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植物线虫rDNA内转录间隔区亚太赫兹特征光谱表征研究

批准号:
32101535
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王芳
依托单位:
学科分类:
森林培育学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王芳

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
理论与实验研究表明,在亚太赫兹频段,标记生物大分子特征的DNA靶标序列呈现出许多由氢键、范德华力、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶格和骨架的低频振动产生的微弱声子模式,它们与DNA的构成、极化方式、拓扑结构、生存环境及形态密切相关,可用作分子生物鉴别的光学探针。与传统的分子生物学检测方法相比具有无标记、无污染、快速、简便等特点。基于此,项目组开展了植物线虫rDNA亚太赫兹光谱的识别与表征研究,搭建低温探测系统,研究靶标序列及DNA结构单元与结晶水、薄膜水和结合水作用后的亚太赫兹光谱,深度理解水对线虫DNA光谱的影响和作用机制;同时利用数据挖掘技术、蒙特卡罗随机抽样与统计分析方法获得线虫rDNA特征序列;进而将分子动力学理论和周期性边界条件下基于能量的分块方法(PBC-GEBF)量子力学算法相结合,并辅助主成分分析和神经网络等机器学习算法对特征光谱进行分类和识别,以达到准确鉴别线虫的目标。
英文摘要
Theoretical and experimental studies show that in Sub-THz band, DNA target sequences that mark biological macromolecule features present many weak phonon modes caused by hydrogen bonds, van der Waals forces, dipole rotation and vibration transitions, and low-frequency vibration of the lattice and skeleton, which are closely related to the composition of DNA, polarization mode, topological structure, living environment and morphology, can be employed as optical probes for molecular biological identification. Compared with the traditional methods of molecular biology detection, it is no mark, no pollution, fast and simple. Based on this, the project team carried out the research on the identification and characterization of the plant nematode rDNA in Sub-THz region to study the spectra of target sequences and DNA structural units interacting with crystal water, film water and binding water, by constructing cryogenic detection system, to understand the influence and mechanism of water on the spectrum of nematode rDNA. Furthermore, data mining techniques and Monte-Carlo random sampling and statistical analysis methods were used to acquire the nematode rDNA signature sequences. Then the molecular dynamics theory and the generalized energy-based fragmentation approach under periodic boundary conditions (denoted as PBC-GEBF) methods were combined, together with the machine learning algorithms such as principal component analysis and neural network were applied to classify and identify the characteristic spectra, and finally to achieve the goal of accurately identifying nematodes.
本项目聚焦于植物线虫的亚太赫兹光谱特征及其无标记基因识别技术研究。植物线虫作为农林生产及食品安全的重要威胁,其准确鉴别与防治一直是科学界面临的难题。传统基于形态学和分子生物学的鉴定方法存在诸多局限,而太赫兹光谱技术因其无标记、快速、灵敏等优势,为线虫的精准识别提供了新的可能。.项目的主要研究内容包括:建立低温环境下的高分辨率亚太赫兹测试系统,广泛收集松材线虫、拟松材线虫及其近缘种,提取其DNA试样并获得基因组测序数据;测试这些线虫DNA在不同构形下的亚太赫兹光谱,解析水对线虫DNA光谱的影响机制;利用数据挖掘技术和蒙特卡洛方法获取线虫DNA编码区和内转录区的特征序列,制备特征序列试样并测试其光谱;结合量子力学和分子动力学理论分析与计算,获取特征序列的声子模式;应用主成分分析及神经网络等机器学习算法对光谱进行分类和模式识别,构建植物线虫DNA亚太赫兹光谱的数据识别系统。.在研究过程中,项目取得了多项重要成果。首先,成功建立了不同来源植物线虫DNA的亚太赫兹光谱库,为后续的分类和识别提供了基础数据支持。其次,通过理论计算与实验测试相结合,明确了水与线虫DNA相互作用后的光谱变化规律,揭示了结晶水、薄膜水和结合水对线虫DNA光谱的显著影响,为深入理解DNA的溶剂化效应提供了重要依据。此外,项目还授权发明专利2项、软件著作权1项,并发表了学术论文14篇,其中SCI收录13篇,二区及以上10篇。.关键数据表明,松材线虫和拟松材线虫的DNA在亚太赫兹波段的光谱特征存在显著差异,尤其是在1 THz以下的频段,这些差异主要源于DNA骨架的集体振动模式。通过主成分分析和神经网络算法,实现了对不同线虫DNA的准确分类,分类准确率达到了90%以上。这些成果不仅为松材线虫病的研究提供了新的技术手段,也为其他线虫及生物体的无标记识别提供了重要的理论参考和实践指导,成果获省部级以上科技成果奖5项。
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