不同组装软件在系统发育基因组学中的应用比较

为了筛选出最适合于超级保守元件(ultra-conserved elements,UCE)序列组装的软件,分别使用5款组装软件SPAdes、ABySS、Velvet、Trinity和Minia对17个UCE捕获测序文库进行组装.结果发现:5款组装软件对UCE数据的组装结果不同,Trinity组装所耗时间明显比其他软件长;SPAdes和Trinity的组装结果较好,得到的可观长度的重叠群(contigs)总数较多,产生的长片段(>250 bp)contigs较其他3款软件更多,但是SPAdes捕获到的UCE数量最多,因此,相比于其他4款组装软件,SPAdes更适合UCE数据的组装.本研究为基于UCE的系统发育基因组学分析提供了参考.

系统基因组学在中药研究中的应用

我国是世界中药资源多样性最丰富的国家,也是中医药应用最为广泛和历史悠久的国家。长期以来,大量中药资源物种基因组遗传变异信息的缺乏导致了中药资源保护和开发利用的各种问题,制约了中药的现代化进程。分子系统学是理解地球生物多样性形成与演化规律,促进资源多样性保护和利用的重要工具。随着测序技术的发展,基因组大数据的使用将传统的分子系统学拓展到系统基因组学研究的水平,使其更加广泛的应用到生物学研究的各个方面。对于中药资源物种开展系统基因组学研究,将会极大的促进中药资源的保护、分子鉴定评价和天然药效成分的挖掘利用,推动中药现代化进程。该文以此为出发点,首先简述系统基因组学的发展历程和基本研究方法,在此基础上综述目前相关于中药资源物种的系统基因组学研究进展,最后讨论目前研究和应用中存在的问题以及进一步的发展方向,以期为相关研究提供参考。

基因树冲突与系统发育基因组学研究

随着越来越多的基因序列被运用于系统发育重建中,随之产生的基因树冲突已成为分子系统发育研究中日益突出的问题。因此,在分子系统发育研究中,应正确理解基因树和物种树之间的差异,充分注意和分析基因树冲突的原因,正确解释分子系统发育的结果。本文通过一些典型实例分析了在多基因系统发育研究中引发基因树冲突的三类主要原因:随机误差、系统误差和生物学因素。在此基础上,对近年来兴起的系统发育基因组学进行了介绍,并以稻属Oryza研究为例,阐述了系统发育基因组学方法在解决基因树冲突以及系统发育研究中的优势和应用价值,并进一步探讨了解决基因树冲突的策略和方法,以期为分子系统发育研究提供一些启示和帮助。

基于系统基因组学分析揭示早期陆生植物的复杂网状进化关系

植物由水生走向陆生的进化过程中经历了非常复杂的演化,期间产生的大量基因的进化路线可能互不相同,因此仅仅使用系统发育树无法呈现真实的演化关系。系统发育网络图能够清楚地展示包括垂直演化和水平演化在内的复杂网状进化关系。本文选取莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)和4种陆生植物,利用系统基因组学的方法,筛选得到1,668个一对一直系同源基因,重新构建了陆生植物的系统发育网状进化关系。结果发现,使用不同的分析策略所得到的系统发育树不同;对1,668个基因单独分析,发现存在15种不同的拓扑结构;对5个物种筛选得到的直系同源基因进行系统发育网络分析显示,在非常稳健的系统发育网络图中,仅仅5个物种就存在9个不同的分离支,暗示着非常复杂的网状进化关系;而且藻类植物与苔藓植物和石松类植物的分离支之间差异很小,这可能是产生系统发育树冲突的原因之一,也暗示着早期陆生植物发生了复杂的辐射演化。

系统发育基因组学——重建生命之树的一条迷人途径

生物基因组计划的相继启动对系统发育学研究的发展产生了深远影响。将基因组学和系统发育学结合起来的“系统发育基因组学”在这一背景下应运而生,这门崭新交叉学科的出现成为重建“生命之树”的一条迷人途径。文章重点围绕系统发育基因组学的概念以及分析方法进行扼要介绍,并探讨了它目前潜在的问题以及将来有待发展和完善的地方。

系统发育基因组学研究进展

系统发育基因组学是利用全基因组数据构建系统发育树的新领域。全基因组数据能有效消除横向基因转移和类群间基因进化速率差异等因素对系统发育树的影响。根据所使用的全基因组数据的类型,可以将系统发育基因组学方法分为以下5类:多基因联合建树方法,基于基因含量的方法,基于基因排列信息的方法,基于序列短串含量特征信息的方法及基于代谢途径的方法。文章系统地总结了每一类方法的原理、速度、准确性、适用范围及在各个生物类群中的应用,并对系统发育基因组学的前景及面临的挑战进行了概述。

哺乳动物系统发育基因组学研究进展

哺乳动物是一类最进化并在地球上占主导地位的动物类群,重建其系统发育关系一直是分子系统学的研究热点。随着越来越多物种全基因组测序的完成,在基因组水平上探讨该类动物的系统发育关系与进化成为研究的热点。本文从全基因组序列,稀有基因组变异及染色体涂染等几个方面简要介绍了当前系统发育基因组学在现生哺乳动物分子系统学中的应用,综合已有的研究归纳整理了胎盘亚纲的总目及目间的系统发育关系,给出了胎盘动物19个目的系统发育树。本文还分析了哺乳动物系统发育基因组学目前所面临的主要问题及未来的发展前景。

虾虎鱼类线粒体全基因组序列结构特征分析及系统发育关系探讨

虾虎鱼类体态变异大、体型小、种类多,形态鉴定及谱系分类较为困难。为深入开展虾虎鱼类的鉴定、分类及遗传进化等研究,文章对已获得的26种虾虎鱼线粒体全基因组进行分析。结果发现,虾虎鱼类线粒体基因组的基因组成及排列模式与大多数脊椎动物线粒体基因组特征基本一致;由于不同物种的控制区存在不同数量的重复序列而导致基因组序列长度存在明显的差异;26种虾虎鱼线粒体全基因组序列及不同基因中A+T的含量均超过50%,并存在碱基G偏倚现象。基于37个编码基因序列,利用Kimura双参数法计算遗传距离,发现矛尾刺虾虎鱼与斑尾刺虾虎鱼、斑纹舌虾虎鱼与钝吻舌虾虎鱼分别为同种异名。通过对26种虾虎鱼线粒体基因组控制区序列的比较,识别了终止结合序列区、中央保守区及保守序列区。利用26种虾虎鱼线粒体基因组的36个编码基因序列构建系统发育树,发现部分聚类结果不同于传统的形态学分类方式,虾虎鱼科中的5个亚科出现了明显的分化,近盲虾虎鱼亚科、背眼虾虎鱼亚科、瓢虾虎鱼亚科亲缘关系较近而聚成一大支,然后与拟虾虎鱼亚科种类形成姐妹类群,虾虎鱼亚科与其它的4个亚科亲缘关系较远,单独成为一个类群。根据分子钟估算结果推测虾虎鱼科物种可能起源于始新世晚期至渐新世时段,在中新世进一步分化为具有现代表征的虾虎鱼种类。

多位点序列和比较基因组学分析对盐单胞菌科菌株JSM 104105的系统发育学研究

【目的】为了精准地判定产铁载体嗜盐新菌株JSM 104105在盐单胞菌科(Halomonadaceae)中的系统发育地位。【方法】采用基于16SrRNA基因、DNA促旋酶B亚基基因(DNAgyraseB subunit gene,gyrB)和核糖核酸聚合酶σ因子RpoD基因(RNA polymerase sigma factor RpoD gene,rpoD)序列的多位点序列分析方法(multilocus sequence analysis,MLSA),对菌株JSM 104105的系统发育地位进行初步分析;采用比较基因组学分析(comparative genomics analysis),分析该菌株与其系统发育关系密切的典型菌株之间的GC含量、平均核苷酸一致性(average nucleotide identity,ANI)和数字DNA-DNA杂交值(digital DNA-DNA hybridization,dDDH),并进行基因组系统发育学分析(phylogenomic analysis),更准确地判定菌株JSM 104105在盐单胞菌科中的系统发育地位。【结果】MLSA分析结果表明,无论是单基因序列分析,还是多基因串联序列分析,对盐单胞菌科各分类单元以及菌株JSM104105的系统发育地位都能提供较为一致的结果。分析表明,菌株JSM104105归属于盐单胞菌科盐单胞菌属(Halomonas),与该属的Halomonas gudaonensis、Halomonas azerbaijanica和Halomonas lysinitropha的系统发育关系较密切,它们在系统进化树上形成稳定亚簇(subcluster),其中菌株JSM 104105占据稳定的独立进化分支。尽管它们之间的16S rRNA基因序列相似性较高,为97.3%-98.9%,但菌株JSM104105很难归属于其中任何已知物种。比较基因组学分析结果确认了这一判断。菌株JSM104105与系统发育关系密切的H.gudaonensis CGMCC 1.16133T、H.azerbaijanica TBZ202T和H.lysinitropha 3(2)T的ANI值(78.9%-91.6%)和dDDH值(22.1%-43.7%),均显著低于界定原核生物物种的阈值(ANI,95%-96%;dDDH≥70%)。基因组系统发育分析结果表明,菌株JSM104105明确构成盐单胞菌属独立的亚分支(subclade)。【结论】从分子系统发育学视角精准地判定产铁载体嗜盐细菌JSM104105归属于盐单胞菌科盐单胞菌属,与该属的已知物种H.gudaonensis、H.azerbaijanica和H.lysinitropha的系统发育关系最密切,但不能归属于该属的已知种,应该代表了一个新的基因种(genospecies)。

白花刺续断野生居群的叶绿体全基因组特征解析

白花刺续断在中国西藏是一种常用的药用植物,但其叶绿体全基因组的相关研究较少。为揭示该物种叶绿体全基因组的基本特征并探讨其谱系遗传结构,该研究利用Illumina测序平台对来自5个野生居群的10个白花刺续断个体进行二代测序,经组装、注释,得到10条完整的叶绿体全基因组序列,并对它们的基因组特征和居群间的谱系进化关系进行了初步研究。结果表明:(1)白花刺续断的叶绿体全基因组大小为155335~156266 bp,共注释113个基因,包括72个蛋白编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因,其叶绿体基因组的大小、结构、GC含量及基因组成等方面在种内高度保守。(2)基因组比较分析表明,白花刺续断变异较大的片段均位于单拷贝区,且IR边界未出现明显的扩张和收缩。(3)群体遗传分析发现,白花刺续断的野生居群具有明显的地理遗传结构,不同居群间在遗传距离与地理距离上具有一定的相关性。研究认为,白花刺续断叶绿体基因组在种内居群水平上比较保守,且叶绿体基因组可在居群水平上揭示物种的地理遗传结构。这为后续开展刺续断属物种群体遗传学和系统发育基因组学研究奠定了基础。

鼠疫耶尔森氏菌的进化研究:从系统发育学到系统发育基因组学

20世纪90年代末起,基因组学在细菌研究中应用越来越广泛,尤其在进化领域,取得了一系列革命性的发现.本文以鼠疫耶尔森氏菌进化研究为例,介绍了从利用基因组中少数特定片段(等位基因)多态性进行分析的传统系统发育学,到基于大量菌株全基因组序列进行系统发育基因组学的研究发展历程,回顾讨论了基因组学技术的进步为鼠疫菌进化研究领域带来的成果.

叶绿体系统发育基因组学的研究进展

系统发育基因组学是由系统发育研究和基因组学相结合产生的一门崭新的交叉学科。近年来,在植物系统发育研究中,基于叶绿体基因组的系统发育基因组学研究优势渐显端倪,为一些分类困难类群的系统学问题提出了解决方案,但同时也存在某些问题。本文结合近年来叶绿体系统发育基因组学研究中的一些典型实例,讨论了叶绿体系统发育基因组学在植物系统关系重建中的价值和应用前景,并针对其存在问题进行了探讨,其中也涉及了新一代测序技术对叶绿体系统发育基因组学的影响。

基因组时代的放线菌系统学及其研究进展

由于放线菌在生物技术、医药卫生和环境治理等领域中的实际重要性,已经成为人们研究得最为深入的微生物类群之一。现代放线菌分类学是建立在对16S rRNA基因保守分子序列的系统发育学分析基础上、综合利用多种微生物信息的多相分类学(polyphasic taxonomy)。随着大规模基因测序技术的飞速发展,已经完成了超过100株放线菌的全基因组序列。近年来发展起来的"基因组系统发育学"有助让人们更加系统地理解放线菌类群的发生、演化,以及不同生境类群之间的相互关系。随着越来越多的以系统发育学为指导的基因组测序研究项目,例如"细菌和古菌基因组百科全书(Genomic Encyclopedia of Bacteria andArchaea,GEBA)计划"的出现,标志着放线菌系统学进入了基因组学研究时代。本文对基因组时代的放线菌系统学方法,以及国内外的相关研究成果进行综述。

公有云中基于系统工作流的并行策略性能评估

分析系统发育基因组工作流程并行处理性能，提出了一种适用于云计算平台中SciPhylomics执行的性能评估工作流程。首先，介绍了映射化简模型的应用实现Hadoop；然后，呈现了SciCumulus云工作流程引擎；最后，在亚马逊EC2云上使用两种并行执行方法（SciCumulus和Hadoop）实施工作流程。实验结果表明，尽管系统发育基因组学实验对计算环境要求严格，但实验仍然适合在云中执行。此外，所评估的工作流程呈现出几组数据密集型工作流程的许多特征，本方法可以扩展到其他实验类型。

系统发育基因组学方法研究进展

系统发育基因组学是系统发育学与基因组学融合产生的一个交叉学科,主要通过分析基因组水平的大规模分子数据来解析生物之间的系统进化关系.本文简述了5种常用的基于高通量测序技术的系统发育基因组学数据获取方法:扩增子测序(targeted amplicon sequencing)、转录组测序(transcriptome sequencing)、简化基因组测序(reduced-representation sequencing)、目标序列捕获(target sequence capture)和低覆盖度的全基因组测序(low coverage whole-genome shotgun sequencing),归纳比较了每种方法的特点、适用范围、成本花费等.此外,本文还简述了系统发育基因组学数据分析中的5个基本步骤:数据预处理与组装、直系同源基因的鉴定、序列比对、数据质量控制和系统发育树的构建,并对这5个步骤的分析要点与常用软件的特点做了归纳.虽然系统发育基因组学分析是重建生命之树的一条必由之路,当前它也面临着一系列的问题:如大量数据的分析导致计算量与时间花费大幅增加、系统误差的影响会随着数据量增大而变得更为明显、不同数据集可能会给出高支持率但不一致的结果.最后,本文综合国内外学者的最新研究成果,对这些问题进行了讨论并给出了相应的建议.

有瓣蝇类分类、系统发育及演化

有瓣蝇类(Calyptratae)隶属于昆虫纲(Insecta)四大超适应辐射类群之一的双翅目(Diptera),占双翅目已知物种多样性的近20%。有瓣蝇类分布广泛,生物学习性极为多样,在维系生态系统稳定中发挥着重要作用,是媒介、法医、传粉和天敌昆虫学研究领域的热点类群,也是探究双翅目系统演化及其成功适应辐射的关键类群。为了还原有瓣蝇类的演化历史,许多著名昆虫学者先后对该类昆虫开展过不同层面的研究。有瓣蝇类的单系性得到了普遍支持,并被分为3个总科——虱蝇总科(Hippoboscoidea)、蝇总科(Muscoidea)和狂蝇总科(Oestroidea),其中单系的狂蝇总科与多系的蝇总科聚为一支,再与虱蝇总科成为姐妹群。在科级阶元水平,蝠蝇科(Streblidae)(虱蝇总科)、花蝇科(Anthomyiidae)(蝇总科)、丽蝇科(Calliphoridae)(狂蝇总科)、邻寄蝇科(Rhinophoridae)(狂蝇总科)等类群的单系性仍有待验证,且新的科仍在不断被建立[如粉蝇科(Polleniidae)、乌鲁鲁蝇科(Ulurumyiidae)],因此,有瓣蝇类科级系统发育关系仍不十分明晰。已有研究对虱蝇总科虱蝇科(Hippoboscidae)、蝠蝇科、蛛蝇科(Nycteribiidae),蝇总科蝇科(Muscidae)、粪蝇科(Scathophagidae),狂蝇总科麻蝇科(Sarcophagidae)、狂蝇科(Oestridae)胃蝇亚科(Gasterophilinae)的演化历史进行研究,明确了起源与扩散、寄主转移、取食策略等关键生物学习性的演化历史。但由于部分关键类群生活史信息的缺失,以及尚未有效解决的系统发育关系,有瓣蝇类演化历史仍有许多待解之谜。本文综述了有瓣蝇类分类、系统发育及演化研究进展,是在系统学研究进入系统发育基因组学时代后对该类群相关研究进展的首次全面总结。

中国昆虫基因组学的研究进展

随着测序技术的革新和多种组学综合分析方法的应用,昆虫基因组学研究领域得到了迅速的发展。目前,我国昆虫学家已经发表了家蚕Bombyx mori、小菜蛾Plutella xylostella、飞蝗Locusta migratoria、榕小蜂Ceratosolen solmsi、褐飞虱Nilaparvata lugens、柑橘凤蝶Papilio xuthus、烟粉虱Bemisia tabaci等多种昆虫基因组图谱,同时在比较基因组学、功能基因组学、生物信息学以及基因编辑等研究领域也取得了突出的成绩。本文主要综述了近五年我国昆虫基因组学的重要进展,并提出了未来在数据分析、团队合作和基因操作等领域面临的挑战。

裸子植物的系统分类:历史、现状和展望

系统梳理裸子植物系统分类历史,按标志性研究进展,将1753年以来裸子植物分类研究历史划分为6个发展阶段:第1阶段为混沌时期(1753—1827年),从Linnaeus至Brown提出裸子植物概念之前,裸子植物未被作为一个类群处理,以Linnaeus的性系统为代表;第2阶段为概念形成时期(1827—1843年),从Brown发现裸子植物至Brongniart正式将裸子植物处理为一个类群之前,是裸子植物发现和概念的确立时期;第3阶段为萌芽时期(1843—1864年),从Brongniart至Braun之前,这一时期人们虽然将裸子植物作为一个类群处理,但还是将它作为被子植物双子叶植物的一个部分,代表系统如Bentham&Hooker的分类系统;第4阶段为裸子植物系统分类的奠基时期(1864—1926年),从Braun至Pilger,这个阶段人们将裸子植物从被子植物中独立出来,发现了银杏精子具鞭毛这样的原始性状,将银杏从红豆杉类植物中分出,厘清了裸子植物的主要传代线,奠定了裸子植物系统分类的基础,但是该时期人们对裸子植物科的概念还比较模糊,以Eichler和Engler的系统为代表,为后续分类系统奠定基础;第5阶段为“百家争鸣”时期(1926—2011年),从Pilger至Christenhusz等之前,该时期提出的分类系统很多,分类阶元的应用从目至门都有不同的观点,且从形态学、解剖学、胚胎学、植物化学、古植物学、分支分类学等方面,证据类型和方法十分多样。争论主要集中在银杏、红豆杉类和买麻藤类等类群的亲缘关系和系统归属,以及对罗汉松科、杉科和柏科的界定方面,以Pilger系统和郑万钧为代表;第6阶段是分子系统学和整合分类学时期(2007—),从Anderson等至今,该时期以分支分类学原理为准则,以系统发生树为骨架,综合分子系统学、解剖学、形态学、植物化学以及分子系统学等证据,建立和完善裸子植物分类系统,以Yang等提出的裸子植物分类系统为本阶段的代表性分类系统。笔者还展望了裸子植物未来在物种界定、整合分类学以及保护生物学等方面的重点研究发展趋势。

分子系统学研究进展

传统意义上分子系统学主要分为种上水平的系统发生学和种下水平的种群遗传学研究。随着实验技术进步与计算机性能的提高,系统基因组学、系统地理学、DNA分类学、DNA条形码、MOTU分析、ESU分析等一批新的理论体系与分析手段不断涌现。同时,系统发生学与种群遗传学研究领域也有了新的进展。对分子系统学各研究领域进行了简要介绍,对其新的研究进展进行了评述,并对分子系统学今后的研究动向进行了展望。