广域分布和狭域分布壳斗科植物基因组的比对

This project will apply present bioinformatic knowledges and skills into ecological evolutionary study. The study is about how the genomes of relictual and endemic species differ from those of widespread and radiating species, and then about the analyses of ecological evolution of fagaceae family. Lithocarpus grandifolius is one of the widespread species, while Trigonobalanus doichangensis and trigonobalanus verticillata are very near extinction. The goal is to find out whether there is a relationship between fagaceae genomes and the process of fagaceae species going from being widespread and radiating into being relictual and endimic. Thus we can further study the genomic mechanism of the process of extinction. The genomic database of fagaceae family will be built with the bioinformatic methods and the database will support the project...In the project, we will bioinformatically find the regions that differ, in copy number, in overall polymorphism, by doing many local assemblies using the reference-free techniques. The three following bioinformatic methods will be used. First, next generation sequencing skill (NGS) and third generation sequencing skill (TGS). Second, the technology of building botany genomic database. Third, the bio-mathematical algorithms of the genomic comparison and of ecological evolution analysis. The research of ecological evolution will give ideas of whether human being will go to extinction or further evolution in the genomic level as well as how to avoid or develop the process. The building of the fagaceae genomic database will solve the problem of lacking native genomic database in China as well as the bias of using other species instead of the native species in research.

物种的生态分布和其本身的基因组特性是否存在一定的联系一直是进化生物学家关心的重大科学问题，而在过去基因组测序技术水平下，探讨非模式木本植物分布和基因组的联系几乎是不可能的。本项目拟运用最新的生物信息学技术手段，通过对代表广域和狭域分布的壳斗科柯属和三棱栎属的植物基因组进行比对，进而进行该科的生态进化分析；通过运用以下三种主要技术：1）第二、三代测序，2）基因组数据库的建立和3）利用生物数学算法进行的基因组比对及系统进化树的创建，实现所研究物种的全新测序与整合，以找到基因组不同区间，进而找出壳斗科植物从广域分布走向狭域分布过程在基因组水平上的体现，进一步探讨研究生物由广域分布走向狭域分布、由狭域分布走向濒危和灭绝在基因组层面上可能的机理。研究结果可能解决中国缺少自主创建的壳斗科基因组数据库以及国外用远系旁支数据代替中国特有数据而造成的科学偏差问题。

本研究为生物由广域分布走向狭域分布是否存在着基因组层面上的机理找到了方向。研究以西双版纳地区桑科植物的基因组数据为基础，用生物信息学的方法建立了蛋白域预测的软件流程，并找到了LRR相关蛋白域数量多少与桑科植物吸水能力的关系，从而揭示了LRR相关基因结构域在桑科植物蒸腾过程中的调控功能。研究又通过对桑科植物叶片采集和切片分析，汇总了桑科植物的气孔排放表皮细胞及气孔的个数和密度，再通过对这些数据的分析，从植物调控蒸腾这个生理特性方面验证了桑科植物的广狭域分布。.预测蛋白结构域在用于理解分子水平上的基因功能和蛋白质功能是必不可少的。研究中，我们开发了一套可以在没有参考基因组情况下直接从基因组序列数据预测蛋白质结构域功能的程序流程。整个相关流程包括全基因组序列质量控制技术、测序拼装技术、拼装降噪方法、冗余去除方法、蛋白质预测方法、以及蛋白质结构域预测方法。我们发现，在桑科植物中，植物的蒸腾效率与LRR相关蛋白域是有联系的，这个结果可以通过气孔指数显示出来。该项研究建立的程序流程提供了蛋白质结构域的预测，这在大批量数据时代将有着广泛的应用。.近年来测序技术突飞猛进，使得很多个物种的基因组都被破解，这样使很多的基因或蛋白的进化研究变得可行。粘蛋白是一族高分子量，高度糖基化的蛋白，能够与病原体结合并形成免疫系统的一部分，其异常表达则与多种癌症有关。本研究通过生物信息学方法对粘蛋白家族的基因和蛋白质进行了进化方面的研究。从低等原生动物到最高等的哺乳类动物，对百余个物种的基因组进行了分析，并且针对粘蛋白家族的基因序列特点构造出仅适用于该蛋白家族的特有功能保守蛋白域。通过在各个物种中检测这个蛋白域的含量，判断了粘蛋白基因家族在各个物种的存在情况，再结合蛋白表达量，分析其功能情况，最终构建出进化关系，从而找到了该蛋白家族的进化起源。该研究表明，早在低等原生动物出现的时代，粘蛋白的功能结构域就已经开始出现了。