跨越蓝藻、藻类到陆生植物的 9 类 Archaeplastida 物种昼夜（diurnal）时序转录组比较：节律基因检测（JTK_Cycle）、峰值相位分布、跨物种进化梯度。数据来自 Ferrari et al. 2019 Nature Communications 的补充数据（各物种 TPM 表达矩阵 + 论文 JTK 节律结果）。本项目为其再分析。
标签：time-series circadian diurnal JTK_Cycle plant algae cross-species R
| 字段 | 内容 |
|---|---|
| 原文 | Ferrari C, et al. Kingdom-wide comparison reveals the evolution of diurnal gene expression in Archaeplastida. Nat Commun 2019, 10:737. DOI 10.1038/s41467-019-08703-2 |
| 原始数据 | EBI ArrayExpress E-MTAB-7188（6 物种新测）+ 公共数据集若干 |
| 本项目输入 | Supplementary Data 2–11（10 个物种 TPM 矩阵 + JTK pVal/phase），Data 14（OrthoFinder 正交直系同源），从 Nature 补充材料下载 |
| 设计 | 每 2 h 采样、12 时间点/物种，覆盖一个昼夜周期（ZT1 起） |
9 类群物种（进化梯度，蓝藻 → 藻类 → 陆生植物）
| Data | 物种 | 类群 | 论文节律基因数 |
|---|---|---|---|
| 2 | Synechocystis sp. PCC 6803 | 蓝藻 | 2440 |
| 3 | Cyanophora paradoxa | 灰胞藻 | 12343 |
| 4 | Porphyridium purpureum | 红藻 | 6597 |
| 5 | Chlamydomonas reinhardtii | 绿藻 | 12341 |
| 6 | Klebsormidium nitens | 链藻 | 9375 |
| 7 | Physcomitrella patens | 苔藓 | 11692 |
| 8 | Selaginella moellendorffii | 卷柏 | 11860 |
| 9 | Picea abies | 云杉（裸子） | 5280 |
| 10 | Oryza sativa | 水稻 | 8082 |
| 11 | Arabidopsis thaliana | 拟南芥 | 5676 |
各 xlsx 为补充数据文本（MB 级），复现必需，已入库。原始 fastq（E-MTAB-7188）不需要、不入库。
09_diurnal-rhythm-archaeplastida-EMTAB7188/
├── data/ # 10 个 Supplementary Data xlsx
├── scripts/ # _common.R + 00_install + 00–05 + run_all
├── results/
│ ├── figures/ # 每图 .pdf + .png(300ppi)，图内文字一律英文
│ └── tables/ # 物种概览、节律结果、相位、跨物种汇总
├── README.md LICENSE .gitignore PROJECT_STATUS.md sessionInfo.txt
00_install_packages.R 依赖安装（仅首次）
_common.R 路径自定位 + 绘图风格 + 9 物种注册表 + xlsx 加载
00_setup_and_load.R 读 10 物种矩阵 → 表达 + 元数据 → 物种概览
01_qc_pca.R 各物种 QC + log2 + PCA（昼夜时间环）
02_rhythm_detection.R JTK_Cycle 节律检测，与论文 pVal/phase 对照
03_phase_distribution.R 峰值相位分布 + 节律基因热图
04_enrichment_clock.R 节律基因功能富集 + 核心钟基因专题
05_cross_species.R 跨物种节律比例 + 相位保守性（进化梯度）
06_gene_age_rhythm.R 基因年龄(phylostratum) × 节律：置换检验富集/缺失
07_ortholog_phase_conservation.R 1:1 直系同源跨物种相位保守(Δphase 置换)
08_cellcycle_timing.R 细胞周期基因昼夜调控：单细胞藻 vs 多细胞陆生植物
09_wgcna_module_diurnal.R WGCNA 共表达模块的昼夜性（模块特征基因 JTK）
10_photoperiod_phase.R 峰值时刻格局（黄昏峰）+ 双峰例外 + 光周期标注
run_all.R 按编号依次跑
数据规模（10 物种）
- 基因数 3467（蓝藻）~ 36948（云杉）；表达列 12（水稻）/18（拟南芥）/24/36，重复 2~3。
- 时间点编码在列名（L/D + ZT 小时），光周期 12L/12D 或 16L/8D，由
_common.R统一解析。
JTK_Cycle 节律检测复现（与论文同口径 ADJ.P<0.05）
| 物种 | 类群 | 自算节律基因 | 占比 | 论文 | Jaccard |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis | 蓝藻 | 2488 | 72% | 2440 | 0.97 |
| C. paradoxa | 灰胞藻 | 12219 | 72% | 12343 | 1.00 |
| P. purpureum | 红藻 | 6591 | 82% | 6597 | 1.00 |
| C. reinhardtii | 绿藻 | 12106 | 81% | 12341 | 1.00 |
| K. nitens | 链藻 | 9348 | 78% | 9375 | 1.00 |
| P. patens | 苔藓 | 11656 | 55% | 11692 | 1.00 |
| S. moellendorffii | 卷柏 | 11738 | 71% | 11860 | 1.00 |
| P. abies | 云杉 | 2136 | 12% | 5280 | 1.00 |
| O. sativa | 水稻 | 8082 | 32% | 8082 | 1.00 |
| A. thaliana | 拟南芥 | 5676 | 40% | 5676 | 1.00 |
- 复现高度吻合：9/10 物种 Jaccard ≥0.97，水稻/拟南芥节律基因数与论文完全相同。
- 关键方法点：JTK 必须保留生物学重复（时间向量含重复 ZT）才有检验力；论文
pVal列 = JTK 的 ADJ.P。 - 云杉（P. abies）是唯一偏差：自算 2136 vs 论文 5280。原因＝本项目对每物种去低表达基因（17535 测试 vs 论文全集），云杉低表达基因多，被滤掉的多为弱节律；Jaccard=1.00 说明自算集是论文集的干净子集，非方法错误。
跨物种进化梯度（论文核心结论）
- 单细胞藻平均 77% 基因受昼夜调控，多细胞陆生植物平均 42%，Wilcoxon p=0.008。
- 与论文一致：单细胞藻几乎全转录组随昼夜起伏；多细胞陆生植物在组织层面节律明显减弱。
拟南芥功能富集 + 核心钟基因
- 节律基因 GO BP 富集 36 条显著，首位 = circadian rhythm（昼夜节律，p.adj=1.1e-8），其后为 response to water、chlorophyll biosynthesis、response to cold/red light 等——典型昼夜/光合相关过程。
- 8 个核心生物钟基因（CCA1/LHY/PRR9/PRR7/GI/TOC1/ELF3/ELF4）全部命中，黎明型（CCA1/LHY）与黄昏型（TOC1/GI）表达相位交替，重现生物钟工作机制。
① 基因年龄 × 节律（06，phylostratum 置换检验）
- 复现论文方法：按 Fig.1a 物种树把基因分进化年龄层（Prokaryotic 最老 → Specific 最新），置换 1000 次得经验 p。
- 老基因显著富集节律：Prokaryotic、Archaeplastida 等古老层在几乎所有物种里 rhythmic 富集（perm p<0.05）；老基因 vs 新基因(Specific)节律比例普遍 old>young（如 Cyanophora 69.5% vs 39.9%、Physcomitrella 55.7% vs 17.5%）。印证论文"基因家族越古老越倾向昼夜表达"。
② 跨物种直系同源相位保守（07，论文标题结论）
- 用 OrthoFinder 正交直系同源表（Supplementary Data 14）取 1:1 直系同源，复现论文 Δphase 置换法：观测相位差 vs 随机配对零分布。
- 39 个物种对里 28 对（72%）相位显著保守（观测 Δphase 小于随机，p<0.05），Δphase obs/exp 比值中位 0.92。
- 最保守的 Cyanophora–Chlamydomonas（比值 0.72，p<0.001）正是论文 Fig.3 举的例子；水稻–拟南芥（0.81）等也显著。说明即使跨越巨大进化距离，直系同源仍倾向在一天同一时刻达峰——昼夜程序高度保守。
③ 细胞周期基因的昼夜调控：单细胞 vs 多细胞（08，摘要核心结论）
- 按注释（MapMan bin）取细胞周期/DNA 复制基因，比较节律比例。
- 单细胞藻 73% vs 多细胞陆生植物 38%，Wilcoxon p=0.008。且单细胞藻里细胞周期基因比全基因组更节律（Cyanophora 70% vs 50%、Klebsormidium 70% vs 55%）——细胞分裂被昼夜钟"定时"；多细胞陆生植物只跟随（低）基线，无特异定时。精确复现摘要"细胞分裂在单细胞藻受昼夜调控、多细胞陆生植物组织层面不明显"。
④ WGCNA 共表达模块的昼夜性（09，模块层面正交验证）
- 对样本足够的 8 物种构共表达网络 → 模块 → 模块特征基因（ME）→ JTK 检验 ME 节律。
- 节律模块比例同样呈单细胞>多细胞梯度：Porphyridium/Chlamydomonas 100%、Klebsormidium 83%、Cyanophora 60% vs 云杉（Picea）仅 27%。说明不止单个基因，整个共表达模块都按时间组织，且这种组织在云杉里瓦解——与基因层面结论独立互证。
⑤ 峰值时刻格局 + 光周期（10，复现论文 Fig.2 描述）
- 9/10 物种多数节律基因在后半天（黄昏/夜）达峰（>50%），复现论文"从灰胞藻到裸子植物多数基因黄昏/夜间达峰"。
- 双峰例外精确命中：蓝藻 Synechocystis（双峰指数 0.94）与红藻 Porphyridium（0.56）呈光照中段+黑暗中段双峰，正是论文点名的两个例外。
- 光周期（12L/12D vs 16L/8D）与系统发育混杂（16L 仅 3 个物种且分散在进化树上），故只作描述性标注、不做因果推断——与论文"光周期差异影响较小"一致。
诚实说明：本项目用论文已发布的 TPM 矩阵 + JTK 结果做再分析与可视化，不是从 fastq 重跑。节律检测（02）独立复现与论文高度吻合（Jaccard≥0.97）；云杉计数差异已如实标注为低表达过滤所致。进阶分析（06–10）按论文原方法（置换检验、Δphase、MapMan 注释、WGCNA、相位分布）复现其多个核心结论，方向与显著性均与论文一致。云杉（Picea）因节律基因少，在 07（共节律直系同源仅 20~48 个）和 09（模块节律比例 27%）中信号最弱（数据所限，非方法错误，恰好佐证其昼夜节律最弱）。光周期为观察性混杂因素，未做因果声明。
R 4.x：ggplot2, dplyr, tidyr, readxl, ggrepel, pheatmap, reshape2, MetaCycle, WGCNA
Bioconductor：clusterProfiler, org.At.tair.db（模式物种功能富集）
图内文字一律英文，theme_pub_bw() 用 sans 字体。sessionInfo.txt 记录完整版本。
Ferrari C, Proost S, Janowski M, et al. Kingdom-wide comparison reveals the evolution of diurnal gene expression in Archaeplastida. Nat Commun 2019;10:737. https://doi.org/10.1038/s41467-019-08703-2