lecture-7-分子系統(tǒng)學的新進展

1、分子系統(tǒng)學的新進展,黃原2011-4,主要內容,1 DNA條形碼2 組裝生命之樹3 譜系基因組學4 系統(tǒng)發(fā)育信息學5 系統(tǒng)發(fā)育分類學6 系統(tǒng)發(fā)育生物學,DNA條形碼DNA barcode,,什么是DNA條形碼?,能夠用于識別和鑒定某一類群所有物種的一段DNA序列.DNA條形碼是由DNA序列上A、C、G和T 4種堿基組成及其次序決定的。,DNA條形碼標記的要求,在某一類群的所有物種中都有這段DNA序列.必須是物種特

2、異性的.可以使用簡便的方法進行研究.在物種之間長度變異不大.,建議的DNA條形碼標記,COI gene18S rRNA gene16S rRNA gene,COI基因是首選標記,COI 基因5’約648bp.COI 不適用于植物.COI在兩棲類進化速度很高, 不適用于兩棲類.,DNA條形碼識別原理,建立地球上所有物種的DNA條形碼數據庫測定待鑒定標本的條形碼序列將待鑒定標本的條形碼序列與條形碼數據庫中的所有記錄進行比對

3、根據比對結果中與最近鄰居的條形碼差異做出結論：已知物種或未知物種。,DNA條形碼的意義,快速而準確的識別和鑒定物種使非專業(yè)人員也能鑒定物種野外物種識別,DNA條形碼是技術而非科學,DNA條形碼僅供物種識別.DNA條形碼應該跟物種學名一樣有承載它的憑證標本( vouchered specimen)或在微小型種類中有數碼圖象憑證.DNA條形碼序列應該提交到專門的條形碼數據庫中.根據DNA條形碼進行物種識別的前提條件是已經測得并建立

4、了相關類群所有物種的條形碼標記的數據庫.,DNA條形碼識別中存在的困難,Input order alters resultsEuclidean distances?Mitochondrial heteroplasmyIdentical sequences in different speciesIntrogressionHybrid speciationIncomplete lineage sortingNUMTs- Nu

5、clear Pseudogenes,DNA條形碼國際組織,生物條形碼聯合體CBOL- Consortium for the Barcode of Life：22國家的45 研究機構2004年首屆會議： London meeting (7th-9th of February) 有46個國家的220名代表參加。目標Goals 加速DNA條形碼的研究建立向公眾開放的DNA條形碼數據庫促進條形碼識別根據的開發(fā)http://barc

6、oding.si.eduFunded by Sloan Foundation,http://www.barcodinglife.com/pm2/project/public_project.php,The Barcode of Life Database (BoLD) has 32,000 + sequences, (12,000 spp +).,Projects examples,Birds of the World: DNA

7、barcodes have been determined for most of the bird species of North America and a new effort has been mounted by Rockefeller University, the University of Guelph, and the Smithsonian Institution.  Their collective g

8、oal is to obtain DNA barcodes for 10,000 bird species by 2010. Fish-Bol: An “All Fishes” initiative has been undertaken by an international collaboration organized by Paul Hebert at the University of Guelph.  

9、;The Sloan Foundation has awarded support for a June 2005 workshop aimed at planning a barcode project for 500,000 specimens and more than 20,000 species.,Neighbor-Joining Tree of Genetic Distances in COIAmong and Withi

10、n 100 Hominidae.,Ten species in one: DNA barcoding reveals cryptic species in the neotropical skipper butterfly,Differences in DNA barcodes help create trees showing genetic distances between species.,,DNA分類學（ DNA Taxon

11、omy ）,定義：應用DNA序列作為唯一數據來描述和定義分類單元。,2. 組裝生命之樹,Assembling the Tree of Life (ATOL),Tree of Life: 10M species,,David Hillis, Science 300:1687 (2003),現在是組裝地球上所有生物的系統(tǒng)發(fā)育樹的時候,基因組學和DNA測序技術已經能夠滿足組裝生命之樹所需要的數據.生物信息學的理論和方法已經能夠滿足組裝生命

12、之樹需要的計算和數據管理任務,Assembling the Tree of Life,NSF Proposal：Phylogeny & predictive classification for life on earthin 10-15 years,The Assembling the Tree of Life (AToL) Program,construct a universal Tree of Life for al

13、l 1.7 million named species of living organisms on earth.capitalize on new computational and genomic technologies.encompass all microbes, fungi, protists, animals and plants.,Funding with Core programs,Funding with ATo

14、L,Two Types of Proposals,Taxon BasedAddress complex phylogenetic problems for a major taxon that have been resistant to solution using past approaches Tree-building method not specifiedManagement plan,Analytical or Ph

15、yloinformaticsData analysisData acquisitionData sharingData storage,,BIO Homepage - http://www.nsf/bio,,NSF: ASSEMBLING THE TREE OF LIFE (ATOL) PROGRAM,Bacteria. Tree of Life for bacteria.Eu-Tree. Assembling the Tr

16、ee of eukaryotic microbial diversity (protists).Chloroplast Genomics. Sequence and analyse whole chloroplast genomes of 55 species of land plants (Embryophytes).The Green Tree of Life. Tree of Life for Green Plants (

17、Chlorobionta).Angiosperms. Tree of Life for Flowering Plants.AFToL. Assembling the Fungal Tree of Life, i.e. for mushrooms, yeasts, molds etc.Cypriniformes. Phylogeny of cypriniform fishes.AmphibiaTree. Tree of L

18、ife for amphibians.Deep Scaly Project. Tree of Life for squamate reptiles (lizards and snakes).Archosauria. Phylogeny of theropod dinosaurs including birds.Early Bird. Phylogeny of birds.Protostomes. Tree of Life

19、 for the majority of Animalia, excluding jellyfish, echinoderms, tunicates, vertebrates, and a few others.NemAToL. Tree of Life for nematodes.Annelida. Tree of Life for annelid worms.Arthropoda. Tree of Life for Ch

20、elicerata, Myriapoda, Crustacea, and Hexapoda.Spiders. Tree of Life for Araneae.Hexapoda. Tree of Life for springtails, diplurans, proturans, and insects.HymAToL. Tree of Life for Hymenoptera (sawflies, horntails,

21、wasps, ants, bees etc.)AntAToL. Tree of Life for ants (Formicidae).FLY-TREE. Tree of Life for true flies (Diptera).,,,,4. 譜系基因組學,Phylogenomics,Complete genomes? 1387 projects261 published (01-03-05)? 654 pro

22、karyotes? 472 eukaryotes,207,21,33,http://www.genomesonline.org/,Tree of life,基因樹與物種樹的不相合性,基因樹,物種樹,Martin & Embley, Nature 431:152-5.2004,The three-domain proposal based on the ribosomal RNA tree. Woese et al. PNAS.

23、 87:4576-4579. (1990),The two-empire proposal, separating eukaryotes from prokaryotes and eubacteria from archaebacteria. Mayr, D. PNAS 95:9720-23. (1998).,The three-domain proposal, with continuous lateral gene transf

24、er among domains. Doolittle Science 284:2124-2128. (1999),The ring of life, incorporating lateral gene transfer but preserving the prokaryote–eukaryote divide. Rivera MC and Lake JA. Nature 431: 152-155. (2004),Genome

25、Tree,原核生物的系統(tǒng)發(fā)育網絡,A bird's-eye view of the tree of life, showing the vines in red and the tree's branches in grey [Bacteria] and green [Archaea],生命之樹的基部分支關系,原核生物之間垂直遺傳和水平轉移的網絡表達方式,來自Dagan and Martin（2009）Figure 2e

26、,線粒體的譜系基因組學mitochondrial phylogenomics,從1981年Anderson等人完成人類的線粒體基因組全序列測定以來，已有800余種生物完成了線粒體基因組全序列測定，其中，NCBI Genebank數據庫中收錄的線粒體基因組序列中，后生動物751種，真菌41種，植物15種，原生生物34種。 動物線粒體基因組約14kb~17kb，缺乏內含子，所有基因緊密的排列于2條鏈上?；蚪M成相對保守。,直翅總目昆蟲

27、的線粒體譜系基因組學,目的: 建立直翅目和直翅總目昆蟲高級階元之間的系統(tǒng)發(fā)育關系方法: 線粒體全基因組測序、組裝、注釋及系統(tǒng)發(fā)育分析資助: 已連續(xù)獲得3個國家自然科學基金進展: 已測出20余種直翅目昆蟲的線粒體全基因組。,直翅目昆蟲線粒體通用引物設計圖,,霍山蹦蝗線粒體基因組的組成結構,意大利蝗線粒體基因組的組成結構,,利用12條AA序列重建的部分六足類系統(tǒng)發(fā)育樹,5. 系統(tǒng)發(fā)育信息學,,系統(tǒng)發(fā)育信息學-定義,系統(tǒng)發(fā)育信息學是存貯

28、、管理、注釋、開發(fā)和加工系統(tǒng)樹及其相關生物學信息的交叉學科。它所采用的方法是基于計算機和網絡技術，包括大型系統(tǒng)樹及其相關生物學數據庫的建立，系統(tǒng)樹數據庫網絡的構架，系統(tǒng)樹的可視化顯示，小系統(tǒng)樹的聯合與超樹的建立、用戶查詢、搜索和下載等，最終目的是要建立一個囊括地球上所有生物的系統(tǒng)樹和其相關的生物學數據庫，將各種生物在樹上精確定位,并進一步通過對系統(tǒng)發(fā)育信息的查詢、搜索、聯合與分析，從中獲取生命進化的知識和進行生物學的預測。,系統(tǒng)發(fā)育信息

29、學產生背景,組裝生命之樹計劃必需的的基礎建設系統(tǒng)發(fā)育生物學知識整合的需要系統(tǒng)發(fā)育數據爆炸,系統(tǒng)發(fā)育信息學主要任務,發(fā)展算法、開發(fā)軟件、構建數據庫用于解決以下問題:系統(tǒng)發(fā)育數據和系統(tǒng)樹貯存、搜索和查詢超樹和超矩陣的構建方法(supertrees, supermatrices)系統(tǒng)樹和網絡的可視化meta analysis,Phyloloinformatic infrastructure,系統(tǒng)發(fā)育信息學網絡資源,系統(tǒng)發(fā)育信息學是

30、近年來形成的新的學科方向，是系統(tǒng)學研究領域的一個新興生長點。目前可用的網絡資源有CIPRes和系統(tǒng)發(fā)育軟件（Phylogeny Programs）網站及數據庫資源，已有的系統(tǒng)發(fā)育信息學數據庫包括TreeBASE，Tree of Life, Species 2000, NCBI Taxonomy數據庫等。,生命之樹網站Tree of Life（tolweb.org）,普及性網站提供了大量的文字和圖象無法進行系統(tǒng)樹分析對系統(tǒng)學研究意

31、義有限,TreeBASEwww.treebase.org,關系型數據庫可以通過作者、分類單元等進行搜索可以構建超樹系統(tǒng)樹和數據集均NEXUS 格式,系統(tǒng)發(fā)育分析方法和軟件使用,5 系統(tǒng)發(fā)育分類學,,Traditional versus Phylogenetic classification of Vertebrata,,,Phylogenetic nomenclature,The “PhyloCode”：http://ww

32、w.phylocode.org/De Queiroz & Gauthier, 1990. Systematic Biology 39:307-322.De Queiroz & Gauthier, 1992. Annual Review of Ecology and Systematics 23:449-480.,6 系統(tǒng)發(fā)育生物學,Phylogenetic Biology,系統(tǒng)發(fā)育生物學: 定義,系統(tǒng)發(fā)育生物學是以系

33、統(tǒng)樹為基礎的生物學研究，是比較生物學研究從種群（population thinking ）思維向系統(tǒng)樹思維（tree thinking）和網絡思維（netkork thinking）發(fā)展的結果。,系統(tǒng)樹思維方式,比較生物學研究范式的變化個體（1930s以前）→群體（1930-1990s）→系統(tǒng)樹 和網絡系統(tǒng)樹思維,系統(tǒng)發(fā)育生物學研究的主要范圍,1. 小進化研究 基因譜系 譜系生物地理學 雜交研究

34、物種形成 kinship and parentage2. 大進化研究 3. 性狀進化研究 4. 祖先狀態(tài)估計,5. 分歧時間估計 6. 協同進化 7. 流行病學 8. 分子進化（選擇、重組、漂變、基因流、LGT、基因重復等） 9. 群體歷史（瓶頸效應、奠基者效應、等） 10. 保護生物學,系統(tǒng)發(fā)育生物學研究范例,Phylogenetic Relation

35、ships of North American Field Crickets Inferred from Mitochondrial DNA Data Yuan Huang, Guillermo Ort?´, Marie Sutherlin, Amy Duhachek, and Anthony Zera Molecular Phylogenetics and Evolution Vol. 17, No. 1, Oc