《植物免疫基因功能網路的構建與動態性分析》是依託中國農業大學，由張子丁擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：植物免疫基因功能網路的構建與動態性分析
- 依託單位：中國農業大學
- 項目負責人：張子丁
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
結合申請人在計算系統生物學方面的研究基礎，本項目將針對擬南芥與丁香假單胞菌這一植物與病原微生物互作的模式體系，通過構建植物免疫基因功能網路來研究植物病理表型和網路動態性之間的關係。首先，通過機率模型整合不同類型的分子互作數據，構建一個具有高覆蓋度的擬南芥免疫基因功能網路。藉助免疫過程中的基因表達數據，採用基於機器學習的子網路生長策略，從免疫基因功能網路中劃分出代表性子網路，鑑定出回響不同植物病理表型變化的關鍵子網路及其內部免疫組分間的關鍵調控關係。此外，我們還將採用相同的子網路劃分策略，系統地分析病原物相關分子模式激發的免疫反應(PTI)與效應蛋白激發的免疫反應(ETI)之間的關係。最後，我們將使用基於圖論的方法從免疫基因功能網路中推斷一些未知免疫回響基因的潛在功能。本項目的實施將有助於系統地認識植物免疫網路回響病原微生物入侵的分子機制，進而為農業上選育優良抗病作物新品種提供新的線索。
結題摘要
植物免疫有兩種主要形式，包括：由病原物相關分子模式引起的免疫反應(PTI) 和由病原物效應蛋白激發的免疫反應 (ETI)。當前，大量高通量組學數據的積累為從系統生物學層次研究植物免疫過程提供了前所未有的機會。本項目中，我們重點構建擬南芥綜合的基因功能網路，採用機器學習和集成網路分析的手段，從三個層次系統地刻畫了擬南芥兩種免疫過程的網路組織形式。在單個基因和基因互作的水平上，利用網路引導的隨機森林算法（NGF）合理地整合了擬南芥基因功能網路和免疫過程中的基因表達譜數據，鑑定了許多可能與植物免疫相關的基因和基因互作。此外，網路拓撲分析發現重要的基因互作傾向於連線不同的網路模組。在子網路的水平上，根據NGF的識別結果，發現PTI和ETI之間共享一個包含1,156個基因和1,289個互作的子網路。該子網路富集了連線網路模組的基因互作，同時也是病原體效應蛋白攻擊的熱區。在整個網路的水平，對PTI和ETI分別建立了模組化的網路模型。結果表明，在ETI中防禦模組具有相對更加獨立的組織結構，這為ETI對遺傳突變和效應蛋白攻擊表現出來的較強的承受能力提供了一種解釋。此外，我們還以Botrytis cinerea (腐生菌) 和 Golovinomyces orontii (共生菌) 侵染的擬南芥為研究對象，通過整合蛋白質互作組數據和基因晶片數據，構建出兩個表征植物回響病原物入侵的蛋白互作網路。特別是，網路分析鑑定出功能注釋為植物生長和植物免疫的兩個關鍵模組；這兩個模組間的共表達關係在抵抗共生菌和腐生菌入侵時呈現出截然不同的模式。我們還系統考察了擬南芥在病原菌侵染和對照狀態下的基因差異共表達現象；研究表明差異共表達是植物免疫過程的一個普遍現象，差異共表達基因顯著富集植物免疫相關的生物學功能。綜上，本項目的實施獲得了多組學數據整合的網路分析平台，獲得了一批可供進一步實驗驗證的候選基因，增強了對植物-病原菌互作的機理性認識。研究結果不但可為農業上選育優良抗病作物新品種提供新思路，同時對植物功能基因組學研究的相關課題也具有借鑑意義。
