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学术进展

我院计算生物学中心提出胁迫基因网络新理论

[发布日期:2022-06-13 点击数: ]


近日,我院计算生物中心研究人员在国际知名刊物《Horticultural Research》(IF6.793,一区)上发表题为“An eco-evo-devo genetic network model of stress response论文。北京林业大学为第一完成单位,博士研究生冯莉为第一作者,博士研究生姜鹏与硕士研究生董天宇为共同第一作者,邬荣领教授为通讯作者。本研究得到北京林业大学引进人才项目资助。



自然界所有生物在其生命过程中都会遭遇到胁迫。而面对胁迫做出应急反应,最大限度地减少细胞损害与生长损失,是生物进化的一个重要能力与标志。

然而,胁迫反应是一个极其复杂的生物学过程,涉及通过信号接受传导引发的各种基因转录、蛋白翻译、细胞分化与凋亡等一系列环节。传统的关于胁迫机理研究仅局限在这一系列环节中的一个方面或几个方面,对生物总体抵抗、适应胁迫的能力缺少一个综合性探讨与评价。

研究人员利用该团队早期提出的“功能图论”(functional graph theory),引进生态发育进化学(eco-evo-devo)元素,提出“胁迫网络”(stress network)新概念,并借助统计物理学方法开发出一套构建胁迫网络的计算方法与软件包。

胁迫网络打破了传统的利用单个基因、单个蛋白、单个信号通道解释胁迫反应的研究方法,整合全基因组所有基因, 构建拓扑结构严密、功能运作协调的基因互作组网络(genetic interactome network), 推进胁迫遗传学研究向现代系统生物学方向转变。

为了验证新理论的生物学意义,研究人员利用分布于我国新疆地区的耐盐胡杨,构建人工杂交群体与自然选择群体设计盐胁迫与对照生态学实验,通过连锁分析与全基因组关联分析,获得了一批相互佐证的、而传统方法无法得到的原创性结果。

研究发现,有些基因能独立影响胡杨盐胁迫反应,而有些基因必须依赖其他调控因子的作用才能发挥作用。传统的分析方法发现有些基因对盐胁迫反应的作用微小,但是胁迫网络模型发现,这些基因同时受到作用大小相当的正、负调节,正负相抵,使它们的作用无法彰显出来。发现的大部分基因互作,能通过生物信息分析所获得的对应蛋白互作加以验证。



该研究不仅在理论上完善、提升了胁迫遗传研究理论与方法,更能为实际分子辅助育种提出精确的科学指导。利用胁迫网络, 精准定位出基因调控路线图; 通过激活或抑制关键调控子, 能释放、强化、优化目标基因的作用, 从而改变生物对胁迫的反应能力,有效地提高生物在胁迫环境中的生长与产量。

我院计算生物学中心在大数据遗传学研究前沿获得了一系列原创性成果。本次研究提出的“胁迫网络”概念对于进一步提升我北京林业大学在该领域的学术影响力具有重要意义

论文链接:https://doi.org/10.1093/hr/uhac135




图文来源:梁丹

执行编辑:张亚坤

审核:杜庆章




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