华大生命科学研究院

方向介绍

生命起源，包括生命演化和发育两大核心问题。相对于漫长的地球历史，人类存在的时间较为短暂。如果将地球目前经历的46亿年比作一天的24小时，生命起始于凌晨4点，多细胞生物出现在晚上20点左右，恐龙的时代延续了大约50分钟，而我们人类的身影仅仅出现在这一天最后的一分十几秒。正常成年人体包含约37万亿个细胞，这些细胞如何组成具有特定功能的组织器官，又是如何从一个受精卵逐步发育而来？这些问题都是当前生命科学领域的重大挑战。

工具与技术是推动生命科学的核心动力。 从显微镜到DNA测序技术，再到今天的单细胞和时空组测序技术，人类对生命的观察精度从组织细胞水平到微观的分子世界，到今天可以实现5D时空分辨率。

“生命起源”是华大研究院五大核心方向之一。华大的高通量低成本的测序平台已经为生物起源的研究带来显著成效，堪称生物领域“登月行动”的生物基因组计划（Earth Biogenome Project，EBP）允许我们有效地对所有已知物种进行基因组排序，并利用基因组学来帮助发现目前仍未被科学发现的剩余80%到90%的物种。进一步通过依托华大的单细胞多组学测序平台以及空间组学技术，我们有望对全球物种进行全景、全时的深入研究。利用单细胞和时空多组学技术建立地球物种从出生到死亡整个过程的多维组学图谱，从而理解生命演化和生命发育全过程。


亮点成果

万种植物基因组计划

万种植物基因组计划（10KP）于2017年第19届国际植物学大会期间，由深圳华大生命科学研究院联合多位植物学领域权威专家共同发起。旨在通过全球广泛合作、全面的资源搜集以及系统的科学设计和研究，对一万种植物基因组进行测序研究，以推动生物多样性、植物进化、生态保护及相关重要基础科研和农业应用的发展。

植物是地球上生物多样性和生态系统的核心组成部分，数以万计的植物是解决人类经济社会可持续发展必需的衣、食、住、行所依赖资源的宝库。目前，植物基因组中的多样性在很大程度上仍然是未知的，全世界已公开发表的植物基因组物种仅有500多种，主要集中在模式植物及作物领域。大量的野生资源物种仍未被探知。该计划项目将测序物种扩展到作物及模式植物之外的每个属，为植物科学界提供极其重要的遗传信息数据资源。

全面秉承开放共享的模式，已有20多个国家50多个单位全面参与项目，欢迎全球植物科学工作者全面参与共同执行。


近5年代表性成果：

1.Li L et al. The genome of Prasinoderma coloniale unveils the existence of a third phylum within green plants. Nature Ecology & Evolution. 2020, 4,1220–1231. 

2.Wang S et al., Genomes of early-diverging streptophyte algae shed light on plant terrestrialization. Nature Plants. 2019. 6, 95–106. 

3.Wei T. et al., Whole-genome resequencing of 445 Lactuca accessions reveals the domestication history of cultivated lettuce. Nature Genetics 2021, 53(5):1-9

4.Cheng J, et al., Chromosome-level genome of Himalayan yew provides insights into the origin and evolution of the paclitaxel biosynthetic pathway Running title: Genome sequencing of Himalayan yew. Molecular Plant. 2021.05

5.Wang XL, et al., Mycorrhizal symbiosis modulates the rhizosphere microbiota to promote rhizobia-legume symbiosis. Molecular Plant. 2021, 14, 503–516,

6. Zhang J, et al. The hornwort genome and early land plant evolution. Nature Plants, 2020,6, 107–118. 

7.Liu H, et al., Digitizing a Botanical Garden: High-depth whole genome sequencing of 689 vascular plants from Ruili Garden. GigaScience, 8, 2019, 1–16

8.Liu Y et al., Resolution of the ordinal phylogeny of mosses using targeted exons from organellar and nuclear genomes. Nature Communications . 2019, 10:1485

9.Griesmann M, et al., Phylogenomics reveals multiple losses of nitrogen-fixing root nodule symbiosis. Science. 2018,10.1126/1743


万种鸟基因组计划

万种鸟基因组计划将分目、科、属、种四个阶段完成对全球现存所有鸟类基因组的解读工作，解决一系列物种起源、演化和鸟类生物学重大科学问题。官网：https://b10k.genomics.cn/

该计划旨在从全基因组水平构建鸟类的生命之树，解码动物遗传变异和性状差异之间的联系，揭示分子演化和生物地理学及物种多样性格局之间的关系，评估环境气候及人类活动对物种演化过程及生物多样性的影响等。该计划目级别是由华大联合哥本哈根大学、杜克大学、中国科学院昆明动物研究所、中国科学院北京动物研究所等多家国内外知名研究机构组建成国际鸟类基因组联盟共同完成，于2014年12月12日以专刊形式发表于Science（8篇），随后在其他杂志上先后发表了50多篇重要研究论文，这是首次由我国科学家主导并以专刊形式发表如此多的研究成果。

2020年11月12日，科阶段首批研究成果于2020年11月12日在《Nature》上以封面文章的形式同期发表了两篇文章。研究团队基于363种鸟类基因组数据，建立了全新的无参考序列下多基因组比对和分析方法，打破了传统分析中依赖于以某个基因组作为参考序列的制约，提高了跨物种的比对效率，减少了因与参考物种遗传距离差异引起的比对偏好性，实现了获取更真实的序列同源关系和物种谱系基因组动态演化图谱，为利用大规模跨物种组学数据解析生物多样性格局和分子遗传机制提供了全新的切入点。


代表性文章

  1. Shaohong Feng, Josefin Stiller, Yuan Deng, et al. Dense sampling of bird diversity increases power of comparative genomics. Nature 2020, 587(7833): 252-257.

  2. Joel Armstrong, Glenn Hickey, Mark Diekhans, et al. Progressive Cactus is a multiple-genome aligner for the thousand-genome era. Nature, 2020, 587(7833): 246-251.

  3. Guojie Zhang, Carsten Rahbek, Gary R Graves, Fumin Lei, Erich D Jarvis, M Thomas P Gilbert. Genomics: Bird sequencing project takes off. Nature 2015; 522(7554): 34.

  4. Guojie Zhang, Cai Li, Qiye. Li, et al. Comparative genomics reveals insights into avian genome evolution and adaptation. Science 2014; 346(6215): 1311-20.

  5. Erich D Jarvis, Siavash Mirarab, Andre J. Aberer, et al. Whole-genome analyses resolve early branches in the tree of life of modern birds. Science 2014; 346(6215): 1320-31.

  6. Qi Zhou, Jilin Zhang, Doris Bachtrog, et al. Complex evolutionary trajectories of sex chromosomes across bird taxa. Science 2014; 346(6215): 1246338.

  7. Robert W. Meredith, Guojie Zhang, M. Thomas P. Gilbert, et al. Evidence for a single loss of mineralized teeth in the common avian ancestor. Science 2014; 346(6215): 1254390.

  8. Richard E. Green, Edward L. Braun, Joel Armstrong, et al. Three crocodilian genomes reveal ancestral patterns of evolution among archosaurs. Science 2014; 346(6215): 1254449.

  9. Andreas R. Pfenning, Erina Hara, Osceola Whitney, et al. Convergent transcriptional specializations in the brains of humans and song-learning birds. Science 2014; 346(6215): 1256846.


全球蚂蚁基因组联盟计划

蚂蚁是地球上最常见的昆虫，也是数量最多的昆虫类群之一。蚁群被认为是一个“超个体”，蚁群内部等级森严，分工细致。同一蚁群内的蚂蚁个体拥有相同的遗传物质，但对于不同等级的个体，它们在行为和形态上差异非常显著。它们演化出了先进的劳动分工,能建造复杂的建筑、发动侵略战争以及种植庄稼等复杂的行为特征。蚂蚁的行为与人类行为有很多相似之处，加上蚂蚁的普遍性和生态重要性，使得蚂蚁成为科学家研究生态学、演化生物学、社会生物学、神经生物学等的模式生物 。

全球蚂蚁基因组联盟计划将构建全球蚁科属级别代表物种的基因组图谱，提供最全面的蚂蚁基因组多样性数据。通过对这些基因组数据的比较分析，我们将可以理解蚂蚁演化的全球性趋势，并找到当今蚂蚁物种的多样性及其令人惊叹的适应性背后的遗传基础。

全球蚂蚁基因组联盟计划在系统发育框架下从全球范围内选取约200个有代表性行为生态特征的蚂蚁物种进行基因组分析，将会极大促进蚂蚁（乃至其他物种）生物学的研究，同时为未来数十年学术界回答不同的科学问题提供了大量的基础数据。 


代表性文章：

  1. Boomsma JJ, Brady SG, Dunn RR, et al. The Global Ant Genomics Alliance (GAGA), Myrmecol News. 2017, 25, 61–66.

  2. Gao Q, Xiong Z, Larsen RS, et al. High-quality chromosome-level genome assembly and full-length transcriptome analysis of the pharaoh ant  Monomorium pharaonis. Gigascience. 2020, 9(12). 

  3. Nagel M. Qiu B, Brandenborg et al. The gene expression network regulating queen brain remodeling after insemination and its parallel use in ants with reproductive workers. Sci Adv 6, eaaz5772 (2020).


海洋哺乳类动物基因组学计

海洋哺乳类动物基因组学计划项目旨在破译现存海洋哺乳动物基因组，并结合重测序、单细胞测序等方法，揭示其重要性状的遗传机制及演化规律，为其保护提供重要的数据基础。

海洋哺乳类动物是指长期生活在海洋或者主要以海洋资源为生的哺乳动物，主要包括海牛目、鲸目和食肉目三大类群。全世界大约有150种现存海洋哺乳类。作为哺乳类高度特化的物种，海洋哺乳类具有恒温、胎生、肺呼吸、体型大、前肢退化为鳍、回声定位、牙齿退化等特点。针对海洋哺乳动物进行基因组学研究，有助于从分子水平上解读海洋哺乳动物的系统发生，阐明海洋哺乳动物特异性的感官、温度、渗透压调节以及抗病机理等适应机制，为海洋哺乳动物物种形成和水生环境适应提供新的分子证据。项目重点研究抹香鲸、中华白海豚、短肢领航鲸、虎鲸、南象海豹等重要物种。


代表性成果：

  1. Zhou X, Sun F, Xu S, et al. Baiji genomes reveal low genetic variability and new insights into secondary aquatic adaptations[J]. Nature communications, 2013, 4(1): 1-6.

  2. Fan G, Zhang Y, Liu X, et al. The first chromosome‐level genome for a marine mammal as a resource to study ecology and evolution[J]. Molecular ecology resources, 2019, 19(4): 944-956.

  3. Zhang P, Zhao Y, Li C, et al. An Indo-Pacific humpback dolphin genome reveals insights into chromosome evolution and the demography of a Vulnerable species[J]. Iscience, 2020, 23(10): 101640.

  4. Zhou, X., Guang, X., Sun, D. et al. Population genomics of finless porpoises reveal an incipient cetacean species adapted to freshwater. Nat Commun 9, 1276 (2018)

  5. Yim, HS., Cho, Y., Guang, X. et al. Minke whale genome and aquatic adaptation in cetaceans. Nat Genet 46, 88–92 (2014).


万种鱼类基因组项目

鱼类构成了自然界一半以上的脊椎动物，它们一方面是人类的长期营养来源，另一方面也被认为是研究脊椎动物的重要模型。基因组信息是从全面研究物种的基础。目前已知的鱼类多达3万余种，但已经公布的鱼类基因组不足300种，且分类并不均衡。基于此背景开展鱼类基因组计划，预计将历时10年，分三个阶段，采集10000种代表性的鱼类，绘制万种代表性鱼类基因组图谱，涵盖世界各地鱼类的所有目和代表性科，系统性的建立一个高质量的鱼类基因组数据库，聚焦鱼类组学研究。基于鱼类基因组数据，结合转录组和细胞组学等对鱼类的系统发生演化，脊椎动物的器官演化和发育，鱼类的极端环境适应性，脊椎动物的水生演化到陆生适应性等科学问题进行探究。该项目为鱼类的物种多样性保护和经济鱼类的育种提供分子基础，为水产养殖和海洋生态保护提供重要的基因依据。


代表性文章

  1. Fan G, Song Y et al. Initial data release and announcement of the 10,000 Fish Genomes Project (Fish10K). Gigascience. 2020 Aug 1;9(8):giaa080.

  2. Hao S, Han K, et al. African Arowana Genome Provides Insights on Ancient Teleost Evolution. iScience. 2020 Oct 9;23(11):101662.

  3. Zhang Y, Gao H, , et al. The White-Spotted Bamboo Shark Genome Reveals Chromosome Rearrangements and Fast-Evolving Immune Genes of Cartilaginous Fish. iScience. 2020 Nov 2;23(11):101754