分子系统学的新进展.pptx

分子系统学的新进展分子系统学的新进展黄原2006-9主要内容主要内容1 DNA条形码条形码2 组装生命之树组装生命之树3 谱系基因组学谱系基因组学4 系统发育信息学系统发育信息学5 系统发育分类学系统发育分类学6 系统发育生物学系统发育生物学1.DNA条形码条形码DNA barcode什么是什么是DNA条形码条形码?能够用于识别和鉴定某一类群所有物种的一段能够用于识别和鉴定某一类群所有物种的一段DNA序列序列.DNA条形码是由条形码是由 DNA序列上序列上A、C、G和和T 4种碱基组成种碱基组成及其次序决定的。及其次序决定的。DNA条形码标记的要求在某一类群的所有物种中都有这段在某一类群的所有物种中都有这段DNA序列序列.必须是物种特异性的必须是物种特异性的.可以使用简便的方法进行研究可以使用简便的方法进行研究.在物种之间长度变异不大在物种之间长度变异不大.建议的建议的DNA条形码标记条形码标记COI gene18S rRNA gene16S rRNA geneCOI基因是首选标记基因是首选标记COI 基因基因5约约648bp.COI 不适用于植物不适用于植物.COI在两栖类进化速度很高在两栖类进化速度很高,不适不适用于两栖类用于两栖类.DNA条形码识别原理条形码识别原理建立地球上所有物种的建立地球上所有物种的DNA条形码数据库条形码数据库测定待鉴定标本的条形码序列测定待鉴定标本的条形码序列将待鉴定标本的条形码序列与条形码数据库将待鉴定标本的条形码序列与条形码数据库中的所有记录进行比对中的所有记录进行比对根据比对结果中与最近邻居的条形码差异做根据比对结果中与最近邻居的条形码差异做出结论：已知物种或未知物种。出结论：已知物种或未知物种。DNA条形码的意义条形码的意义快速而准确的识别和鉴定物种快速而准确的识别和鉴定物种使非专业人员也能鉴定物种使非专业人员也能鉴定物种野外物种识别野外物种识别DNA条形码是技术而非科学条形码是技术而非科学DNA条形码仅供物种识别.DNA条形码应该跟物种学名一样有承载它的凭证标本(vouchered specimen)或在微小型种类中有数码图象凭证.DNA条形码序列应该提交到专门的条形码数据库中.根据DNA条形码进行物种识别的前提条件是已经测得并建立了相关类群所有物种的条形码标记的数据库.DNA条形码识别中存在的困难条形码识别中存在的困难Input order alters resultsEuclidean distances?Mitochondrial heteroplasmyIdentical sequences in different speciesIntrogressionHybrid speciationIncomplete lineage sortingNUMTs-Nuclear PseudogenesDNA条形码国际组织条形码国际组织生物条形码联合体生物条形码联合体CBOL-Consortium for the Barcode of Life：22国家的国家的45 研究机构研究机构2004年首届会议：年首届会议：London meeting(7th-9th of February)有有46个国家的个国家的220名代表参加。名代表参加。目标目标Goals 加速加速DNA条形码的研究条形码的研究建立向公众开放的建立向公众开放的DNA条形码数据库条形码数据库促进条形码识别根据的开发促进条形码识别根据的开发http:/barcoding.si.eduFunded by Sloan Foundationhttp:/ Barcode of Life Database(BoLD)has 32,000+sequences,(12,000 spp+).Projects examplesBirdsoftheWorld:DNAbarcodeshavebeendeterminedformostofthebirdspeciesofNorthAmericaandanewefforthasbeenmountedbyRockefellerUniversity,theUniversityofGuelph,andtheSmithsonianInstitution.TheircollectivegoalistoobtainDNAbarcodesfor10,000birdspeciesby2010.Fish-Bol:An“AllFishes”initiativehasbeenundertakenbyaninternationalcollaborationorganizedbyPaulHebertattheUniversityofGuelph.TheSloanFoundationhasawardedsupportforaJune2005workshopaimedatplanningabarcodeprojectfor500,000specimensandmorethan20,000species.Neighbor-Joining Tree of Genetic Distances in COIAmong and Within 100 Hominidae.Ten species in one:DNA barcoding reveals cryptic species in the neotropical skipper butterflyDifferences in DNA barcodes help create trees showing genetic distances between species.DNA分类学分类学（DNA Taxonomy）定义：应用定义：应用DNA序列作为唯一数序列作为唯一数据来描述和定义分类单元。据来描述和定义分类单元。2.组装生命之树组装生命之树Assembling the Tree of Life(ATOL)Tree of Life:10M speciesDavid Hillis,Science 300:1687(2003)现在是组装地球上所有生物的系现在是组装地球上所有生物的系统发育树的时候统发育树的时候基因组学和DNA测序技术已经能够满足组装生命之树所需要的数据.生物信息学的理论和方法已经能够满足组装生命之树需要的计算和数据管理任务Assembling the Tree of LifeNSF Proposal：Phylogeny&predictive classification for life on earthin 10-15 yearsThe Assembling the Tree of Life(AToL)Programconstruct a universal Tree of Life for all 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 programsFunding with AToLTwo Types of ProposalsTaxon BasedAddress complex phylogenetic problems for a major taxon that have been resistant to solution using past approaches Tree-building method not specifiedManagement planAnalytical or PhyloinformaticsData analysisData acquisitionData sharingData storageBIO Homepage-http:/www.nsf/bio2002 AToL Awards:7 Projects Funded Bacteria Non-seed Plants Fungi Nematodes Spiders and Scorpions Birds DinosaursNSF:ASSEMBLING THE TREE OF LIFE(ATOL)PROGRAMBacteria.Tree of Life for bacteria.Eu-Tree.Assembling the Tree 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(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 Life 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 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 Chelicerata,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,wasps,ants,bees etc.)AntAToL.Tree of Life for ants(Formicidae).FLY-TREE.Tree of Life for true flies(Diptera).4.谱系基因组学谱系基因组学PhylogenomicsComplete genomes 1387 projects261 published (01-03-05)654 prokaryotes 472 eukaryotes2072133http:/www.genomesonline.org/Tree of lifeGOLDCumulated number of available completely sequenced genomes9503-05969798990001020304Completely sequenced Genomes that span the three domains of life are growing at a rapid rateMartin&Embley,Nature 431:152-5.2004The three-domain proposal based on the ribosomal RNA tree.Woese et al.PNAS.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 transfer among domains.Doolittle Science 284:2124-2128.(1999)The ring of life,incorporating lateral gene transfer but preserving the prokaryoteeukaryote divide.Rivera MC and Lake JA.Nature 431:152-155.(2004)Genome TreeProfilesConservationOrthologs原核生物的系统发育网络原核生物的系统发育网络A birds-eye view of the tree of life,showing the vines in red and the trees branches in grey Bacteria and green Archaea生命之树的基部分支关系生命之树的基部分支关系线粒体的谱系基因组学线粒体的谱系基因组学mitochondrial phylogenomics从1981年Anderson等人完成人类的线粒体基因组全序列测定以来，已有800余种生物完成了线粒体基因组全序列测定，其中，NCBI Genebank数据库中收录的线粒体基因组序列中，后生动物751种，真菌41种，植物15种，原生生物34种。动物线粒体基因组约14kb17kb，缺乏内含子，所有基因紧密的排列于2条链上。基因组成相对保守。直翅总目昆虫的线粒体谱系基因组学直翅总目昆虫的线粒体谱系基因组学目的:建立直翅目和直翅总目昆虫高级阶元之间的系统发育关系方法:线粒体全基因组测序、组装、注释及系统发育分析资助:已连续获得3个国家自然科学基金进展:已测出20余种直翅目昆虫的线粒体全基因组。直直翅翅目目昆昆虫虫线粒粒体体通通用用引引物物设计图霍山蹦蝗线粒体基因组的组成结构霍山蹦蝗线粒体基因组的组成结构 意大利蝗线粒体基因组的组成结构意大利蝗线粒体基因组的组成结构利利用用12条条AA序序列列重重建建的的部部分分六六足足类类系系统统发发育育树树5.系统发育信息学系统发育信息学系统发育信息学系统发育信息学-定义定义系统发育信息学是存贮、管理、注释、开发和加工系统发育信息学是存贮、管理、注释、开发和加工系统树及其相关生物学信息的交叉学科。它所采用系统树及其相关生物学信息的交叉学科。它所采用的方法是基于计算机和网络技术，包括大型系统树的方法是基于计算机和网络技术，包括大型系统树及其相关生物学数据库的建立，系统树数据库网络及其相关生物学数据库的建立，系统树数据库网络的构架，系统树的可视化显示，小系统树的联合与的构架，系统树的可视化显示，小系统树的联合与超树的建立、用户查询、搜索和下载等，最终目的超树的建立、用户查询、搜索和下载等，最终目的是要建立一个囊括地球上所有生物的系统树和其相是要建立一个囊括地球上所有生物的系统树和其相关的生物学数据库，将各种生物在树上精确定位关的生物学数据库，将各种生物在树上精确定位,并并进一步通过对系统发育信息的查询、搜索、联合与进一步通过对系统发育信息的查询、搜索、联合与分析，从中获取生命进化的知识和进行生物学的预分析，从中获取生命进化的知识和进行生物学的预测。测。系统发育信息学产生背景系统发育信息学产生背景组装生命之树计划必需的的基础建设组装生命之树计划必需的的基础建设系统发育生物学知识整合的需要系统发育生物学知识整合的需要系统发育数据爆炸系统发育数据爆炸系统发育信息学主要任务系统发育信息学主要任务发展算法、开发软件、构建数据库用于解决以下发展算法、开发软件、构建数据库用于解决以下问题问题:系统发育数据和系统树贮存、搜索和查询系统发育数据和系统树贮存、搜索和查询超树和超矩阵的构建方法超树和超矩阵的构建方法(supertrees,supermatrices)系统树和网络的可视化系统树和网络的可视化meta analysisPhyloloinformatic infrastructure系统发育信息学网络资源系统发育信息学网络资源系统发育信息学是近年来形成的新的学科方向，是系统学研究领域的一个新兴生长点。目前可用的网络资源有CIPRes和系统发育软件（Phylogeny Programs）网站及数据库资源，已有的系统发育信息学数据库包括TreeBASE，Tree of Life,Species 2000,NCBI Taxonomy数据库等。生命之树网站生命之树网站Tree of Life（tolweb.org）普及性网站普及性网站提供了大量的文字和图象提供了大量的文字和图象无法进行系统树分析无法进行系统树分析对系统学研究意义有限对系统学研究意义有限TreeBASEwww.treebase.org关系型数据库关系型数据库可以通过作者、分类单元可以通过作者、分类单元等进行搜索等进行搜索可以构建超树可以构建超树系统树和数据集均系统树和数据集均NEXUS 格式格式5 系统发育分类学系统发育分类学Traditional versus Phylogenetic classification of Vertebrata Phylogenetic nomenclatureThe“PhyloCode”：http:/www.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 系统发育生物学系统发育生物学Phylogenetic Biology系统发育生物学系统发育生物学:定义定义系统发育生物学是以系统树为基础系统发育生物学是以系统树为基础的生物学研究，是比较生物学研究的生物学研究，是比较生物学研究从种群（从种群（population thinking）思维向系统树思维（思维向系统树思维（tree thinking）和网络思维（）和网络思维（netkork thinking）发展的结果。）发展的结果。系统树思维方式系统树思维方式比较生物学研究范式的变化比较生物学研究范式的变化个体（个体（1930s以前）以前）群体（群体（1930-1990s）系统树系统树 和网络和网络系统树思维系统树思维系统发育生物学研究的主要范围系统发育生物学研究的主要范围1.小进化研究小进化研究 基因谱系基因谱系 谱系生物地理学谱系生物地理学 杂交研究杂交研究 物种形成物种形成 kinship and parentage2.大进化研究大进化研究 3.性状进化研究性状进化研究 4.祖先状态估计祖先状态估计5.分歧时间估计分歧时间估计 6.协同进化协同进化 7.流行病学流行病学 8.分子进化（选择、重组、漂变、分子进化（选择、重组、漂变、基因流、基因流、LGT、基因重复等）、基因重复等）9.群体历史（瓶颈效应、奠基者群体历史（瓶颈效应、奠基者效应、等）效应、等）10.保护生物学保护生物学系统发育生物学研究范例系统发育生物学研究范例 Phylogenetic Relationships 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,October,pp.4857,2000致谢致谢Acknoledgments学术道路上的导师：学术道路上的导师：郑哲民、周尧、袁锋、郑哲民、周尧、袁锋、A.J.Zera、G.Orti、F.Lang、G.Berg。研究生：研究生：叶海燕、叶维萍、芦荣胜、卢慧叶海燕、叶维萍、芦荣胜、卢慧甍、陈茹冰、马兰、肖莉莉、刘艳、甍、陈茹冰、马兰、肖莉莉、刘艳、张辰艳、钱昭强、周志军，等张辰艳、钱昭强、周志军，等