本文選題：楊樹(shù)　切入點(diǎn)：功能基因網(wǎng)絡(luò)　出處：《中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院》2017年博士論文

【摘要】：林木為人們提供大量的生物質(zhì)材料和能源,然而,林木的生長(zhǎng)周期通常很長(zhǎng),且攜帶的基因組相對(duì)較大,使得在這些植物上直接進(jìn)行分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)變得相對(duì)困難,楊樹(shù)具有速生、容易擴(kuò)繁、基因組相對(duì)較小、相對(duì)容易進(jìn)行轉(zhuǎn)基因研究等特征,成為木本植物研究的優(yōu)良模式植物。此外,楊樹(shù)在我國(guó)大部分國(guó)土均能種植,是現(xiàn)有人工林中適生范圍最廣和用途最廣的林木,已成為我國(guó)人造板工業(yè)材和紙漿材的主要原料。深入了解楊樹(shù)生物學(xué)過(guò)程能有效促進(jìn)楊樹(shù)育種與遺傳改良。楊樹(shù)(毛果楊)是林木中第一個(gè)被測(cè)序全基因組的物種,但是仍有大部分楊樹(shù)基因缺乏功能注釋,本研究構(gòu)建楊樹(shù)功能基因網(wǎng)絡(luò),并開(kāi)發(fā)基于功能基因網(wǎng)絡(luò)的楊樹(shù)基因功能注釋生物信息學(xué)平臺(tái),為楊樹(shù)未知功能基因的功能注釋提供重要信息,進(jìn)一步基于楊樹(shù)功能基因網(wǎng)絡(luò),使用開(kāi)發(fā)的平臺(tái)開(kāi)展木材形成發(fā)育基因的生物信息學(xué)分析,為從系統(tǒng)層面了解木材形成提供參考。論文主要研究結(jié)果如下:1.通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建楊樹(shù)功能基因網(wǎng)絡(luò)�；诿麠罨蚪M及已有的不同類(lèi)型數(shù)據(jù),通過(guò)多種算法挖掘楊樹(shù)功能基因關(guān)聯(lián),共獲得23種不同數(shù)據(jù)來(lái)源的楊樹(shù)功能基因關(guān)聯(lián)集合�；跇�(gòu)建的訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)集,通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法中貝葉斯框架對(duì)功能關(guān)聯(lián)進(jìn)行打分,并最終整合成一個(gè)綜合的基因組范圍的楊樹(shù)功能基因網(wǎng)絡(luò)PoplarNet。該網(wǎng)絡(luò)包含1967631個(gè)功能關(guān)聯(lián),節(jié)點(diǎn)覆蓋70%的毛果楊參考基因。準(zhǔn)確率-召回率分析表明PoplarNet比任意通過(guò)單個(gè)數(shù)據(jù)集獲得的功能基因網(wǎng)絡(luò)具有更高覆蓋度和準(zhǔn)確度,且比通過(guò)同源映射法基于擬南芥和水稻功能基因網(wǎng)絡(luò)的楊樹(shù)功能基因網(wǎng)絡(luò)具有更高準(zhǔn)確性和覆蓋度。功能基因網(wǎng)絡(luò)的其中一個(gè)重要功能是被用來(lái)對(duì)未知表型相關(guān)基因進(jìn)行預(yù)測(cè),通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)PoplarNet在反映已知通路與預(yù)測(cè)未知通路基因方面都表現(xiàn)較高水平。網(wǎng)絡(luò)基本性質(zhì)分析也表明PoplarNet服從生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)的特征,包括無(wú)標(biāo)尺網(wǎng)絡(luò)屬性和明顯的模塊化構(gòu)成,在包含的最大的子網(wǎng)絡(luò)中,通過(guò)聚類(lèi)分析檢測(cè)到24個(gè)核心模塊,這些模塊在楊樹(shù)生命活動(dòng)可能參與了重要功能。2.結(jié)合楊樹(shù)功能基因網(wǎng)絡(luò)PoplarNet和基因多角度的功能信息注釋,構(gòu)建楊樹(shù)基因功能檢索與分析的生物信息學(xué)平臺(tái)PoplarGene。該平臺(tái)提供直觀且友好的界面,不僅提供基因功能注釋信息的檢索,還在其中開(kāi)發(fā)多種基因分析功能,包括基于臨近基因的基因排序、基于上下文的基因排序、木本植物功能基因網(wǎng)絡(luò)同源映射、啟動(dòng)子順式作用元件分析和基因集合功能富集分析功能,同時(shí),PoplarGene平臺(tái)還整合多種便利的生物信息學(xué)工具。PoplarGene可基于功能基因網(wǎng)絡(luò)的功能關(guān)聯(lián)來(lái)注釋楊樹(shù)未知功能的基因,顯著提高注釋基因的覆蓋度,而且其基于網(wǎng)絡(luò)的分析功能可用于鑒定性狀相關(guān)的新候選基因。使用PoplarGene平臺(tái)進(jìn)行多種應(yīng)用案例分析,包括(1)使用PoplarGene檢索未知功能基因的功能信息,獲得其多方面的功能信息注釋;(2)基于臨近基因的基因排序進(jìn)行木質(zhì)部細(xì)胞發(fā)育相關(guān)基因的相關(guān)性排序及新候選基因挖掘,使用基于上下文的基因排序分別對(duì)楊樹(shù)脅迫耐受以及抗性基因進(jìn)行基因排序和候選Hub基因挖掘;(3)通過(guò)PoplarGene的網(wǎng)絡(luò)映射功能構(gòu)建桉樹(shù)功能基因網(wǎng)絡(luò),比較分析表明楊樹(shù)功能基因網(wǎng)絡(luò)更適合進(jìn)行其他木本植物的功能基因網(wǎng)絡(luò)映射;(4)使用PoplarGene對(duì)楊樹(shù)木質(zhì)部細(xì)胞發(fā)育基因進(jìn)行順式作用元件分析,獲得26個(gè)富集的順式作用元件。3.基于公共數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得木材形成發(fā)育基因,使用PoplarGene平臺(tái)進(jìn)行楊樹(shù)木材形成發(fā)育基因的生物信息學(xué)系統(tǒng)分析:(1)基于PoplarNet獲得毛果楊木材形成發(fā)育功能基因子網(wǎng)絡(luò),對(duì)子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn)該子網(wǎng)絡(luò)主要由16個(gè)緊密關(guān)聯(lián)的模塊構(gòu)成,模塊的功能富集分析發(fā)現(xiàn)這些模塊主要參與糖結(jié)合、序列特異的DNA結(jié)合、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、水解酶活性、細(xì)胞壁修復(fù)等功能;(2)通過(guò)木材形成發(fā)育基因的適應(yīng)性進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn),大部分木材形成發(fā)育基因都經(jīng)歷了負(fù)選擇作用,僅178個(gè)基因經(jīng)歷了正選擇,在木材形成發(fā)育功能基因子網(wǎng)絡(luò)中,受正選擇的木材形成發(fā)育基因大都位于非Hub節(jié)點(diǎn),且其連接度分布顯著低于子網(wǎng)絡(luò)中的隨機(jī)節(jié)點(diǎn),負(fù)選擇的木材形成發(fā)育基因更傾向于連接度高的節(jié)點(diǎn),排名前10位的基因有9個(gè)都受到了負(fù)選擇;(3)通過(guò)構(gòu)建木材形成發(fā)育基因的miRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò),獲得151個(gè)毛果楊microRNA與142個(gè)毛果楊基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)包含31個(gè)子網(wǎng)絡(luò),最大的子網(wǎng)絡(luò)Subnet1含有42個(gè)節(jié)點(diǎn),151個(gè)microRNA來(lái)源于19個(gè)microRNA家族,對(duì)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的基因的功能富集分析發(fā)現(xiàn)靶基因主要參與激素響應(yīng)與轉(zhuǎn)錄因子DNA結(jié)合相關(guān)功能�？傊�,楊樹(shù)功能基因網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及PoplarGene平臺(tái)的開(kāi)發(fā)將為楊樹(shù)基因的功能研究提供重要參考信息及生物信息學(xué)平臺(tái),同時(shí),隨著楊樹(shù)分子生物學(xué)研究數(shù)據(jù)的不斷增加,PoplarNet以及PoparGene將不斷更新和完善。綜合木材形成發(fā)育基因功能基因子網(wǎng)絡(luò)與microRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)挖掘新的楊樹(shù)木材發(fā)育相關(guān)的關(guān)鍵基因和因子,可為進(jìn)一步木材改良研究提供更多的信息,在木材形成發(fā)育基因功能子網(wǎng)絡(luò)中居于重要節(jié)點(diǎn)的負(fù)選擇基因,可作為木材遺傳改良的候選靶基因,鑒定到的19個(gè)家族的microRNA可進(jìn)一步通過(guò)相關(guān)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究其在木材形成發(fā)育中的功能。
[Abstract]:The research results are as follows : 1 . The research results are as follows : 1 . The research results are as follows : 1 . The poplar function gene network is constructed by means of machine learning method . Based on PoplarNet , we found that most of the genes involved in the formation and development of poplar wood had negative selection .

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：S792.11
，

本文編號(hào)：1681744