摘要
农药创制作为现代农业生产中不可或缺的一环，是一项包含多个阶段的系统工程。靶标发现与确证是其中的首要阶段。随着农药抗性问题的出现，现有农药分子靶标十分有限。如何挖掘新的农药分子靶标，以及验证其可靶性是绿色农药创制急需解决的关键科学问题。植物非生物胁迫响应是指植物在遭受外界非生物因素（如干旱、高温、低温、盐碱等）侵害时，通过一系列调控机制使自身适应环境变化的过程。因此，研究人员需要深入了解这些响应机制，以便在农药创制过程中考虑这些因素。基于所发现的植物非生物胁迫响应中的关键调控因子，研究人员可以利用化学干预等手段对这些因子进行调节，这是提高植物逆境抗性的重要途径，对于实现农业的可持续发展和保障粮食安全具有重要意义。目前相关领域的研究已取得重大进展，但仍然存在一些问题：（1）对植物非生物胁迫响应中关键调控因子的了解是不够系统化的；（2）针对转录因子这一核酸结合蛋白类调控因子的分子作用热力学性质的研究数据不够全面；（3）缺乏对核酸结合蛋白类调控因子的可靶性分析。本论文的主要工作就是围绕上述问题开展的，通过生物信息学和计算生物学技术，构建大数据平台和可靶性分析方法，帮助研究人员在海量的基因组和蛋白质组数据中寻找可能的农药分子靶标。 首先，我们构建了一个系统性的植物非生物胁迫相关基因数据库。我们采用手动收集的方法从科学文献和现有数据库中收集植物非生物胁迫相关功能基因，并且基于这些经过实验验证的功能基因，使用OrthoFinder方法对EnsemblPlants数据库中的直系同源基因进行查找收集。将收集到的两部分基因条目进行汇总、去重、检验。随后，从公共数据库中收集这些基因的注释信息，包括基因的基本信息、转录组和蛋白组、基因表达数据、信号通路、启动子分析、可变剪接、蛋白结构域、亚细胞定位、蛋白互作网络，以及来源文献和外部数据库链接等数据。同时，我们开发了一个在线数据库平台PASRGdb（http://pasrg.ccbportal.com/）以供用户使用这些数据。PASRGdb在线数据库平台允许用户通过多种方式对他们的目标基因进行检索，包括关键词检索、物种检索、非生物胁迫类型检索、信号转导功能检索和 BLAST 检索。与现有的相关数据库相比较，PASRGdb不仅提供了植物非生物胁迫相关功能基因条目，而且提供了更系统的基因信号通路的信息。从数据统计分析中，我们还注意到转录因子这类核酸结合蛋白在植物非生物胁迫响应中的关键调控作用。 其次，我们构建了一个辅助蛋白分子识别分析的蛋白-核酸作用热力学数据库。研究转录因子这类核酸结合蛋白的可靶性是一个复杂的任务，因此，我们首先对蛋白-核酸作用热力学性质进行了研究。结合使用手动收集和文本挖掘的方法从现有数据库和科学文献中收集蛋白-核酸作用热力学数据，包括热力学实验方法和条件、各类热力学参数等，将这些数据进行去重、检验。随后，从公共数据库中收集了蛋白、核酸的基本信息、蛋白-核酸复合物三维结构，以及蛋白-核 酸 的 分 子 识 别 分 析 。 我 们 将 这 些 数 据 整 合 为 一 个 在 线 数 据 库 PNATDB（ http://chemyang.ccnu.edu.cn/ccb/database/PNAT/）以供用户使用。在现有的相关数据库中， PNATDB数据库提供了特有的蛋白与核酸间的作用预测分析数据。该热力学数据库不仅为蛋白分子识别机制方面的分子生物学和结构生物学研究提供指导，而且为计算方法的开发和测试提供高质量数据集。 最后，为了帮助识别核酸结合蛋白上的药物分子结合位点，我们开发了一种高效的计算方法 HISNAPI 来预测蛋白-核酸复合物界面上的热点残基并描述其动态性质。我们结合使用分子动力学模拟和计算丙氨酸突变扫描的方法，预测复合物界面残基的丙氨酸突变对结合亲和性的影响，并以此为标准判断该残基是否为热点残基。并且还从分子动力学模拟轨迹当中提取热点残基的动态性质相关信息。在测试中，HISNAPI方法在预测丙氨酸突变对亲和性影响方面与实验测定值的线性相关达到了0.77，在预测热点残基的准确率上高达81.6%。我们将HISNAPI方法应用为在线服务器（ http://chemyang.ccnu.edu.cn/ccb/server/HISNAPI/）以方便用户使用。HISNAPI在线服务器允许用户提交必要的输入文件进行计算，同时，用户可以在网站上浏览计算结果，或者将计算结果文件下载到本地进行查阅。HISNAPI 方法将结构-动力学-功能三者的关系进行连接，为靶向核酸结合蛋白的农药分子设计提供必要的可靶位点信息。 本论文以植物非生物胁迫响应为出发点，探究该过程中可调控的分子靶标。我们首先收集了植物非生物胁迫相关功能基因作为基本数据资源。针对转录因子这一核酸结合蛋白类调控因子，通过收集蛋白-核酸作用热力学数据来帮助研究核酸结合蛋白的分子作用机理。并且，基于这些热力学数据，我们还开发了一种高效的计算方法来识别核酸结合蛋白上的可靶位点。这些结果能够在一定程度上为研究人员发现植物非生物胁迫响应过程中的可调控靶标提供支持。
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