基于多棵系统发育树的生物多样性计算及优化模型

如何确定生物多样性测度及如何优化是生物多样性保护中面临的两个基本问题，而基于系统发育关系的计算和优化生物多样性已成为研究热点。目前基于系统发育关系的生物多样性（PD）计算及优化都是基于单一的系统发育树或是split网络，基于多棵系统发育树的相关研究尚未见报道。同时，现有的生物多样性优化模型考虑的约束条件比较简单。本项目以计算方法、优化模型、优化算法和模型评估为主线，开展基于多棵系统发育树的生物多样性计算与优化的研究。提出基于多棵系统发育树的生物多样性计算方法，进一步考虑物种间依赖关系、动态的物种存活概率及有限资源等约束条件，建立生物多样性的综合优化模型，解决生物多样性保护中物种选择及资金分配问题；继而将探讨所研究问题的计算复杂性，设计高效的优化算法，并通过实例分析及仿真验证评测相关模型和算法的有效性。

如何确定生物多样性测度及如何优化是进化生物学中面临的两个基本问题，而基于系统发育关系的计算和优化生物多样性已成为研究热点。在本项目中，负责人首先对于最简单的情况，在单一一棵系统发育树上，模拟实际情况下生物多样性优化问题要考虑的诸多限制因素建立数学模型。由于基于这类计算问题是NP-hard问题，我们分别采用蚁群算法与遗传算法设计启发式优化算法，并设计实验系统地比较了两种启发式优化算法在这一优化问题中的性能，包括：初始化信息素浓度常量Q、探索规模等对蚁群算法收敛速度的影响和种群规模、最大遗传代数、变异概率等对遗传算法性能的影响，并比较了两种算法间的性能差异。. 在单一一棵系统发育树的研究基础上，将其扩展为多棵系统发育树。主要思想如下：首先，用Q-imputation (Holland et.al. 2007) 的方法，将每棵系统发育树上缺失的物种信息补全；然后通过对不同基因建的树赋予不同权重的做法，综合每棵树上的信息，得到最终的一致性树；最后将前面基于单一一棵系统发育树的优化算法应用于此，用蚁群算法或遗传算法得到近优解。. 同时，负责人研究了用质谱仪检测核苷酸多态性位点（SNP）的组合优化问题。该问题被抽象成两个基于最小hamming distance的组合数学模型，证明了一个问题是NP-hard问题，并对另一问题提供了一个可以得到准确解的动态规划算法。这两个组合优化问题还被扩展到基于edit distance的版本。. 负责人还作为主要参与完成人研究了多倍体荠菜的进化历史。证明了多倍体荠菜是个异源多倍体，确定了其父母亲本，并发现了与其二倍体父母亲本间的广泛渐渗。. 另外，将生物多样性的问题与跨物种多态性的问题相结合，利用高通量测序手段和已经发表的基因组数据，项目负责人收集了拟南芥及其近缘种的多套基因组数据，在这些物种的16000多同源基因上，找到了2万多拟南芥与其他种共享的多态性，又通过过滤、分类，找到了一些具有较高研究价值的共享多态性位点。这方面的研究将是今后研究的重点。