胡楊地上和地下協(xié)同生長的全基因組網(wǎng)絡(luò)解析

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木本植物的生長是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，涉及地上莖和地下根之間資源分配的協(xié)調(diào)和信號(hào)傳輸。基因在生物學(xué)過程中對(duì)表型的塑造起著至關(guān)重要的作用。近年來，從基因調(diào)控和基因相互作用的角度解釋植物生長發(fā)育的內(nèi)在機(jī)制引起了人們的極大興趣。借助各種研究方法和技術(shù)，包括全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）等，已經(jīng)有許多研究識(shí)別到驅(qū)動(dòng)表型性狀生長的關(guān)鍵基因。然而，目前的許多研究主要集中在調(diào)節(jié)一個(gè)或兩個(gè)性狀的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）上，而忽略了植物器官的完整性。另一方面，大多數(shù)方法更關(guān)注少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵基因的功能，這些基因只能解釋表型生長的一小部分。到目前為止，我們對(duì)控制地上和地下互作協(xié)調(diào)生長的整體遺傳結(jié)構(gòu)仍然知之甚少。

2024年1月，Plant Phenomics在線發(fā)表了北京林業(yè)大學(xué)題為Genome-wide network analysis of above- and below-ground co-growth in Populus euphratica的研究論文。

圖 調(diào)控地上、地下復(fù)雜動(dòng)態(tài)性狀系統(tǒng)生長的全基因組多層網(wǎng)絡(luò)分析方法的思路

本文提出了一個(gè)系統(tǒng)的生物學(xué)計(jì)算方法，將植物的生長視為地上和地下不同組成部分（或性狀）相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)，并進(jìn)一步假設(shè)性狀-性狀的相互作用是由大規(guī)�；プ鞯幕�因組成的遺傳系統(tǒng)控制的，通過整合Lotka-Volterra捕食-被捕食模型，將表型性狀和遺傳系統(tǒng)分解為多效性和上位性相互作用的組分，通過這些組分可以描繪地上和地下共同生長的遺傳機(jī)制。該方法主要包含兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是通過多維交互模型（Multi-dimensional Interactive Model , MDIM）描繪地上和地下多個(gè)性狀之間隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)互作，挖掘在調(diào)控這種互作上發(fā)揮關(guān)鍵作用的數(shù)量性狀基因座（quantitative trait loci, QTLs）。二是進(jìn)一步構(gòu)建了一個(gè)能夠涵蓋整個(gè)基因組的大型多層交互網(wǎng)絡(luò)，明確了各個(gè)基因在互作網(wǎng)絡(luò)中扮演的角色。同時(shí)，模型采用的分層的思想能夠有效地降低大規(guī)模基因組數(shù)據(jù)的維數(shù)，降低計(jì)算難度，提高計(jì)算效率。

圖 大型多層交互遺傳網(wǎng)絡(luò)模型示意圖

將該方法用于分析沙漠樹種胡楊（Populus euphratica）的表型生長數(shù)據(jù)與連鎖圖譜數(shù)據(jù)，識(shí)別到了控制其在發(fā)育過程中，地上和地下競爭與合作生長的關(guān)鍵位點(diǎn)，并為每個(gè)性狀的發(fā)育軌跡構(gòu)建其背后的多層遺傳交互網(wǎng)絡(luò)，檢測到的許多重要基因座和上位效應(yīng)可以注釋到生長發(fā)育過程的候選基因中。本文的方法提供了一個(gè)通用的工具來描述樹木或其他生物生長性狀的多效性和上位性遺傳結(jié)構(gòu)的全貌，并為林木遺傳育種提供參考。

作者介紹

盧凱燕（第一作者）
北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院數(shù)學(xué)系數(shù)學(xué)專業(yè)碩士畢業(yè)，南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物信息學(xué)專業(yè)博士在讀。研究方向?yàn)槎嘟M學(xué)數(shù)據(jù)分析與方法開發(fā)。

張曉宇（通訊作者）
北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院數(shù)學(xué)系教授、碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)分析、生物信息網(wǎng)絡(luò)調(diào)控、統(tǒng)計(jì)分析。

鄔榮領(lǐng)（通訊作者）
北京雁棲湖應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所、北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計(jì)算生物學(xué)中心教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向數(shù)量遺傳的統(tǒng)計(jì)推斷、復(fù)雜性狀遺傳網(wǎng)絡(luò)分析等。

論文鏈接：
https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0131

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About Plant Phenomics
《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)主辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點(diǎn)領(lǐng)域具有突破性科研進(jìn)展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點(diǎn)。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫收錄�？祁Ｎò睯CR2023影響因子為7.6，位于農(nóng)藝學(xué)一區(qū)（1/125名），植物科學(xué)一區(qū)（13/265名），遙感一區(qū)（6/62名）。2023年中科院期刊分區(qū)位于農(nóng)林科學(xué)大類一區(qū)。2020年入選中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目、2024年入選江蘇科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃領(lǐng)軍期刊項(xiàng)目、中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃二期英文梯隊(duì)期刊。

說明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。
中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。
特邀作者：盧凱燕，張曉宇（北京林業(yè)大學(xué)）
編輯排版：王平、張婕（上海交通大學(xué)）
審核：尹歡、孔敏