利用生物網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)之劍破解玉米遺傳奧秘

 

　　2022年12月30日，《自然-遺傳》雜志在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)李林課題組聯(lián)合楊芳課題組、嚴(yán)建兵課題組的合作研究論文“A multi-omics integrative network map of maize”。該研究對參考自交系B73全生育期不同組織/時期的樣品進(jìn)行多維組學(xué)大數(shù)據(jù)測定，獲得了31個不同組織或發(fā)育時期的mRNA-Seq數(shù)據(jù)、21個不同組織或發(fā)育時期的circRNA-Seq、sRNA-Seq數(shù)據(jù)和21個組織的Ribo-Seq數(shù)據(jù)。同時，使用高通量酵母系統(tǒng)RLL-seq構(gòu)建了玉米蛋白互作網(wǎng)絡(luò)，獲得了36萬多個蛋白-蛋白互作對，高置信度的互作有56243個。整合已有的基因組水平ChIA-PET網(wǎng)絡(luò)與本研究產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄組水平共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)、翻譯組水平共翻譯網(wǎng)絡(luò)和蛋白互作網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了玉米第一代多組學(xué)整合網(wǎng)絡(luò)圖譜，涉及到兩百萬個互作關(guān)系。

 

　　生物育種是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)與核心，基因組育種技術(shù)是我國生物育種共性關(guān)鍵核心技術(shù)。生物育種經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)育種、分子標(biāo)記育種、全基因組選擇育種幾個不同發(fā)展階段，正在大踏步向基因組智能設(shè)計(jì)育種時代進(jìn)軍。無論生物育種處于哪個階段，都離不開控制生物遺傳變異的功能基因克隆與分子機(jī)制解析。經(jīng)典的遺傳學(xué)與分子生物學(xué)手段對重要性狀的某個單一重要位點(diǎn)進(jìn)行定位、克隆、分子互作實(shí)驗(yàn)，從而明確重要目標(biāo)基因的上游調(diào)控基因、分子伴侶、以及下游的靶位點(diǎn)，進(jìn)而構(gòu)建功能基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，最終解析一個基因控制重要性狀變異的分子機(jī)制。經(jīng)典的方法行之有效，克隆并解析了一批重要的功能基因。然而，即便是在功能基因組提出了二十幾年的今天，水稻和玉米中克隆的功能基因仍不足其所有基因的10%，而且已經(jīng)克隆基因的新功能還不斷被發(fā)現(xiàn)。如何快速克隆功能基因并解析重要性狀變異的分子機(jī)制，并從全局解析重要作物的遺傳變異的奧秘，仍然挑戰(zhàn)巨大，也是邁步智能設(shè)計(jì)育種時代的重要制約因素。

 

　　生物學(xué)研究已進(jìn)入生物大數(shù)據(jù)時代。基于生物大數(shù)據(jù)，從全局水平構(gòu)建所有基因的上下游及分子伴侶網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為可能，為我們?nèi)纸馕霰M可能多的基因功能進(jìn)而全面破解生物遺傳變異的奧秘提供了前所未有的機(jī)會。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人李林從2013年底就開始謀劃設(shè)計(jì)，擬從多維組學(xué)的角度構(gòu)建各個尺度以及介尺度水平的基因與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，從而全面解析生物遺傳奧秘。李林2016年回國成立實(shí)驗(yàn)室后，聯(lián)合華中農(nóng)業(yè)大學(xué)楊芳課題組與嚴(yán)建兵課題組，正式拉開了在基因組、轉(zhuǎn)錄組、翻譯組、以及蛋白組學(xué)等水平構(gòu)建玉米多維網(wǎng)絡(luò)圖譜的序幕。

 

 

　　一個生命體內(nèi)部的基因，就與人類社會中人非常相似。要確定一個人在人類社會中的社會價值，在社會學(xué)中不僅要看這個人所處在的家庭關(guān)系是什么，與什么人結(jié)婚、親屬關(guān)系是什么；也要看這個人的朋友圈如何，他/她與誰是朋友關(guān)系；同時也要看它工作的同事是誰，在什么公司工作。通過家庭親屬關(guān)系、朋友圈關(guān)系、以及工作圈的關(guān)系等，就可以了解這個人的社會價值與貢獻(xiàn)。玉米第一代多組學(xué)整合網(wǎng)絡(luò)圖譜，就是描述玉米全局基因不同層級關(guān)系的圖譜。了解了全局關(guān)系圖譜，就會對全局基因的功能有系統(tǒng)的理解，進(jìn)而就可以系統(tǒng)解析性狀遺傳變異分子機(jī)制。該研究經(jīng)過6年的努力，研究者鍛造出了生物網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)之劍，為全面系統(tǒng)解析玉米遺傳變異機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

 

　　基于成功構(gòu)建的玉米多維網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)圖譜，該研究在全基因組水平探究了重復(fù)基因在網(wǎng)絡(luò)中的功能分化，發(fā)現(xiàn)不同類型的重復(fù)基因以及不同年代的重復(fù)基因的功能分化存在顯著不同，揭示出玉米兩個遠(yuǎn)古亞基因組從轉(zhuǎn)錄組到蛋白互作組表現(xiàn)出漸進(jìn)式的功能分化；同時，重構(gòu)了玉米已經(jīng)克隆的株型功能基因、籽粒品質(zhì)以及籽粒大小相關(guān)功能基因的分子網(wǎng)絡(luò)，并成功預(yù)測出影響目標(biāo)性狀的新基因與分子網(wǎng)絡(luò)。有意思的是，盡管不同課題組克隆的玉米籽粒大小相關(guān)功能基因來源不同，但是這些籽粒大小功能基因都顯著富集在玉米多維組學(xué)整合網(wǎng)絡(luò)圖譜中，并系統(tǒng)鑒定出6個子網(wǎng)絡(luò)協(xié)同調(diào)控玉米籽粒發(fā)育。

 

 

　　為進(jìn)一步利用數(shù)以百萬計(jì)的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)關(guān)系來解析玉米復(fù)雜數(shù)量遺傳性狀遺傳的奧秘，作者進(jìn)行了大量基于人工智能算法的探索與嘗試。以玉米重要農(nóng)藝性狀開花期為例，開發(fā)了多個玉米開花期功能基因預(yù)測的人工智能算法，對玉米第一代整合多組學(xué)網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，預(yù)測了2,651個候選的開花期基因，劃分為8個子網(wǎng)絡(luò)途徑，覆蓋了過去研究所報道的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)，同時鑒定出一個玉米中全新的調(diào)控開花期的分子途徑，涉及到組蛋白乙酰化轉(zhuǎn)移酶調(diào)控。從鑒定出來的8個開花期子網(wǎng)絡(luò)中，挖掘出近100個關(guān)鍵候選開花期基因，通過CRISPR基因編輯技術(shù)與EMS突變技術(shù)創(chuàng)制其突變體。多年多點(diǎn)的大田種植開花期候選基因的突變體與其野生型材料，進(jìn)行遺傳表型鑒定，確定了20個預(yù)測基因與開花期性狀相關(guān)，并對其分子機(jī)制進(jìn)行了初步闡釋，加深了對玉米開花期的理解，為開花期的智能設(shè)計(jì)育種提供了理論基礎(chǔ)與基因資源。

 

　　作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室李林、楊芳和嚴(yán)建兵為該論文的共同通訊作者。我校博士生韓林倩、鐘萬順、錢佳，博士后金敏亮、朱萬超和孫永浩，已畢業(yè)的碩士田鵬和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院張紅偉副研究員為該論文的共同第一作者，我校理學(xué)院陳洪教授、李偉夫副教授，吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院劉相國研究員、廣西大學(xué)陳玲玲教授等多個團(tuán)隊(duì)的老師和同學(xué)共同參與了研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目、國家優(yōu)秀青年基金、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室、以及海南崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室揭榜掛帥等項(xiàng)目的資助。

 

　　Abstract

 

　　Networks are powerful tools to uncover functional roles of genes in phenotypic variation at a system-wide scale. Here, we constructed a maize network map that contains the genomic, transcriptomic, translatomic and proteomic networks across maize development. This map comprises over 2.8 million edges in more than 1,400 functional subnetworks, demonstrating an extensive network divergence of duplicated genes. We applied this map to identify factors regulating flowering time and identified 2,651 genes enriched in eight subnetworks. We validated the functions of 20 genes, including 18 with previously unknown connections to flowering time in maize. Furthermore, we uncovered a flowering pathway involving histone modification. The multi-omics integrative network map illustrates the principles of how molecular networks connect different types of genes and potential pathways to map a genome-wide functional landscape in maize, which should be applicable in a wide range of species.

 

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　　在線論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41588-022-01262-1