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代谢组+转录组,快狠准阐释调控代谢机制

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  • TA的每日心情

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    发表于 2016.11.10 10:16:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
    之前我们简单介绍了代谢组学的相关概念和技术方法(戳这里查看~)。代谢组学作为系统生物学不可或缺的重要组成部分,通过近年来的发展,已经在植物生理学、遗传学、药物研究、疾病机理等多个相关领域发挥着越来越重要的作用。

    利用代谢组学检测技术,可以研究生物体内代谢物的积累模式,研究其成分及含量在不同环境条件下的变化,为进一步解析其生物合成及调控奠定基础。这对具有生理、生化活性的植物次生代谢物的研究尤为重要。


    同时,代谢组学通过与其他组学的结合,在遗传变异研究、功能基因研究方面正在发挥着越来越重要的作用。例如,植物样品中千变万化的代谢物含量可作为一种效应更高的表型性状,通过与重测序技术结合,可以更准确地定位受到多基因控制的数量性状,揭示植物代谢背后的遗传基础。又例如,代谢组与转录组的结合,是鉴定代谢相关功能基因的一个有效手段,大大加快了植物生长发育、生理调控、逆境胁迫的机理研究。今天,我们就来聊一聊代谢组学是如何与转录组联合分析的。



    一般的转录组测序可以得到大量差异表达基因和调控代谢通路,但由于基因与表型难以直接关联,导致关键信号通路难以确定,因此往往达不到预期研究目的。相信很多做过转录组测序的老师都深有体会。总感觉中间缺少了一步?没错,就是代谢物!代谢物是基因型与表型之间的桥梁,代谢物的变化更能直接揭示基因的功能,因此能够更有效地揭示生物学及其生化、分子机理。在植物研究中,目前代谢组+转录组的策略已经被广泛运用于植物生理、生长发育、及逆境胁迫研究中。


    那么如何进行代谢组与转录组的关联分析?总的来说,是基于“参与同一生物过程中的基因或代谢物具有相同或相似的变化规律”这一原理进行分析的。举个例子,研究不同颜色品种的菊花颜色差异的原因,首先通过代谢物检测,发现不同颜色品种的菊花积累的花青素类型和含量并不一致;然后进行转录组测序,在众多差异基因及代谢通路中,我们可以重点研究与花青素合成相关的代谢通路上的基因,从而一方面快狠准地找到导致颜色差异的功能基因,另一方面代谢组的结果也相当于是对转录组结果的验证。


    下面我们通过一篇文献,来看看代谢组与转录组是怎样联合分析的。


    文章题目:代谢组+转录组揭示白葡萄干旱胁迫适应机制[1]


    研究背景与目的

    植物中的次生代谢物有利于植物适应各种生长环境的变化。对白葡萄来说,次生代谢物很大程度上影响了白葡萄酒的品质。气候变化使得一些白葡萄种植地区的干旱加剧,潜在影响了白葡萄酒的品质。因此,本文通过代谢组与转录组结合的分析方法,揭示白葡萄在干旱胁迫下次生代谢物的调控机制。


    实验材料与样本设计

    代谢物测定:开花后27,41,54,68,82,93天(DAA)的葡萄,对照组和干旱组,4个重复。分别测定酚类、类胡萝卜素、生育酚和挥发性代谢物(VOC)。RNA-seq:41,68,93DAA的葡萄,各三个重复。


    结果

    1.代谢组分析结果

    对6个不同生长阶段的葡萄进行代谢物检测,总共检测出27种酚类物质、8种类胡萝卜素、2种生育酚、37种挥发性物质。对这些代谢物进行干旱处理组与对照组的差异分析,结果表明干旱胁迫能够在一个或多个生长阶段影响大部分酚类物质的积累;也在一定程度上影响了胡萝卜素和生育酚物质的积累,这些物质在果实成熟前浓度增加,而在果实开始成熟后(68DAA)浓度下降;干旱也使12种挥发性物质的浓度在果实成熟的最后阶段(93DAA)升高,包括芳樟醇、橙花醇、alpha松油醇等单萜类物质(图1)。


    图1 干旱对葡萄不同发育阶段次生代谢物浓度的影响。A:酚类物质;B:胡萝卜素和生育酚;C:挥发性物质

    利用对照组和干旱组检测到的代谢物分别构建调控网络,发现利用酚类代谢物和挥发性代谢物构建的调控网络能够显著地区分开对照组和干旱组,并且干旱组代谢网络图比对照组整体连通性更高(即在干旱组中,各类代谢物间的调控关系更加紧密);VOC的其中一个高度连通的网络包含了很多在上一步中鉴定到的差异代谢物(图2),即干旱组的VOC网络可以将差异表达代谢物与其他代谢物区分开,而且差异代谢物间存在紧密的调控关系。


    图2 代谢物调控网络图。A:酚类对照组;B:酚类干旱组;C:VOC对照组;D:VOC干旱组。红色和蓝色边界分别代表正相关和负相关。黑色字体的代谢物表示差异代谢物。


    2.转录组分析结果

    对干旱处理组和对照组3个生长阶段的葡萄进行转录组测序,共得到4889个差异基因。GO富集分析结果显示,在所有3个生长阶段样本的上调差异基因中,都富集到了“次生代谢物过程”这个GO term。干旱胁迫调节18个苯丙烷类、16个黄酮类、9个胡萝卜素类和16个萜类物质结构基因的表达,这些基因在干旱胁迫下表达量升高(图3)。


    图3 干旱胁迫下苯丙烷和黄酮代谢通路上相关基因的表达量变化


    3.转录组-代谢组调控网络构建分析

    通过构建转录组-代谢组调控网络,可寻找与代谢物浓度变化相关的关键基因。


    由于单萜类生物合成的调控机制还不清晰,而在本次实验中干旱对挥发性物质的浓度产生了显著的影响,因此作者重点研究干旱胁迫下与果实成熟相关的单萜类相关基因和代谢物的调控关系。这些单萜类物质包括芳樟醇、橙花醇、alpha松油醇。


    构建出来的基因-代谢物调控网络包含了分别与这三种单萜相关性最高的前100个基因,共222个基因,其中116个基因在干旱胁迫下差异表达(图4 A)。调控网络中的大部分基因功能与萜类、脂类、激素代谢相关,也包括一些转运和信号通路基因。对调控网络中的这些基因进行启动子富集分析,发现很多上调基因的启动子区显著富集MYB和干旱应答转录因子结合位点(如DRE)(图4 B),表明萜类代谢通路在响应干旱胁迫中起着直接的转录调控作用。



    图4 A:芳樟醇(1)、alpha松油醇(2)、橙花醇(3)的基因-代谢物调控网络。圆形代表基因。B:调控网络中基因的启动子顺式调控元件富集分析。粗体的顺式调控元件代表与干旱/ABA应答相关,下划线顺式调控元件代表MYB结合位点。


    总结

    干旱胁迫在转录水平直接调控单萜合成相关基因的表达;干旱条件通过增加抗氧化物质和香味化合物(如安息香、肉桂酸衍生物、玉米黄素、单萜)的积累,来影响白葡萄的品质。


    经验技巧

    在这篇文章中,代谢组测了6个时间点,而转录组只测了3个时间点,这3个时间点都是代谢物变化较大的有代表性的时间点(41DAA:成熟前;68DAA:刚开始成熟;93DAA:成熟晚期)。由此我们可以看出,代谢组检测结果可以作为转录组取样的一个很好的参照。文章通过密集取样分析白葡萄在干旱胁迫下果实成熟过程中的代谢物变化,得出关键的时间点,再取这些关键时间点的样本进行转录组检测,来解释代谢组的变化。所以,当不知道挑选哪些时间点来做转录组时,代谢组可以是个不错的指标。


    文章中对调控网络中的基因进行了启动子的转录因子富集分析,从而进一步解释了白葡萄适应干旱胁迫的机制。关于转录因子的研究方法,基迪奥也是很有经验的,大家可以戳链接查看:http://www.omicshare.com/forum/thread-756-1-1.html


    另外,我们之前也分享过一篇联合代谢组和转录组分析风信子颜色决定机理的文献,大家可以戳链接查看:
    http://www.omicshare.com/forum/thread-28-1-7.html

    参考文献:
    [1] Savoi S, Wong D C J, Arapitsas P, et al. Transcriptome and metabolite profiling reveals that prolonged drought modulates the phenylpropanoid and terpenoid pathway in white grapes (Vitis vinifera L.)[J]. BMC plant biology, 2016, 16(1): 1.

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    实验室有一个群体3个时期的代谢组的数据,不知道能进行哪些分析

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    可以啊,如果有转录组的数据联合分析更好。  发表于 2016.11.15 09:20
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    大神,收下我的膝盖骨
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    发表于 2019.12.7 07:58:06 | 显示全部楼层
    整个图做的太完美了~~~
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