新型图形硬件支持下的动态规划局部比对算法加速研究

为探索准确、高效、低成本、通用性并存的生物序列局部比对方法。将点阵图算法、启发式算法等各种序列局部比对算法中准确性最高的动态规划局部比对算法在计算机中实现,并通过流式模型将其映射到图形硬件上以实现算法加速,再通过实例比对搜索数据库完成比对时间和每秒百万次格点更新（MCUPS）性能值评测。结果表明,该加速算法在保证比对准确性的同时,能显著提升比对速度。与目前最快的启发式算法相比,比对平均加速为14.5倍,最高加速可达22.9倍。     

Unix文本比对分析高通量RNA-Seq测序基因表达

从RNA-Seq高通量测序短序列进行比对及拼接获得较长转录本并确定基因表达量的方法随着转录组测序的广泛开展仍在不断改进,本文利用类Unix系统的文本处理命令组合对山茶花开花期叶片及花瓣的转录组序列进行比对、序列拼接及其表达量分析。首先对测序序列进行每1万条准随机排序,选取10万条序列分别与100万条序列进行比对,从每个查询序列随机选取9组20 mer比对100万条序列去重后获得该序列的转录数量。利用查询序列首尾20 mer从匹配的比对重叠群进行拼接,初次拼接最长为410 mer,超过两个及以上拼接序列的再次进行相互比对及再拼接,最长1 174 mer。用查询序列的比对匹配数表示其拼接前后的表达量,与用互补链进行比对得到的负链表达量相当。用拼接序列进行NCBI联网blast比对获得了其基因注释。本文得到的结果表明,利用类Unix系统文本比对可以有效用于高通量测序基因表达量及进行序列从头组装等分析。     

双序列比对基础和应用实例

首先介绍序列比对的分子生物学基础,即核酸序列基本单元核苷酸和蛋白质序列基本单元氨基酸。文中以精心设计的图表列出四种核苷酸和二十种氨基酸的名称、性质和分类。第2节简述序列比对基础,包括相似性和同源性基本概念、整体比对和局部比对、点阵图方法、动态规划和启发式算法、计分矩阵和空位罚分,以及常用软件和分析平台。第3节介绍核酸序列比对中常用计分矩阵DNAfull,蛋白质序列比对中常用计分矩阵BLOSUM62和PAM250。第4-8节则以血红蛋白、多肽毒素、植物转录因子、癌胚抗原和唾液酸酶为例,介绍双序列比对的具体应用。通过这些实例,说明如何选择分析平台和比对程序、如何设置计分矩阵和空位罚分,如何分析比对结果及其生物学意义。文末进行简要总结。     

中国农业科学院稳定同位素实验室

中国农业科学院稳定同位素实验室成立于2002年,经过近10年的努力,在同位素的研究与测试领域取得一些重要进展,实验室与欧洲7个稳定同位素实验室展开积极的合作,参加了国际比对,实验结果得到了国际同行的认可和高度评价。实验室利用国际原子能机构的标准物质对相关结果进行标定,采用国际标准测定方法进行C、H、O、N、S稳定同位素测定,保证了结果的准确性。     

中国农业科学院稳定同位素实验室

中国农业科学院稳定同位素实验室成立于2002年,经过近10年的努力,在同位素的研究与测试领域取得一些重要进展,实验室与欧洲7个稳定同位素实验室展开积极的合作,参加了国际比对,     

中国森林生物多样性监测网络: 二十年群落构建机制探索的回顾与展望

中国森林生物多样性监测网络(CForBio)目前已经沿纬度梯度从寒温带到热带布设23个大型森林动态样地, 监测1,893种木本植物, 代表我国木本植物种类的近1/6。CForBio的主要目标之一是研究森林群落的构建机制。本文综述了近20年来CForBio在群落构建机制探索方面取得的进展, 包括生物多样性时空格局、生境过滤、生物相互作用、局域扩散和区域因素以及利用新技术取得的新认知等。CForBio研究发现: (1)生境过滤和扩散限制共同决定种-面积关系及β多样性等多样性格局, 但二者的相对作用在不同样地及不同尺度存在差异; (2)生境过滤对局域群落构建的作用广泛存在, 但很难量化其对群落构建的重要性; (3)同种负密度制约在不同气候带样地普遍存在, 负密度制约的强度主要由植物菌根类型介导, 并随植物生活史类型、功能性状及环境变化而变化; (4)扩散限制在局域群落构建中发挥关键作用, 而区域因素如区域地质历史、区域物种库大小等塑造不同生物地理区群落之间的生物多样性差异; (5)宏观和微观两个方面的新技术促进群落构建机制的研究。在宏观方面, 遥感技术以低成本使大范围、多尺度的连续群落生物多样性监测和时空比较研究成为可能; 另一方面, 叶绿体基因技术和代谢组学等微观技术能促进推导群落构建的分子机制。同时, 本文还总结了以往研究的不足, 并展望了基于森林动态样地开展群落构建机制研究的未来发展, 特别强调了: (1)关注群落构建研究中的尺度问题; (2)深入开展多维度(物种、功能和系统发育)、多营养级生物互作相关的研究; (3)拓展全球变化对群落构建影响的研究; (4)融合观测-实验-模型多种手段开展群落构建机制的研究; (5)连结“群落构建理论研究”和“森林管理实践”。总之, 中国森林生物多样性监测网络的长期监测和联网研究是森林群落构建机制研究的重要基础, 也是推动群落构建理论、解决森林管理难题的重要平台。     

基于群体转录组解析南荻局域适应的关键因子

选取有代表性的10个南荻（Miscanthus lutarioriparius L.Liu ex Renvoize&S.L.Chen）野生居群,以种群转录组数据为基础,对种群局部适应性的关键因子进行研究。首先利用SNP构建推断单倍型,分析环境间和推断单倍型间的差异表达基因,并将这类基因分为4类：仅受环境显著影响的基因（E）、仅受单倍型显著影响的基因（G）、受环境和单倍型相互作用显著影响的基因（G&E）以及非显著影响的基因。分析结果显示：G&E和E基因集在种群局域适应中发挥重要作用,前者的基因表达更容易受其它因素的影响,而后者相对较为稳定;前者中显著富集核糖体途径相关功能基因,后者中显著富集蛋白质折叠相关功能基因。这两类功能基因均参与响应外界压力,推测这些基因的差异表达主要受环境以及基因型和生长环境相互作用的影响。     

维氏气单胞菌MreB蛋白的结构分析及其系统发育学意义

【目的】认识维氏气单胞菌Mre B蛋白的各级结构,研究Mre B蛋白的保守性与作为分子标记工具的可靠性。【方法】应用Prot Param、Predict Protein和SWISS-MODEL等在线软件分别分析蛋白的一级结构及理化性质,预测蛋白二级、三级结构;利用Clustal X 2.0、ESpript 3.0和MEGA 6等软件对几类细菌中的Mre B蛋白进行氨基酸序列比对分析和系统发育学研究。【结果】维氏气单胞菌Mre B蛋白是由346个氨基酸组成的酸性蛋白,主要定位于细胞膜上;蛋白二级结构主要由α-螺旋、扩展长链和无规则卷曲结构构成,其中无规则卷曲所占比例最高;同源建模的结果显示蛋白的三级结构中含有12个α-螺旋结构、5个β-折叠结构、8个β-发夹结构、22个β-转角和4个γ-转角。【结论】获得了维氏气单胞菌Mre B蛋白详细的理化信息,同源建模构建的模型具有合理的空间结构,PROCHECK评分较高,为实验研究提供了一定的结构基础;Mre B蛋白具有保守位点与结构保守性,属高保守蛋白,且变异度适宜,可作为分子标记工具应用于细菌的分类鉴定。     

利用生物信息学方法对人类(Homo sapiens)肌肉增强因子2(MEF2)的特性比较及进化分析

肌肉增强因子2(Myocyte enhancer factor 2,MEF2)是MADS(MCM1,agamous,deficiens和serum response factor)家族成员之一,在动物发育过程中起到重要的调节作用。为了进一步了解其调控的复杂性,本文根据NCBI中已有的人类MEF2相关数据,应用ExPASy在线序列分析工具、CBS在线分析服务器软件、Conserved Domain Database(CDD)数据库、SABLE在线分析软件等对人类MEF2蛋白的不同亚型序列进行比较分析,同时,根据相关序列的比对结果构建系统进化树进行分析。结果表明,MEF2在人体内以多种蛋白形式存在,其理化性质存在一定差别,可能的翻译后糖基化修饰多为O型糖基化且均存在较多磷酸化位点。人类各MEF2蛋白具明显MADS结构域,多数具有MEF2结构域和HJURP_C结构域。各MEF2蛋白二级结构均包括了螺旋、折叠和无规则卷曲等多种形式,其三级结构模式相似。系统进化树显示MEF2B蛋白与其他蛋白有着较大的序列差异及较远进化关系,可能较为原始。     

基于图形硬件加速的生物序列比对算法研究

生物序列比对是生物信息学的基础,是当今功能基因组学研究中最常用、最重要的研究方法之一。本文对各类序列比对算法优缺点进行分析,对图形硬件的优势进行挖掘。在此基础上,将各类序列比对算法中准确性最高的动态规划算法予以实现,并将其映射到图形硬件上,以实现算法加速。通过实例进行性能评测,结果表明该加速算法在保证比对准确性的同时,能较大地提高比对速度。