發(fā)布時(shí)間：2018-03-29 15:31

  本文選題：楊樹　切入點(diǎn)：功能基因網(wǎng)絡(luò)　出處：《中國林業(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,林木的生長周期通常很長,且攜帶的基因組相對較大,使得在這些植物上直接進(jìn)行分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)變得相對困難,楊樹具有速生、容易擴(kuò)繁、基因組相對較小、相對容易進(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,楊樹在我國大部分國土均能種植,是現(xiàn)有人工林中適生范圍最廣和用途最廣的林木,已成為我國人造板工業(yè)材和紙漿材的主要原料。深入了解楊樹生物學(xué)過程能有效促進(jìn)楊樹育種與遺傳改良。楊樹(毛果楊)是林木中第一個(gè)被測序全基因組的物種,但是仍有大部分楊樹基因缺乏功能注釋,本研究構(gòu)建楊樹功能基因網(wǎng)絡(luò),并開發(fā)基于功能基因網(wǎng)絡(luò)的楊樹基因功能注釋生物信息學(xué)平臺,為楊樹未知功能基因的功能注釋提供重要信息,進(jìn)一步基于楊樹功能基因網(wǎng)絡(luò),使用開發(fā)的平臺開展木材形成發(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.通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建楊樹功能基因網(wǎng)絡(luò)�；诿麠罨蚪M及已有的不同類型數(shù)據(jù),通過多種算法挖掘楊樹功能基因關(guān)聯(lián),共獲得23種不同數(shù)據(jù)來源的楊樹功能基因關(guān)聯(lián)集合�；跇�(gòu)建的訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)集,通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法中貝葉斯框架對功能關(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,且比通過同源映射法基于擬南芥和水稻功能基因網(wǎng)絡(luò)的楊樹功能基因網(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)重要功能是被用來對未知表型相關(guān)基因進(jìn)行預(yù)測,通過測試發(fā)現(xiàn)PoplarNet在反映已知通路與預(yù)測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,通過聚類分析檢測到24個(gè)核心模塊,這些模塊在楊樹生命活動可能參與了重要功能。2.結(jié)合楊樹功能基因網(wǎng)絡(luò)PoplarNet和基因多角度的功能信息注釋,構(gòu)建楊樹基因功能檢索與分析的生物信息學(xué)平臺PoplarGene。該平臺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)來注釋楊樹未知功能的基因,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楊樹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PoplarGene的網(wǎng)絡(luò)映射功能構(gòu)建桉樹功能基因網(wǎng)絡(luò),比較分析表明楊樹功能基因網(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對楊樹木質(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)庫中獲得木材形成發(fā)育基因,使用PoplarGene平臺進(jìn)行楊樹木材形成發(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),對子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚類分析發(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來源于19個(gè)microRNA家族,對調(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�,楊樹功能基因網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及PoplarGene平臺的開發(fā)將為楊樹基因的功能研究提供重要參考信息及生物信息學(xué)平臺,同時(shí),隨著楊樹分子生物學(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】：中國林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S792.11
，

本文編號：1681744