胡楊地上和地下協同生長的全基因組網絡解析
木本植物的生長是一個復雜的動態過程，涉及地上莖和地下根之間資源分配的協調和信號傳輸。基因在生物學過程中對表型的塑造起著至關重要的作用。近年來，從基因調控和基因相互作用的角度解釋植物生長發育的內在機制引起了人們的極大興趣。借助各種研究方法和技術，包括全基因組關聯研究（GWAS）等，已經有許多研究識別到驅動表型性狀生長的關鍵基因。然而，目前的許多研究主要集中在調節一個或兩個性狀的數量性狀位點（QTL）上，而忽略了植物器官的完整性。另一方面，大多數方法更關注少數幾個關鍵基因的功能，這些基因只能解釋表型生長的一小部分。到目前為止，我們對控制地上和地下互作協調生長的整體遺傳結構仍然知之甚少。
2024年1月，Plant Phenomics在線發表了北京林業大學題為Genome-wide network analysis of above- and below-ground co-growth in Populus euphratica的研究論文。
圖 調控地上、地下復雜動態性狀系統生長的全基因組多層網絡分析方法的思路
本文提出了一個系統的生物學計算方法，將植物的生長視為地上和地下不同組成部分（或性狀）相互作用的復雜系統，并進一步假設性狀-性狀的相互作用是由大規模互作的基因組成的遺傳系統控制的，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制。該方法主要包含兩個方面的內容，一是通過多維交互模型（Multi-dimensional Interactive Model , MDIM）描繪地上和地下多個性狀之間隨時間變化的動態互作，挖掘在調控這種互作上發揮關鍵作用的數量性狀基因座（quantitative trait loci, QTLs）。二是進一步構建了一個能夠涵蓋整個基因組的大型多層交互網絡，明確了各個基因在互作網絡中扮演的角色。同時，模型采用的分層的思想能夠有效地降低大規模基因組數據的維數，降低計算難度，提高計算效率。
圖 大型多層交互遺傳網絡模型示意圖
將該方法用于分析沙漠樹種胡楊（Populus euphratica）的表型生長數據與連鎖圖譜數據，識別到了控制其在發育過程中，地上和地下競爭與合作生長的關鍵位點，并為每個性狀的發育軌跡構建其背后的多層遺傳交互網絡，檢測到的許多重要基因座和上位效應可以注釋到生長發育過程的候選基因中。本文的方法提供了一個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構的全貌，并為林木遺傳育種提供參考。
作者介紹
盧凱燕（第一作者）
北京林業大學理學院數學系數學專業碩士畢業，南京大學生命科學學院生物信息學專業博士在讀。研究方向為多組學數據分析與方法開發。
張曉宇（通訊作者）
北京林業大學理學院數學系教授、碩士生導師。主要研究方向為大數據分析、生物信息網絡調控、統計分析。
鄔榮領（通訊作者）
北京雁棲湖應用數學研究所、北京林業大學生物科學與技術學院計算生物學中心教授、博士生導師。主要研究方向數量遺傳的統計推斷、復雜性狀遺傳網絡分析等。
論文鏈接：
https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0131
——推薦閱讀——
Prediction of Needle Physiological Traits Using UAV Imagery for Breeding Selection of Slash Pine
https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0028
Plant Phenomics | 無人機遙感監測助力優化濕地松遺傳育種策略
BreedingEIS: an efficient evaluation information system for crop breeding
https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0029
Plant Phenomics | 南京農業大學梨創新團隊在作物育種信息化研究中取得新進展
加入作者交流群
掃碼添加小編微信，拉您進入《植物表型組學》作者交流群，群內不定期開展作者分享會、專刊發布會等高質量活動。
添加小編微信，備注姓名+單位+PP，加入作者交流群
About Plant Phenomics
《植物表型組學》（Plant Phenomics）是由南京農業大學主辦的英文學術期刊，于2019年1月正式上線發行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學交叉學科熱點領域具有突破性科研進展的原創性研究論文、綜述、數據集和觀點。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術，基于圖像分析和機器學習的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農業實踐中的表型組學新應用，與植物表型相結合的分子生物學、植物生理學、統計學、作物模型和其他組學研究，表型組學相關的植物生物學等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數據庫收錄。科睿唯安JCR2023影響因子為7.6，位于農藝學一區（1/125名），植物科學一區（13/265名），遙感一區（6/62名）。2023年中科院期刊分區位于農林科學大類一區。2020年入選中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目、2024年入選江蘇科技期刊卓越行動計劃領軍期刊項目、中國科技期刊卓越行動計劃二期英文梯隊期刊。
說明：本文由《植物表型組學》編輯部負責組稿。
中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
特邀作者：盧凱燕，張曉宇（北京林業大學）
編輯排版：王平、張婕（上海交通大學）
審核：尹歡、孔敏
