基于比较基因组学和计算智能的禾本科牧草功能基因的发掘和表达调控研究

我国天然草原约占国土面积的41%，无论在草甸草原、典型草原、荒漠化草原还是在高寒草甸，禾本科牧草凭借其诸多优良性状而成为建群种和优势种,但禾本科牧草功能基因研究却相对滞后。水稻、玉米等模式作物全基因组测序的完成和禾本科牧草EST序列的迅速增加为本课题的研究奠定了基础。本项目拟通过比较基因组学中新的计算智能模型的发展和应用、并结合cDNA文库杂交筛选进而克隆禾本科3个属一系列关键功能基因；通过表达谱芯片的实验检测，构建其形态建成、产量形成关键功能基因调控网络，以期建立一套适合于禾本科牧草功能基因预测、表达调控分析系统的同时，初步揭示禾本科牧草形态建成、产量形成关键基因调控机理。该项目的开展，不仅会为我国典型草原的代表属克隆一系列生长、发育关键功能基因- - -从分子和基因调控水平揭示其代谢机理奠定基础，还会为禾本科其他属相应功能基因的发掘和应用提供示范和模式化研究平台。

我国天然草原约占国土面积的41%，无论在草甸草原、典型草原、荒漠化草原还是在高寒草甸，禾本科牧草凭借其诸多优良性状而成为建群种和优势种,但禾本科牧草功能基因研究却相对滞后。本项目以水稻、玉米等模式作物相应功能基因为基础，通过同源基因克隆技术结合计算智能算法，克隆了禾本科羊茅属和赖草属与生长和发育调控相关的6个功能基因：CCa-bbp、OsHAP3、TB1、PROG1、OsMdp1、DW2；通过实时荧光定量PCR技术分析了LRC1基因在赖草地下根、根茎、叶中的表达特性以及光周期等环境因子调控下表达特性，结果表明该基因表达存的明显的组织特异性，在根及根茎部位表达量显著高于其它部位；另外，光周期逐步由长日照向短日照转换过程中，该基因表达量呈现下降趋势；同时建立了该基因实时荧光定量PCR检测方法，基因表达绝对定量标准曲线相关系数为R2 =0.998，扩增效率为E=2.18，标准曲线方程为y= -2.933x+39.747。通过计算智能算法，开展了通过FNT模型构建基因调控网络研究，结果表明利用FNT对于每个基因的表达数据进行仿真时，该模型预测的基因表达水平和实际表达水平十分接近，显示出该模型具有很高的预测精度，基本上能够反映基因的真实调控过程。另外，基于互信息混合模型构建基因调控网络时，提出了一种包含稀疏和相关系数的全新的适应值函数，构建实例表明该新方法在TPR，FPR，PPV，ACC，F-Score等5个指标上都有所提高，说明新方法在基因调控网络的构建方面是十分有效的。该项目为如何应用水稻等模式物种已克隆基因开展禾本科牧草功能基因预测、表达调控分析以及进一步揭示禾本科牧草形态建成、产量形成关键基因调控机理奠定了基础。