轉錄組和代謝組解析馬鈴薯色素合成的分子機制

上期小編和大家分享了百邁客成功案例-轉錄組和代謝組解析風信花色變化分子機制,大家可以發現,其中,代謝組并沒有走普通轉錄組項目的套路(基于測序結果,采用生物信息的手段,挖掘決定表型關鍵基因),而是采用靶向檢測幾種代謝物的方法,從代謝組角度進一步驗證兩種花色風信子花青素合成通路相關的基因。那么,隨著代謝組的不斷發展,目前經典代謝組分析方法,更多的是傾向于基于代謝物檢測結果,通過生物信息分析的手段,深入挖掘與表型相關的關鍵代謝物,進而輔助轉錄組挖掘決定表型的關鍵基因。今天,我們通過一篇經典案例,來一探轉錄組和代謝組聯合分析的套路。

英文題目:Network analysis of the metabolome and transcriptome reveals novel regulation of potato pigmentation
中文題目:轉錄組和代謝組解析馬鈴薯色素調控分子機制
發表雜志:Journal of Experimental Botany
影響因子:5.830

研究背景

目前在許多水果、蔬菜和鮮花中,已鑒定花青素種類超過635種。果實的紫色和深紅色主要來源飛燕草色素,牽牛花色素和錦葵花色素;而亮紅色主要源自矢車菊素和天竺葵素。據報道,已鑒定出部分編碼花青素合成和調控的基因,但對于每種花青素生物合成途徑的調控機制仍有待進一步研究。
彩色馬鈴薯因其富含較強抗氧化性的花青素而引起各國學者的廣泛關注。本研究利用轉錄組和代謝組聯合分析的方法,探索3種不同色澤馬鈴薯品種花青苷合成通路的調控網絡,為馬鈴薯花青素的生物合成和調控相關的分子機制提供了新的見解。

材料與方法

樣品準備:Hongyoung(淡紅色)、Jayoung(深紫色)、Atlantic(白色),在室溫散光照射下,誘導馬鈴薯發芽,收集嫩芽,每個品種6個生物學重復,每個重復由三個單株混合而成,共18個樣本。
1.轉錄組測序:Illumina Hiseq2000。
2.代謝組檢測:超高液相和質譜聯用(UPLC-Q-TOF-MS)。
3.qRT-PCR:驗證花青素生物合成和馬鈴薯色澤相關的轉錄調控因子,每個品種3個生物學重復。

技術路線

研究結果

01.不同色澤馬鈴薯差異代謝物分析
對三種不同色澤馬鈴薯樣本進行主成分分析,結果顯示不同品種馬鈴薯代謝物差異顯著。代謝組檢測表明,在正離子模式下,共檢測出841個信號離子,其中Hongyoung和Atlantic共有559個信號離子,Jayoung 和Atlantic 共有441個信號離子,Jayoung 和Hongyoung 共有 454 個信號離子;在負離子模式下,共檢測出895個信號離子,其中Hongyoung 和 Atlantic共有 651 個信號離子,Jayoung 和Atlantic 共有470個信號離子,Jayoung和Hongyoung共有 466 個信號離子。

在正和負模式下的正交偏最小二乘判別分析(OPLS-DA)的分數圖和散點圖

圖2不同顏色馬鈴薯PCA分析和特征代謝物數目

02.Jayoung 與 Hongyoung 花青素衍生物差異分析
花青素是苯丙素通路中類黃酮合成的花色素苷的酰基糖苷。據報道,花青素衍生物飛燕草色素(Dp),芍藥色素(Pn)和錦葵色素(Mv)是紫色和深色的色素來源,而花青色素(Cy)和花葵素(Pg)的衍生物是亮紅色果實中的主要色素。結果顯示,Hongyoung與Jayoung在苯丙素合成途徑下游的黃酮類組分差異顯著,表明這些代謝物可能是造成馬鈴薯品種間色澤差異的關鍵因素。Hongyoung中芹黃素、山柰酚、二氫山柰酚和天竺葵色素衍生物的含量較高,而Jayoung中芍藥花青素、牽牛花色素、飛燕草色素和錦葵色素衍生物積累較多。

圖3 黃酮類化合物的二級質譜分析

圖4 基于KEGG通路和文獻構建的花青素合成通路示意圖

03.Atlantic, Hongyoung 和 Jayoung 差異基因分析
Hongyoung 、 Jayoung和Hongyoung 和 Jayoung共1044個差異基因;Hongyoung 和 Atlantic 中有 756 個差異基因,其中482 個基因上調,274 個基因下調。Jayoung 和 Atlantic 中有519 個差異基因,其中有248個上調基因,273個下調基因。根據其注釋功能將其分為20組(主要BIN),分為未知注釋轉錄本(37.7%),蛋白質活性調控(10.3%),應激(9.6%) ,其他代謝(7.3%),轉錄調控因子(5.7%),次級代謝(5.3%)和信號傳導(4.0%)。

圖5 不同馬鈴薯差異基因韋恩圖

表1 不同馬鈴薯差異基因注釋分析

04.轉錄組和花青素衍生物的關聯分析
對 22 個花青素衍生物和 167 個基因(三個馬鈴薯品種中類黃酮代謝、植物激素、信號通路、轉錄因子相關的差異表達基因)相關性分析,發現有 119 個基因與這 22 個花青素衍生物相關性極高(相關系數>0.9)。在 Hongyoung 和 Jayoung 中對相關性高的 119 個基因和22個代謝物做共表達網絡分析,把119個基因參與的調控網絡聚為5組(ClusterI-V),22 個花青素衍生物參與的代謝通路分為 4 組 (Group A-D) 。
Hongyoung中 Group A 代謝物的含量高于Jayoung,與 Cluster I 和 Cluster II 中的基因有較高的關聯性。而在 Jayoung 中 Group D 代謝物的含量較高,與 Cluster IV 和 Cluster V 中的基因有較高的關聯性。

圖6 基因與花青素相關代謝產物調控網絡

表2與花青素相關代謝物相關的調控基因的分類

05.差異表達基因RT-PCR驗證
隨機挑選 14 個基因進行 RT-RCR 驗證,結果表明 Cluster I和Cluster II 中的基因(JAZ8, JAZ10, WRKY75, ERF1 和 MYB9)在 Hongyoung 的表達量較高;ClusterIV中的基因(MYB3和UFGT)在Jayoung中表達水平較高;而 Cluster III 中的基因在 Hongyoung 和 Jayoung 中的表達水平無明顯差異。RNA-seq和RT-PCR相關性系數0.89,進一步證明測序結果的準確性。

圖7花青素生物合成相關和馬鈴薯色澤潛在轉錄調控因子RT-PCR驗證

文章亮點

1.本研究對三個不同品種的馬鈴薯樣品同時做轉錄組和代謝組,首先通過代謝組分析不同馬鈴薯品種與色澤合成的差異代謝物,然后采用轉錄組,篩選與色澤合成相關的類黃酮代謝、植物激素、信號通路、轉錄因子相關的差異基因,最后將色澤合成相關的差異代謝物和差異基因做關聯分析,挖掘馬鈴薯色澤的調控網絡。
2. 本研究基于轉錄組測序和代謝組檢測結果,主要通過生物信息分析手段,更高效的挖掘與表型相關的差異基因和代謝物,同時將基因和代謝物變化以精美的圖形呈現,為高分文章的發表添磚加瓦。

文章框架思路如下

看了文章框架是不是感覺hin簡單啊,轉錄組標準分析→代謝組標準分析→轉錄組和代謝組聯合分析→RT-PCT驗證,即可輕松實現文章發表,哈哈,這就是轉錄組和代謝組聯合分析套路啦,大家趕快試一下吧,絕對超出你的預期哦!

畫 外 音~~~

參考文獻
Kyoungwon Cho ., Kwang-Soo Cho ., Hwang-Bae Sohn .,et al. Network analysis of the metabolome and transcriptome reveals novel regulation of potato pigmentation. Journal of Experimental Botany. 2016, 67(5), 1519–1533 doi:10.1093/jxb/erv549 .

轉錄調控事業部 蘇靜靜 | 文案
吳戈宇 | 審核
圖片來自網絡,侵刪

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