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中国农业大学植物保护学院用5万年古DNA与基因组大数据分析解密小种群濒危物种的演化和保护

中国报道网 2021年09月02日 报道 浏览次数:

中国报道讯(张鹏 尹洪臣 通讯员郭园康 )8月24日,中国农业大学植物保护学院昆虫演化与基因组学课题组副教授刘山林博士在Cell杂志上发表了题为“Ancient and modern genomes unravel the evolutionary history of the rhinoceros family”的研究论文。该研究基于5万年前的古样本和基因组大数据分析,解密了小种群濒危物种的演化历史,并为相关的物种保护提供了科学依据。

来自中国农业大学、丹麦哥本哈根大学以及瑞典斯德哥尔摩大学等机构的多国学者对五种现存和三种已灭绝的犀牛物种的基因组进行研究分析,在犀牛科的演化研究中取得了关键性的突破。该研究证实现生犀牛的祖先在约一千六百万年前最早分化为非洲和亚欧大陆两个支系,现存的亚欧支系同时包括独角犀牛(印度大角犀和爪哇犀)及双角犀牛(苏门答腊犀)(图1)。来自超过五万年前的古DNA样品以及基因组大数据分析为解析犀牛的演化历史补充了关键的缺失数据,为重建可靠的犀牛系统关系提供了重要的支持。同时该研究说明犀牛较低的遗传多样性在一定程度上是其本身的生物学特征,并没有对其物种的生存活力和健康带来显著的负面影响。

图1. 犀牛科演化关系和其地理分布。蓝色演化支系代表双角犀牛,红色代表独角犀牛,而黑色是具有单一前角的板齿犀。黑色十字表示已灭绝的物种。

这一研究的发表突出体现了多学科交叉的优势,以及基因组大数据研究的关键作用。本研究的第一作者兼第一通讯作者(lead contact),植物保护学院的刘山林博士表示,该项目的完成依赖于全球超过30家研究机构的合作。研究学者来自生物学多个不同的研究领域,有着多元化的知识结构和背景,而“大数据”本身是能够将不同领域内专家串联起来的枢纽,使大家有机会可以跨学科、多维度地从基因组特征、演化历史、表型特征、遗传多样性等方面研究犀牛的演化问题,并对其保护提供科学依据。古DNA和基因组学研究方法与经典的博物馆馆藏样品相结合,在研究物种的演化和保护方面具有广阔的应用空间。刘山林博士所在的中国农业大学昆虫演化与基因组学课题组正在利用博物馆样品研究近百年来人类活动对生物多样性,尤其是蜜蜂多样性的影响。世界范围内的博物馆收藏了超过数十亿件的生物样品,记载了近万年来生物的历史变迁,因此为生物的演化、种群地理、物种保护等生态学和系统生物学研究提供了丰富的数据资源。生物标本是生物特征和遗传信息的综合载体,编码了生物演化和适应的关键信息。与单纯利用遗传学算法追溯演化历史的方法所不同的是,博物馆标本为研究者提供了研究物种基因型及其频率随时间和环境变化的直接证据。刘山林博士表示,随着分子生物学技术,比如无损标本的核酸提取、高通量测序技术及生物信息工具的发展,我们可以利用博物馆标本解决越来越多的演化问题,例如了解保护动物在种群急剧收缩前的基底信息、界定物种界限、理解自然种群的遗传特征等。而小种群的生存力也是关乎到濒危物种保护的一个关键问题,分子遗传学的研究无疑会对物种多样性的保护,包括濒危物种保护政策的制定提供可靠的数据支持。

该成果以“Ancient and modern genomes unravel the evolutionary history of the rhinoceros family”为题,于2021年8月24日发表在Cell。本研究由中国农业大学、丹麦哥本哈根大学、瑞典斯德哥尔摩大学等单位合作完成,通讯作者为刘山林、Tom Gilbert和Love Dalén。刘山林博士同时也是论文的第一作者,中国农业大学是第一完成单位。西北工业大学的陈垒博士和法国蒙彼利埃大学的Pierre-Oliver Antoine等也参与了该项研究。刘山林博士擅长组学技术和生物信息学方法,具备较强的数据分析和软件开发能力;曾作为第一及通讯作者在Nuc. Acid. Res.、Mol. Ecol. Res.、Meth. Ecol. Evol.、Bioinformatics 等期刊上发表论文13篇,并作为主要作者在Science、Nature、PNAS、Current Biol.等发表论文多篇。该项目由刘山林博士在中国农业大学博士后工作期间完成,并受到中国农业大学“2115人才培育发展支持计划”的支持,刘山林博士2021年博士后出站后按优秀人才选留在中国农业大学植物保护学院工作。

中国报道网2021年9月2日

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责任编辑:刘铮
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