NCBI数据库在高中生物学教学中的应用

林建春 （浙江省温州市洞头区第一中学 浙江温州 325700）

生物学是一门以实验为基础的自然科学。通过实验探究，许多生物学现象得到了合理的解释，并最终归纳、总结形成完善的科学理论体系。但在教学中，不可能让学生花费大量的时间探索、重复实验以解释某个生物学现象，因此，前人的研究成果（即生物学资源）在教学中可发挥重要的作用，而有效获取生物学资源的途径显得更为关键。

目前，一些大型生物学数据库公布了众多的生物学资源，包含了国内外的重要研究成果及最新研究进展［1］。利用互联网手段，可方便、快捷地查找相关的生物学资源，为生物学教学提供了一种新的途径和方式。其中，NCBI （National Center for Biotechnology Information，即美国国立生物技术信息中心）数据库，提供多种生物数据库的检索和分析服务，是科研及教学工作人员最为常用的数据库之一［2］。本文介绍 NCBI 数据库在高中生物学教学中的应用，为广大生物学教学工作者提供参考。

1 生物分类地位及与其他生物的亲缘关系

1.1 通过种属数据库查询生物的分类地位 生物学教学中，经常会遇到许多物种，需要明确其分类学地位。此外，学生在初中阶段就已接触“界、门、纲、目、科、属、种”的分类方法，却很少了解物种按其方法进行分类的具体实例。通过NCBI 的种属数据库（taxonomy database，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／Taxonomy／taxonomyhome.html／），即可轻易获取某物种的详细分类地位。

以酿酒酵母为例，只要在种属数据库中输入酿酒酵母的拉丁文学名全称“Saccharomyces cerevisiae”，即可获知该物种的各个详细分类单元，其查询结果 （https://www.ncbi.nlm.nih.gov／Taxonomy／Browser/wwwtax.cgi）如图1 所示。

图1 酿酒酵母分类地位

1.2 通过核酸数据库查询生物间的亲缘关系进化是高中生物学必修2 《遗传与进化》 中的内容。进化树在生物学中通常用于表示物种之间的进化关系。教师通常通过上网搜索多张图片说明生物进化的关系或根源，但对如何获得及制作生物进化树却了解不多。

其实，教师可通过上网或翻阅资料，了解到在不同类型的生物中，拥有一类在结构与功能上具有高度保守的基因，这些基因可作为系统分类中最为有用的生物分子钟，例如细菌的 16S rDNA［3］、真菌的 26S rDNA［4］等。可利用 NCBI 的核酸数据库（Nucleotide，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／nuccore／?term=），搜索不同物种同一基因序列［2］。例如在高中生物学教学中，酵母是一类较为常见的微生物，然而高中生物学教材中只讲到了酿酒酵母。许多学生都误以为酵母就是指酿酒酵母，实际上，除酿酒酵母外，还存在许多不同种类的酵母。因此，可通过NCBI 的核酸数据库，搜索不同酵母的26S rDNA（表1），并将搜集到的核酸序列利用进化树制作软件（MEGA6.0），绘制酵母菌进化树，帮助学生明确酵母的种类及进化关系（图2）。

表1 NCBI 数据库中几种酵母26S rDNA 基因编号

图2 酵母菌进化树

2 通过蛋白质信息数据库查询了解蛋白质的结构

蛋白质的形成过程是高中生物学重点学习的内容，氨基酸通过脱水缩合形成多肽，多肽进一步盘曲折叠形成具有一定空间结构的蛋白质。教学中，学生会好奇“一定的空间结构”是怎样的结构？教师会通过搜索网络上的图片解释蛋白质具有“一定的空间结构”，然而这些图片的真实性、科学性都无从考察，因而对学生的认知会带来一定的影响。此外，在高中阶段，还会遇到多种化学本质属于蛋白质的物质，例如绝大多数的酶、激素和抗体等。因此，获取蛋白质的空间结构、氨基酸组成序列显得极其重要。

NCBI 的蛋白质信息资源库 （The Protein Infor-mation Resource，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／pub-med／12520019），不仅可方便查询某个蛋白质的三维空间结构，还能获知该蛋白质氨基酸组成及排列顺序。更为重要的是，这些公布的蛋白质序列及三维结构都附有已发表的参考文献，具有真实性和科学性。

以人胰岛素分子为例，其蛋白质三维结构如图3 所 示 （https://www.ncbi.nlm.nih.gov／Structure／pdb／2OM1），其 A 链与 B 链的氨基酸组成及排列顺序如下所示：

A 链氨基酸组成及排列顺序：GIVEQCCTSI CSLYQLENYCN（21 个）（参考网址 https://www.ncbi.nlm.nih.gov／protein／161760987）。

B 链氨基酸组成及排列顺序：FVNQHLCGSH LVEALYLVCGERGFFYTPKT （30 个 ） （参 考 网 址https://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/161760988）。

图3 NCBI 数据库中人胰岛素蛋白质三维结构示意图［5］

通过展示胰岛素分子的氨基酸排列序列及空间结构，教师可借此机会简单地向学生介绍蛋白质的空间结构层次，例如一级结构（氨基酸排列顺序）、二级结构（α-螺旋，β-折叠），以及更高层次的三级、四级结构，使学生获得更多关于蛋白质空间结构的信息。

3 利用数据库进行拓展学习

3.1 通过基因数据库查询代谢途径 NCBI 基因数据库（Gene，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／gene／）收集了多种生物已经报道过的基因［1］。在检索栏中输入基因名称或蛋白质名称，即可搜索到该基因在不同物种中的存在情况，例如搜索“乙醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase）”，共检索到 70 372 条。此外，在搜索栏中输入“物种（拉丁文学名）”和“某个特定的基因名称”，即可实现快速搜索特定基因在某一生物物种中的存在情况。

以生物的厌氧呼吸（乙醇型厌氧呼吸、乳酸型厌氧呼吸）为例，葡萄糖在糖酵解中形成2 分子丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下形成乳酸，或在丙酮酸脱羧酶的作用下先形成乙醛，再在乙醇脱氢酶的催化下形成乙醇。一些资料会对生物厌氧呼吸方式进行总结，例如厌氧呼吸产生乳酸还是乙醇，与细胞内的酶有关，最终是由基因决定的。部分学生质疑，一种生物是否存在2 种厌氧呼吸途径中的基因？ 又如，教材及教辅书中均未涉及霉菌厌氧呼吸途径，霉菌是否存在2 条厌氧呼吸途径？

针对上述问题，以马铃薯（Solanum tuberosumL.）、烟曲霉（Aspergillus fumigatus）为例，通过搜索NCBI 基因数据库，发现在马铃薯和烟曲霉中存在2 条厌氧呼吸途径的基因（查找结果如表2 所示），说明部分生物可存在2 条厌氧呼吸途径中的所有基因。

3.2 通过BLAST 功能进行比对 在高中生物学选修课程中，开展了分子生物学中最常见的PCR操作实验。学生利用教师所给的引物（通常是F27和R1492），以大肠杆菌的基因组为模板进行PCR操作，随后进行琼脂糖凝胶电泳检测PCR 是否成功。尽管在此实验过程中学生掌握了PCR 的基本操作，但对于所扩增的条带是否是目的基因并不知晓。

表2 NCBI 数据库中马铃薯、烟曲霉厌氧呼吸途径中相关基因查找结果

因此，教师可选取几位学生扩增的条带，进行测序获得核酸序列，并利用NCBI 的BLAST 功能（https://blast.ncbi.nlm.nih.gov／Blast.cgi）进行比对。通过BLAST，学生认识扩增的序列是否为目的基因，还可学习到基本的生物学信息分析方式，激发其对生物学的学习兴趣。

3.3 通过孟德尔数据库查询遗传病 NCBI 中的孟德尔遗传学数据库（OMIM，https://www.ncbi.nlm.nih.gov／omim／?term=）是人类基因和基因疾病数据库。该数据库包括原文信息、图片和参考信息，同时还可链接到Entrez 系统MEDLINE 数据库中相关文献和序列信息［6］。

以高中生物学教材中较为常见的“苯丙酮尿症”为例，在搜索栏中输入phenylketonuria，即可获得关于该疾病的各种信息，包括该疾病的临床特点、生化特征、发病机制、群体遗传学、研究历史等，且所有关于该疾病的描述，都有相对应参考文献的链接，方便阅读和下载。

当然，NCBI 数据库的功能远不止上述几种，教师可利用课余时间进行摸索、探究，挖掘潜在的高中生物学教学资源，并充分利用，使其更好地服务于高中生物学教学。