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“微进化过程的多基因作用机制”重大研究计划2014年度项目指南

日期 2014-01-26   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

  生物进化的研究体现在两个层次上:宏进化(macroevolution)和微进化(microevolution)。宏进化研究侧重于观察大的时间尺度下的生物性状变异(不在本重大研究计划资助范围之内);而微进化指的是种内或近缘物种之间的进化,是生物变异的源头和适应环境的基础。本重大研究计划旨在通过分析微进化过程中表型变异的生物在基因组水平上的变异,发现与表型变异相关的关键遗传改变,并揭示进化的作用力,从而阐明复杂表型变异的多基因作用机制,使进化理论奠定在更坚实的遗传学基础上,推动进化理论的进一步发展与完善。

  一、科学目标

  运用基因组学及多学科交叉的综合手段,通过研究微进化中适应环境变化的生物体系,揭示基因组在序列、结构、表观遗传修饰、转录水平上的变异以及影响表型进化的作用机理,阐明多基因之间的相互作用与网络调控的分子机制及其进化意义。

  二、核心科学问题

  以生物应对新环境、极端环境、家养环境和细胞水平的适应性变异等为研究体系,分析在快速进化过程中基因组的变异,阐明有多少关键基因在微进化过程起作用?它们是一些什么样的基因?它们本身是如何进化的?它们之间的相互作用如何?它们在调控网络里主要处于哪些位置?等问题。从而解析微进化过程中多基因作用机制,揭示“生物是如何在基因组水平上通过基因突变与多基因交互作用,改变表型或其它性状以适应环境变化”。本重大研究计划优先资助能对上述核心问题提出明确解决方案的项目。

  三、2014年度拟重点资助的研究方向

  本重大研究计划建议的四种研究体系代表了微进化中生物适应快速变化环境的重要体系。它们在回答核心科学问题上既有共性,也有很强的互补性。本重大研究计划着重资助在下述六个研究方向上提出的基础好、创新性强,具有国际领先潜力的前沿研究项目。

  (一)新环境下的基因组变异及适应新环境的分子机制。

  一般认为环境变化是生物微进化主要的驱动力。变化的环境可以是原住地的气候、地表等的改变,也可以是物种迁移到一个新的环境(如入侵种,是快速环境变化的一个典型例子)。比较新旧环境中的物种群体在基因组水平的差异,寻找强烈分化的基因位点,从而鉴定出适应新环境的关键基因。本研究方向要求在全基因组水平上定位与克隆适应性基因,进而通过研究适应性基因的进化历史与功能变化,探索和揭示生物迅速适应新环境的基本机制和规律。

  (二)极端环境下的基因组变异及适应极端环境的分子机制。

  极端环境(包括边缘环境)是指近缘物种或同一物种的生境中具有极高或极低的温度、纬度、海拔、盐度等物理特征的环境。极端环境与新环境的区别在于,物种已经在相当长的时间内产生了对极端环境的适应性。本研究方向要求通过全基因组水平的比较研究,定位和克隆与极端或边缘环境适应相关的关键基因,以揭示生物适应极端环境的分子机制。

  (三)人工选择下的基因组变异与适应人工环境的分子机制。

  家养动植物是在短短的一万多年内,通过人工选择的作用,从野生祖先驯化而来的。人工选择的特点是强度高、方向明确。本研究方向要求通过比较家养动植物与其野生近缘物种群体的全基因组水平上的差异,探讨人工选择下基因组变异的规律,鉴别出重要的适应性基因,揭示人工选择下家养动植物适应人工环境的遗传机制。本方向优先支持驯化历程相对清晰、有望对进化理论做出崭新贡献的研究系统。研究内容应着眼于了解选择压推动微进化的分子机制,而不是农业经济性状的改良。

  (四)细胞水平的适应和变异。

  生物进化理论也可以应用到细胞水平,器官的衰竭及细胞的非正常增殖都涉及到体细胞突变的积累和适应。本研究方向要求利用群体遗传学、进化生物学及系统生物学的研究方法,研究体细胞突变及表观遗传修饰的动态过程及其特征,了解突变积累、选择作用及细胞非正常增殖的规律,鉴别与细胞迅速增殖相关的致变突变,并阐明其在微进化过程中的适合度。

  (五)微进化机制的基本理论与法则。

  本重大研究计划前面四个方向主要是针对外界环境主导的生物适应性变化。除此以外,适用于各种环境的微进化机制的基本法则,有待深入研究来阐述。例如,1.进化的力量还包括物种内在力量,如性选择、迁徙性和领地性等,它们对于种群分化、变异、和物种形成的作用;2.基因组内部的驱动力,如突变率、重组率、基因组倍性的改变等的进化规律及其对基因组变异的作用;3.进化的基本理论,如溯主理论等,在不同群体模型下的理论构架和异同;4.生态群落的共进化规律和基因组改变。

  (六) 围绕微进化研究的生物信息学新方法。

  本方向重点支持开发围绕上述五个研究方向所需要的生物信息学和计算生物学方法,包括:围绕微进化研究的新一代测序数据处理方法和分析手段;群体遗传学理论在生物适应的基因组学研究中的应用,发展检验自然选择的新方法以及在细胞水平的延展;微进化中基因相互作用的检测、数学描述和生物网络演化的分析方法。

  四、申请注意事项

  (一)撰写申请书应当注意:具有明确的科学问题、科学假设和检验假设的具体方法,三者缺一不可;揭示多基因作用机制不应局限在测序和基因表达水平高低的结果,而应该有具体的生物信息学分析方法或揭示机制的具体方案。

  (二)为了使申请人更准确地把握本重大研究计划的研究方向,指导专家组拟定了适用于微进化研究的关键词供申请人在填写申请书时使用。请申请人根据本次申请的研究内容,并结合上述六个研究方向,关键词选择参照下表,每个大类(科学问题、研究方法、研究对象和研究层次)的第一级各选择一个,第二或更高级的有关键词则选一个,没有列出的可不选。

“微进化过程的多基因作用机制”重大研究计划关键词

I. 科学问题

第一级(必需)

第二或更高级(可选,例举)

自然选择(Natural selection)

正向选择(positive selection)、

选择约束(selective constraints)、

其他(请详细说明)others (please specify)

适应(Adaptation)

极端环境(extreme environments)、

新环境(new environments)

复杂性状(Complex traits)

羽毛形成(feather formation)、

体重(body weight)、

其他(请详细说明)others (please specify)

杂交(Hybridization)

 

遗传变异(Genetic variation)

 

种系发生(Phylogeny)

 

基因组结构(Genomic structure)

 

性选择(Sexual selection)

 

肿瘤演化(Cancer evolution)

 

细胞演化(Cellular evolution)

 

新基因进化(New gene evolution)

 

基因相互作用(Gene interactions)

 

系统稳定性(Systems stability)

 

多倍化(Polyploidization)

 

家养化(Domestication)

猪(pigs)、

鸡(chickens)、

狗(dogs)、

其他(请详细说明)others (please specify)

行为演化(Behavioral evolution)

 

物种入侵(Species invasion)

 

群体结构(Population structure)

 

其他(请详细说明)Others (please specify)

 

II. 研究方法

第一级(必需)

第二或更高级(可选,例举)

群体遗传学(Population genetics)

溯祖理论(coalescence)、

选择理论(theory of selection)、

其他(请详细说明)others (please specify)

数量遗传学(Quantitative genetics)

全基因组关联分析(GWAS)、

QTL作图(QTL mapping)、

其他(others)

分子进化(Molecular evolution)

系统发生构建(phylogenetic reconstruction)

系统生物学(Systems biology)

生物网络分析(biological network analysis)、

组学数据集成(omics data integration)

转基因方法学(Transgenic methodology)

 

诱导突变(Mutagenesis)

 

生物信息学(Bioinformatics)

序列比对(sequence alignment)、

结构变异推断(structural variation inference)、

转录组分析(transcriptome analysis)、

宏基因组分析(metagenome analysis)、

基因组和宏基因组调控(genomic and epigenomic regulation)

计算生物学(Computational biology)

生物过程建模(biological process modeling)

其他(请详细说明)Others (specify))

 

III. 研究对象

第一级(必需)

第二或更高级(可选,例举)

人类(Human)

亚洲人群(Asians)、

其他(请详细说明)others (please specify)

模式生物(必须详述)Model organism (must specify)

果蝇(Drosophila)、

拟南芥(Arabidopsis)、

其他(请详细说明)others (please specify)

Domesticated species(must specify)家养生物(必须详述)

水稻(rice)、

猪(pigs)、

其他(请详细说明)others (please specify)

原核生物(Prokyarytoes)

 

酵母(Yeast)

 

无脊椎动物(Invertebrates)

 

昆虫(Insects)

 

脊椎动物(Vertebrates)

 

哺乳动物(Mammals)

 

其他(请详细说明)Others (please specify)

 

IV. 研究层次(Level of organization)

第一级(必需)

第二或更高级(可选,例举)

基因组序列(Genomic sequences)

 

基因组结构变异(Genomic structural variation)

 

表观遗传学(Epigenetics)

 

染色质结构(Chromatin structure)

 

转录组(Transcriptome)

 

非编码RNA(Noncoding RNAs)

 

其他(请详细说明)Others (specify)

 

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