Phylogenomic approaches to inferring ancient relationships among eukaryotes

推断真核生物之间古代关系的系统基因组学方法

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2016-06792
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3.79万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2019-01-01 至 2020-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

In the last few decades, computational analysis of genes and genomics data have shown that the most familiar biological kingdoms' - animals, fungi and plants - represent only a tiny corner of the diversity of Life. The deepest evolutionary divergences in the living world are between Bacteria, Archaea and Eukaryotes'. Eukaryotes includes all the nucleus-containing complex-celled organisms: animals, plants, fungi and a huge number of equally important kingdoms' that are mostly microbes. We now know that eukaryotes are fundamentally chimeric: More than 1.5 billion years ago, a cell related to Archaea took up a bacterial cell as a symbiont, and this second cell eventually became energy-producing organelles known as mitochondria. Still, fundamental gaps remain in our understanding of early eukaryote evolution, for example, whether this bacterial symbiont was a free-living form with a complex metabolism, or already a simplified parasite, and how eukaryotes first diversified into the dozens of kingdoms' on Earth today.***Over the five years of the proposed research, 12 trainees and I will use high-throughput DNA sequencing technology and genomics methods, and develop sophisticated statistical modeling methods, to address three fundamental evolutionary questions. First, we will examine the origin of mitochondria by characterizing the genomes of ~34 living bacteria that are likely to be closely related to mitochondria. This will allow us to infer the properties of the original symbionts, clarifying the selective forces that led to their integration as indispensible parts of the eukaryotic cells. Second, we will clarify the most fundamental divisions within the eukaryote tree of Life, using data we will obtain from the expressed portions of the genomes of single-celled eukaryotes. The species we will examine represent very poorly characterised kingdoms', and are currently being isolated and characterized by our collaborators. By comparing data from these new organisms to data from many better characterized lineages, we will delineate the deepest branches in the eukaryote tree of Life. These data are also used for our third question, establishing which division in the eukaryotic tree was the earliest. In so doing, we will clarify how and when some of the major 'transitions' in evolutionary history of Life took place on the ancient Earth. Finally, we will invest considerable effort to improve the actual computational/statistical methods used to conduct such analyses. This will improve our research, but will be generally useful for other basic and applied science.******The interdisciplinary nature of this research will furnish the trainees with critical scientific skills in molecular biology, genomics, bioinformatics and statistics, as well as critical thinking, presentation and technical writing. All of these skills are broadly useful for careers in the biological or biomedical sciences.********
在过去的几十年里,基因和基因组学数据的计算分析表明,最熟悉的生物王国-动物,真菌和植物-只代表生命多样性的一个小角落。生物界最深刻的进化分歧是在细菌、微生物和真核生物之间。真核生物包括所有含细胞核的复杂细胞生物:动物、植物、真菌和大量同样重要的王国,其中大多数是微生物。我们现在知道,真核生物基本上是嵌合的:15亿多年前,一种与古细菌有关的细胞作为共生体吸收了一种细菌细胞,而这种第二种细胞最终成为被称为线粒体的能量产生细胞器。 尽管如此,我们对早期真核生物进化的理解仍然存在根本性的差距,例如,这种细菌共生体是否是一种具有复杂代谢的自由生活形式,或者已经是一种简化的寄生虫,以及真核生物如何首先多样化为今天地球上的几十个王国。在五年的拟议研究中,我和12名学员将使用高通量DNA测序技术和基因组学方法,并开发复杂的统计建模方法,以解决三个基本的进化问题。首先,我们将通过表征约34种可能与线粒体密切相关的活细菌的基因组来研究线粒体的起源。这将使我们能够推断出原始共生体的特性,澄清导致它们整合为真核细胞不可或缺部分的选择力。其次,我们将澄清真核生物生命树内最基本的部门,使用我们将从单细胞真核生物基因组的表达部分获得的数据。 我们将研究的物种代表了特征非常不明显的王国,目前正在被我们的合作者隔离和表征。通过将这些新生物的数据与许多更好的特征谱系的数据进行比较,我们将描绘出真核生物生命树中最深的分支。 这些数据也用于我们的第三个问题,确定真核生物树中哪一个分裂是最早的。 在这样做的时候,我们将澄清生命进化史上的一些主要“转变”是如何以及何时在古代地球上发生的。 最后,我们将投入相当大的努力来改进用于进行此类分析的实际计算/统计方法。这将改善我们的研究,但对其他基础科学和应用科学通常也是有用的。这项研究的跨学科性质将为学员提供分子生物学、基因组学、生物信息学和统计学方面的关键科学技能,以及批判性思维、演示和技术写作。 所有这些技能都广泛适用于生物或生物医学科学的职业生涯。

项目成果

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