检索历史 清除

摘要水平基因转移(horizontalgenetransfer,HGT),又称横向基因转移(lateralgenetransfer,LGT),可以使遗传物质在没有亲缘关系的细胞之间发生转移，在微生物的环境适应和进化过程中起极其重要的作用。推断水平基因转移的方法主要有三类:参数方法、显式系统发育方法和隐式系统发育方法。几种方法中显式系统发育方法最准确,但是基因丢失和基因多拷贝会对其推断过程造成干扰，致使其推断的准确性降低，而且显式系统发育方法计算缓慢，难以处理大规模的数据。针对上述问题，本论文开发了一种新的水平基因转移推断方法，并将其应用于大规模数据研究。<br>　　该新方法命名为“朝花夕拾”(DawnBlossomsPluckedatDusk,DBPD),DBPD在原理上避免了基因多拷贝对水平基因转移推断的影响且削弱了基因丢失对推断过程的干扰。更重要的是，DBPD时间复杂度低，计算速度快，适用于大规模数据的推断。本论文收集了拟杆菌目的193个物种的1826个基因组，注释了Ⅵ型分泌系统(T6SS),并通过对T6SS的水平转移进行推断比较了DBPD和显式系统发育法程序Ranger-DTL的优劣，结果显示DBPD准确率更高(92.3％vs.86.7％),而且速度提升约15倍(134svs.2118s,处理器i7-10750H,内存16GB)。<br>　　利用DBPD在大数据推断上的优势，本论文对细菌界的水平基因转移展开研究。数据集覆盖31个门、66个纲、152个目、335个科、1018个属和2713个种，对基因组重新注释并进行同源基因家族的聚类，共获得531078个同源基因家族。DBPD推断发现，471621个家族(88.8％)发生过水平基因转移，高达1771个细菌种(65.3％)中所含基因半数以上是水平转移而来的。<br>　　本论文使用DBscan无监督聚类和最大似然估计分别探索了水平基因转移在历史上不同时期的分布和概率。结果显示，自40亿年前至现在，单位时间内水平基因转移事件的数量不断增加，但是基因水平转移的概率总体呈下降的趋势，且概率的波动与生物进化史上蓝藻出现、真核生物出现等重要事件具有密切的联系。另外，本论文通过非参数检验和多重比较对细菌中水平转移而来的基因比例进行了比较分析。结果显示不同门、不同样品来源的细菌之间均具有显著性差异，门与门之间的差异(p=2.2e-16)比不同样品来源之间的差异(p=4.06e-14)更显著，这表明细菌中的水平基因转移存在一定的倾向性。<br>　　为了更深入地了解水平基因转移在细菌进化过程中发挥的作用，本论文通过COG(ClustersofOrthologousGroups)注释和String注释对水平转移基因的特点进行了探索。与没有转移过的基因相比，COG注释的结果表明发生过水平转移的基因更倾向于与营养物质的利用和代谢有关，String注释的结果表明发生过水平转移的基因更倾向于与其它基因发生相互作用。这些结果表明水平基因转移对于细菌适应不同的生存环境以及实现自身的各种生理功能具有重要意义。<br>　　综上，本论文开发了一种推断水平基因转移的新方法，并使用该新方法对细菌界中的水平基因转移进行了研究，该新方法准确率高，计算速度快，其推广有望对细菌水平基因转移和进化研究起推动作用。