克蛋白序列为：

>gi|397787610|gb|AFO66516.1| putative 17.9 kDa class II heat shock protein [Brassica napus]

MDFGRFPIISILEDMLEVPEEHSEKGRSNPSRAYVRDQKAMAATPADVIEQPDAYAFVVDMPGIKGDEIKVQVESDNVLVVSGERKRESKENEGVKYVRMERRMGKFMRKFQLPENADLEKISASCNDGV

LKVTVGKLPPPEPKKPKTIQVQVA

图1欧洲油菜克休克蛋白保守结构域

2.2对欧洲油菜中假定的17.9负责二级热休克蛋白进行理化性质分析

利用Protparam（http://expasy.org/proteomics）工具预测蛋白质的基本理化性质,表明该蛋白分子式为C758H1234N212O233S8，分子量为17301.9，理论等电点（PI）为5.97。含有19种基本氨基酸，其中含量最高的是Val (V)（11.0%），含量最低的是Cys（0.6%）、His (H) （0.6%）；其中带负电荷的氨基酸残基（(Asp + Glu): 26个，带正电荷的氨基酸残基(Arg + Lys): 25个。其水溶液在280nm处的消光系数（Extinction coefficients）为4470。该蛋白的不稳定系数（Instability index）为42.22，为不稳定蛋白，脂肪系数（Aliphatic index）是76.49；平均亲水系数（Grand average of hydropathicity）为-0.587。其氨基酸组成如表：

表1 该油菜17.9负责二级热休克蛋白氨基酸组成

氨基酸 Ala (A) Arg (R) Asn (N) Asp (D) Cys (C)

比例 6.5% 6.5% 3.2% 6.5% 0.6%

氨基酸 Gln (Q) Glu (E) Gly (G) His (H) Ile (I)

比例 3.9% 10.4% 5.8% 0.6% 5.2%

氨基酸 Leu (L) Lys (K) Met (M) Phe (F) Pro (P)

比例 4.5% 9.7% 4.5% 3.2% 7.8%

氨基酸 Ser (S) Thr (T) Trp (W) Tyr (Y)

Val (V)

比例 5.8% 1.9% 0.0% 1.9% 11.0%

氨基酸 Pyl (O) Sec (U) Asx (B) Glx (Z) Xaa(X)

比例 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0%

2.3对该蛋白质进行二级结构、蛋白紊乱区、球蛋白区预测：

利用软件SOPMA对该蛋白二级结构进行预测，结果表明，该蛋白质序列中α-螺旋占37.01%，扩展束占19.48%，β-转角占7.14%，无规则卷曲占36.36%。利用GlobPlot软件（http://globplot.embl. de/）对欧洲油菜17.9负责二级热休克蛋白序列中的紊乱区、球蛋白区进行预测，结果(图4)显示该蛋白存在3个较小的不稳定区，分别位于1-10，23-30，132-147氨基酸位置，在2-131位处形成一个较大的潜在球形蛋白区。

图2 欧洲油菜17.9负责二级热休克蛋白进行二级结构预测

图3欧洲油菜17.9负责二级热休克蛋白紊乱区、球蛋白区预测

2.4对该蛋白质进行细胞定位分析： 利用TargetP 1.1 Server 软件对该蛋白质进行细胞定位分析则可知：该蛋白主要分布于细胞质（RC =

2），表明可靠度可以。

图3欧洲油菜17.9负责二级热休克蛋白进行细胞定位分析

2.5对该蛋白质进行信号肽预测： 利用SignalP 4.0 Server软件对该蛋白质进行信号肽预测，结果表明，该蛋白

N

端序列不存在任何信

号肽序列。

图4 欧洲油菜17.9负责二级热休克蛋白信号肽预测

2.6对该蛋白质进行磷酸化位点预测： 利用NetPhos 2.0 Server对该蛋白质进行磷酸化预测结果（图1）表明，该蛋白具有多个不同的磷酸化位点，其中有5个丝氨酸磷酸化作用位点（Ser: 5）、1个苏氨酸磷酸化作用位点（Thr:1）和

2

个酪氨酸磷酸化作用位点（Tyr:2），表明该蛋白质磷酸化以丝氨酸磷酸化为主，兼有苏氨酸和酪氨酸磷酸化。

图 5 欧洲油菜17.9负责二级热休克蛋白进行磷酸化位点预测

2.7 对该蛋白进行跨膜分析

在http://expasy.org/proteomics上利用TMHMM工具分析蛋白质的跨膜区和跨膜方向，可得到该蛋白不存在跨摸区，结果如下图：

图6欧洲油菜中假定的17.9负责二级热休克蛋白跨膜结果预测

2.8欧洲油菜、拟南芥等植物同源蛋白的比较和同源进化树的构建 欧洲油菜热休克蛋白的氨基酸序列分别与拟南芥琴（Arabidopsis lyrata subsp. lyrata

）、拟南芥（Arabidopsis thaliana）、温州蜜柑（Citrus unshiu）、可可树（Theobroma cacao），同源蛋白的氨基酸序列比对结果显示，其序列相似性分别达到89%、77%、74%和70%，表明十字花科植物籽类蛋白氨基酸序列总体上比较保守，预期形成稳定的球型蛋白结构执行其功能。运用DNAman软件对以上几种禾本科植物该蛋白氨基酸序列进行进化树构建（图7），结果表明，欧洲油菜热休克蛋白与拟南芥琴亲缘关系最近，首先聚为一类，然后与拟南芥归为一类,他们与温州蜜柑和可可树亲缘关系相对较远。

欧洲油菜拟南芥琴拟南芥温州蜜柑可可树欧洲油菜拟南芥琴拟南芥温州蜜柑可可树欧洲油菜拟南芥琴拟南芥温州蜜柑可可树欧洲油菜拟南芥琴拟南芥温州蜜柑可可树

.PUTATIVEKDACLASSIIHEATSHCKPRTEINBRA......SSICANAPU........SMDFGRFPIISILEDMLEVE.........KDACLASSIIHEATSHCKPRTEINARABIDPSISLYRATASUBSPLYRATAMDLGRFPIISILEDMLEVE......................KDSPARABIDPSIS....THALIANAM.........DLEFGRFPIFSILEDMLEAE..................KHEATSHCKPRTEINCITRU.SUNSHIUMDLR.........SLAGFDSFFSILEDVLELE.........KDACLASSIIHEATSHCKPRTEINTHEB..RMACACAMDLR.........NFG.FDSLLTLEDILDIE

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DHNKTRNNPSRVYMRDAKAMAATPADVIEHNAYAVVDMPGIKGDEIKVQVENDVLVVSGERQRENENE...GVKYEQTKTRNNPSRAYMRDAKAMAATPADVIEHDAYVFAVDMPGIKGDEIQVQIENEVLVVSGKRQRDNENE...GVKFEQ.NTRNNPSRAYVRDAKAMAATPADVVEYNSYVFVVDMPGIKASEIKVQVESEVLVVSGERKRDPEKDNKDGVKYEH.KSNNPSRAYVRDAKAMAATPADVIDYTSYVFIVDMPGINPSEIKVQVENDVLVVSGERKLE.EKDEKDGVKY

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Consensusvrmerrgkfrkflpnakisgvlvtkppppva

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65 71 45 52 59

142 148 122 131 137

208 223 188 195 206

220 251 211 218 266

Consensus

欧洲油菜拟南芥琴拟南芥温州蜜柑可可树

Consensus

.................................................................................FMWIU.NZRA.QAXEZ.WVK.BFZMG.URGZKEPL.EHYQPLDQIFI.B...RB.PPG.TVG.BH..XWEF.VBGE.....SW...HT.ADNGRL......RWTMK...........................................QX..........SW...HT.ADNGRL......RWTMK...........................................X...........SW...HT.ADNGRL......RWTMK..QHVIWRBQ.RLA.CBU....A...VT..LS.TVG.BH..XWEF.VBGE... 220 311 228 234 313

欧洲油菜拟南芥琴拟南芥温州蜜柑可可树

Consensus

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欧洲油菜拟南芥琴拟南芥温州蜜柑可可树

Consensus

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欧洲油菜拟南芥琴拟南芥温州蜜柑可可树

Consensus

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图7几种植物热休克蛋白蛋白的氨基酸序列比较

图8几种植物F-box 蛋白序列的进化树

3 讨论与结论：

植物HSPs是一类在逆境条件和特定发育阶段表达的小分子蛋白，是植物对逆境胁迫短期适应的必需组成成分，对减轻逆境胁迫引起的伤害有很大的作用，有机体在受到逆境胁迫后，体内变性蛋白急剧增加，热激蛋白可以与变性蛋白结合，维持它们的可溶状态。此油菜中的热休克蛋白很不稳定，因此在研究中应特别注意。热休克蛋白（HSPs）也是植物体内最大的酶家族之一,是目前国际研究的热点之一，不同领域的科学家正在从不同领域揭示其本质。在植物体内，植物HSPs作为关键物质主要参与植物的抗逆性，因此，研究植物HSPs对揭示植物抗逆性及其过程具有重要理论价值。

本实验用生物信息方法学对其编码的蛋白序列，进行了理化性质、信号肽、跨膜区、亚细胞定位，功能域分析，初步获得了该蛋白的一些特性。并对其与其作物同源热休克蛋白蛋白的氨基酸序列进行比对分析，获得了其进化相关的信息。可得知不同植物间，热休克蛋白的同源性不同，本次试验中可得知这几种植物的同源性比较大，可能与其mRNA有关[7]。并且HSPs的高度保守性说明它们在生物生命活动中具有重要的作用。因此可根据该基因序列设计引物，研究其在油菜发育的不同时期在各器官或组织中的表达情况，以探索其具体功能。

4参考文献：

6. 李 冰，刘宏涛，孙大业等. 植物热激反应的信号转导机理［J］植物生理与分子生物学学报，

2002 ，28（1）：1-10.

7. 费云标，黄 涛，舒念红，等 热激蛋白的分子生物学研究进展［J］植物学通报，1995 ，12

（1）：1-5.