近日，美國物理聯合會（American Institute of Physics）旗下的國際物理期刊《Applied Physics Reviews》（IF：17.05）發表北京林業大學林木分子設計育種高精尖創新中心研究人員的最近研究成果。這篇題為 「Statistical Mechanics of Clock Gene Networks Underlying Circadian Rhythms」的論文被選為該刊的標誌性論文（featured article）。該項研究獲得美國多家科學新聞媒體的報道與跟蹤，在國際上引起廣泛關注。
北京林業大學林木分子設計育種高精尖創新中心青年研究員孫麗丹教授為論文第一作者，計算生物學中心博士生董昂與賓夕法尼亞州立大學Christopher Griffin副教授參與了這項工作，論文通訊作者為鄔榮領教授。
受地球自轉的影響，自然界所有生物的行為都按特定的周期和規律運行。控制這一運行規律的「時鐘」，即生物鐘，能指定生物每天從白天到黑夜的24小時循環節律。
在上世紀八十年代中期，三位美國科學家各自獨立地從果蠅體內克隆出一種周期基因（Per基因），並提取出由Per基因編碼產生的Per蛋白。Per蛋白與Per基因形成了一個抑制反饋的環路，從而形成一個連續而循環的24小時節律。這一科學發現奠定了這三位科學家榮獲2017年生理學或醫學諾貝爾獎的基礎。
在這三位科學家之後，一大批國際知名學者投入了這項工作。美籍日裔科學家高橋（Joseph Takahashi）首次發現哺乳動物的生物鐘基因，從而比較完整地解釋了不同生物存在的生物鐘現象以及調控機理。
然而，越來越多的實驗證據顯示，生物鐘的遺傳機理遠比人們所認識的要複雜。首先，大多數生物鐘基因是保守的，也就是說從果蠅發現的生物鐘基因，不能簡單地推論到人類，也不能簡單地推論到植物。其次，同一生物不同器官，甚至細胞之間存在不同的生物鐘，比如，人類大腦的生物鐘基因與肝臟生物鐘基因迥異，它們行使各自不同而又需要相互協調的生物學功能。而且，當一個生物被另一個生物寄生時，寄主與寄生物之間的生物鐘存在共振現象，影響寄主的發病進程。另外，更重要的，存在在生物體內的生物鐘基因不是一兩個，也不是幾個、幾十個，而可能是成百上千個，這些基因之間存在複雜的互作網路。顯然，這些問題僅用傳統的基於節律異常的突變體基因克隆方法及全基因測序方法是遠遠不能被解決的。
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高精尖創新中心研究人員發明了一個高度創新的統計物理方法，破解了上述難題。新方法整合了多學科元素，藉助進化博弈論（evolutionary game theory）思想，解析基因之間互作模式與強度，利用發育模塊理論（developmental modularity theory）在多維統計聚類方法指導下，將橫跨多種器官的基因網路分解成不同模塊，在細密基因網路（fine-grained genetic network）內精準定位各個生物鐘基因對生物節律的信號傳導路徑，從而由面到點、又由點到面地系統解析影響生物鐘的遺傳調控機理，將生物鐘基因定位工作有力地推向更高的層次。
新方法打破傳統的正向遺傳學（forward genetics）方法的局限性，創立了以常見的遺傳作圖群體或全基因組關聯分析（GWAS）群體為基礎的反向遺傳（reverse genetics）方法，從而能有效地回答生物鐘基因的非保守性問題，是將生物鐘分子機理研究與數量遺傳學相交叉、相融合的關鍵突破，具有廣泛的普適性與實用性。
在接受美國物理聯合會資深記者Douglas Gross採訪時，論文責任作者鄔榮領教授說，「新方法能發現早起（early bird）與夜貓子（night owl）基因，通過對這兩類基因功能的了解，我們能將早起基因轉變為夜貓子基因，從而可以讓那些必須從事夜晚工作的早起人能很好地適應夜晚環境，而不影響健康。」
鄔榮領進一步指出，「該項目研究，對提高農業與林業產量也會發揮重要作用。通過從基因角度改變農作物和林木生長的節律，人們可以培育出生長期長、生物量能集中分配到目標器官的優良品系。」
鄔榮領最後指出，「總而言之，現代生物學具有廣闊的前程，要達到我們想要的目標，需要多學科的科研人員打破學術壁壘，融合多種手段攻克同一個問題。統計遺傳學與統計物理學相結合，將會引發新一輪基因組研究的飛躍。」
延伸閱讀
鄔榮領，北京林業大學教授，入選多項人才項目。畢業於華盛頓大學數量遺傳學專業，並獲得博士學位。2003年擔任碩士生導師；2007年擔任博士生導師。目前研究的領域以計算生物學、統計遺傳學為主。
孫麗丹，北京林業大學園林學院教授，博士生導師，2013年博士畢業於北京林業大學園林學院園林植物與觀賞園藝專業，2017年晉陞為副教授和碩士生導師，2018年破格晉陞為教授和博士生導師。從事園林植物種質資源挖掘與創新、梅花分子育種、木本植物複雜性狀模型構建和遺傳機理解析等研究，擔任《Plant Molecular Biology Report》和《Ornamental Plant Research》等國內外雜誌副主編。曾獲國家科技進步獎、教育部科技進步獎、教育部自然科學獎、北京市科學技術獎、梁希青年學術論文獎和北京林業大學科技之星等10餘項國家級、省部級和校級學術獎勵。
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素材來源：綠色新聞網、北林研招官微
