项目文章

项目文章 | 两篇背靠背,王春琳、王欢课题组揭示拟穴青蟹适应盐度骤降的代谢机理

前言
 

上篇王春琳教授、王欢博士课题组在ECOTOX ENVIRON SAFE通过iTRAQ蛋白质组学研究方法,以探索揭示越冬期间不同光照强度下拟穴青蟹的代谢变化后。(详情请访问鹿明生物公众号项目文章 | iTRAQ蛋白组学助力宁波大学越冬期间拟穴青蟹代谢变化研究)。
 

2020年11月欧易/鹿明生物合作客户宁波大学海洋科学学院王欢课题组又在Aquaculture Reports发表的题为“Metabolic mechanism of the mud crab (Scylla paramamosain) adapting to salinity sudden drop based on GC-MS technology”的研究成果,本研究采用GC-MS非靶向代谢组学方法分析了拟穴青蟹适应盐度骤降的分子机制,进一步丰富了甲壳动物渗透调节的理论,为拟穴青蟹低盐养殖生产及低盐良种选育提供理论指导。
 

上海鹿明生物科技有限公司



中文标题:GC-MS技术揭示拟穴青蟹适应盐度骤降的代谢机理

研究对象:拟穴青蟹

发表期刊:Aquaculture Reports

影响因子:2.289

发表时间:2020年11月

合作单位:宁波大学海洋科学学院

运用欧易/鹿明生物技术:GC-MS非靶向代谢组学(由鹿明生物提供技术支持)


研究背景
 

拟穴青蟹(学名:Scylla paramamosain)是梭子蟹科、青蟹属甲壳类动物。它主要分布在印度洋,西太平洋和中国东南沿海地区。拟穴青蟹因其较高的经济价值和良好的营养特性,是中国重要的海水养殖物种。拟穴青蟹喜低盐的潮间带或河口地区,而潮间带或河口地区的盐度经常由于强降雨或淡水流入导致盐度瞬间下降。虽然拟穴青蟹属广盐种,但是盐度骤降往往引起个体死亡并因此造成经济损失。甲壳类动物主要通过渗透调节来适应盐度的变化,而迄今为止关于拟穴青蟹中渗透调节的了解还很少。先前研究[1,2]报道了拟穴青蟹在转录组和蛋白质组水平上适应盐度骤降的分子机制。发现除了离子运输以外,游离氨基酸还参与渗透调节。本文在先前研究的基础上,在代谢组水平揭示拟穴青蟹适应盐度骤降的分子机制。


实验思路
 

上海鹿明生物科技有限公司


研究结果
 

1、盐度骤降导致的拟穴青蟹代谢物变化
 

先前研究[1,2]表明,拟穴青蟹在海水盐度从23‰降至3‰后120 h达到适应状态。本文通过GC-MS非靶向代谢组学检测对照组(图1A)和低盐组(图1B)之间拟穴青蟹蟹腮的代谢组变化。结果检测到1264个质谱峰,并鉴定出437种代谢物。蟹腮提取物的可检测代谢产物包含氨基酸,核苷酸,有机酸,糖等。
 

上海鹿明生物科技有限公司

图1 | 对照组(A)和低盐组(B)拟穴青蟹总离子流
 

PCA结果显示对照组和低盐组具有相对明显的分布规律(图2A)。同时,OPLS-DA模型显示两组之间的差异是显着的,并且所有采样点都在95%置信区间内(图2B)。通过对OPLS-DA模型的拟合检验,可以发现该模型对样本的解释能力和预测能力分别为0.997和0.915。此外,直线的斜率较大,Q2的截距为-0.224,这表明OPLS-DA模型没有过拟合(图2C)。综上所述,OPLS-DA模型具有良好的解释和预测能力,可以真实反映不同样本组之间的差异。这些结果表明盐度为3‰时,拟穴青蟹蟹腮的代谢产物发生了明显变化。
 

上海鹿明生物科技有限公司

图2 | 对照组和低盐组拟穴青蟹的PCA图(A), OPLS-DA图 (B) 和响应排序检验(C)


2、筛选差异代谢物
 

通过统计分析结果P值<0.05和VIP值> 1,共筛选了145种差异代谢物,包括71种上调的代谢产物(图3A)和74种下调的代谢产物(图3B)。众所周知,氨基酸在水生动物的渗透调节中起着关键作用,在145种差异代谢物中,包括14种常见氨基酸,其中牛磺酸,L-高丝氨酸,天冬酰胺,天冬氨酸,胱氨酸,瓜氨酸,正亮氨酸,组氨酸和肌氨酸在低盐组上调(FC> 1,VIP> 1)。特别是,牛磺酸是所有上调的差异代谢产物中VIP最高的氨基酸(图4),也是迄今为止报道的最关键的渗透调节物质。此外,145种差异代谢产物包含参与能量代谢的多糖和有机酸。
 

上海鹿明生物科技有限公司

图3 | 拟穴青蟹适应盐度骤降时蟹腮的差异代谢物分类
 

上海鹿明生物科技有限公司

图4 | 对照组和低盐组差异代谢物热图
 

3. 差异代谢物的代谢通路分析
 

通过对差异代谢物进行通路富集分析,富集到了29种代谢通路(P<0.05)。排名前10的差异代谢通路(P<0.01)是甘氨酸,丝氨酸和苏氨酸代谢、磷酸戊糖途径、精氨酸和脯氨酸代谢,ABC转运蛋白、丙氨酸,天冬氨酸和谷氨酸代谢、嘌呤代谢、β-丙氨酸代谢、泛酸和CoA生物合成,氨酰基-tRNA生物合成、嘧啶代谢(图5A)。

 

上海鹿明生物科技有限公司

图5 | 代谢通路图

(A)代谢通路富集分析

(B)牛磺酸和次牛磺酸代谢通路


相关讨论
 

拟穴青蟹适应低盐的机制分析中发现牛磺酸具有最高的VIP值,表明牛磺酸是拟穴青蟹中最重要的渗透调节物质。对差异代谢物的通路富集分析发现,牛磺酸和次牛磺酸代谢通路和ABC转运蛋白参与了牛磺酸代谢的调节。牛磺酸和次牛磺酸代谢直接调节牛磺酸的合成,这显著提高了低盐组中牛磺酸的水平(图5B)。ABC转运蛋白是膜转运的一部分,其主要功能涉及小分子的主动转运。先前基于转录组和蛋白质组的分析[1,2]发现牛磺酸转运蛋白基因在拟穴青蟹适应盐度骤降的过程中显著上调。这些结果表明,在盐度突然下降的情况下,拟穴青蟹能够通过牛磺酸和次牛磺酸代谢途径合成大量的牛磺酸,然后通过ABC转运蛋白转运到细胞外,从而调节细胞外渗透压。这种机制可能在拟穴青蟹的渗透调节中起着极其重要的作用。


研究结论
 

本文在运用GC-MS非靶向代谢组学在代谢水平研究拟穴青蟹适应盐度骤降的机制。鉴定到的437种代谢物中,有71种在低盐组上调,74种代谢物下调。对这些差异代谢物进行富集分析共得到29种显著富集的代谢通路。这项研究的结果表明,游离氨基酸在适应盐度骤降方面起着重要作用,而涉及碳水化合物和有机酸的能量代谢在适应过程中提供了能量供应。系统分析拟穴青蟹对盐度突然降低的代谢适应机制,提供了有关该物种渗透调节的重要信息,可用于低盐环境中拟穴青蟹的生产。


小鹿推荐


本文的亮点在于理论研究与生产实践相结合盐度影响海洋甲壳类动物的呼吸代谢、生长和生存。生产实践的创举背后源自于基础研究的支撑,更是研究理论转化实践生产的好例子。

尽管拟穴青蟹是一种广盐种,但盐度的突然下降通常会导致个体死亡。该研究旨在根据GC-MS非靶向代谢组学数据揭示盐度从23‰下降至3‰的适应机制。本文技术路线及分析方法是典型的代谢组学研究方法,作者通过寻找差异代谢物及相关的通路富集分析,发现游离氨基酸在适应盐度骤降方面起着重要作用,且涉及碳水化合物和有机酸的能量代谢在适应过程中提供了能量供应。此外发现了牛磺酸在拟穴青蟹的渗透调节中起着重要作用。组学技术在揭示拟穴青蟹适应低盐环境机制中的运用值得参考。
 

拟穴青蟹低盐适应的基础研究及生产应用简介

上海鹿明生物科技有限公司

(截图来源于光明日报)

据悉,该团队青年教师王欢博士在宁波大学海洋学院院长王春琳教授的指导下,自2017年开始从事拟穴青蟹低盐适应的基础研究及生产应用工作,已在该领域发表5篇论文系统揭示拟穴青蟹适应低盐的分子机制。

本文(姚宏志这篇论文)是王欢博士的第五篇从代谢水平探索低盐适应的机制。据王欢博士介绍,青蟹在内陆养殖虽然是国内外首次实现成功,但是其中的过程并非顺利。在王春琳教授指导下,王欢博士在2018年连续4篇论文揭示拟穴青蟹适应低盐的分子机制,理论上的支撑使该团队开始瞄准内陆盐碱地青蟹养殖的应用。在2018和2019年,青蟹在河南黄河盐碱地养殖已取得初步成功。但养殖个体偏小,成活率不高。也是从代谢机制的研究中找出灵感和技术依据,做到了“缺啥补啥”,最终实现黄河盐碱地全面技术的突破,迎来了河南盐碱地青蟹生产的大丰收。
 

1.Wang, H., Tang, L., Wei, H., et al., 2018a. Transcriptomic analysis of adaptive mechanisms in response to sudden salinity drop in the mud crab, Scylla paramamosain. BMC Genomics 19, 421.

2.Wang, H., Wei, H., Tang, L., et al., 2018b. A proteomics of gills approach to understanding salinity adaptation of Scylla paramamosain. Gene. 677, 119–131.


猜你还想看
 

◆代谢组学研究:项目文章 | iTRAQ蛋白组学助力宁波大学越冬期间拟穴青蟹代谢变化研究

◆代谢组学研究:Nat Genet |(IF:27.6)LC-MS非靶向代谢组学和转录组联合分析揭示野生番茄果实成熟代谢及抗病性的遗传框架

◆代谢组学研究:看完秒懂,代谢组学医药领域机制研究实验设计方案怎么做?

◆代谢组学研究:项目文章 | LC-MS非靶向代谢组学助力山东中医药大学探究半夏白术天麻汤有效治疗肥胖相关性高血压的机制


END

文章来源于鹿明生物

上一篇:生物药表征研究——单克隆抗体表征分析方法之一级结构 下一篇:Nat Genet |(IF:27.6)LC-MS非靶向代谢组学和转录组联合分析揭示野生番茄果实成熟代谢及抗病性的遗传框架