项目文章

项目文章 | 多组学助力中国热带农科院胡伟团队揭示木薯块根发育分子特征

前言
 

2020年8月欧易/鹿明生物合作客户中国热带农业科学院胡伟博士课题组在Journal of Experimental Botany期刊发表的题为“Highly dynamic, coordinated, and stage-specific profiles are revealed by a multi-omics integrative analysis during tuberous root development in cassava”的研究成果,通过结合转录组学、蛋白质组学、代谢组学的研究方法,发现了木薯块根发育过程中基因和蛋白质表达的高度动态变化和阶段特异性变化,描绘了木薯块根发育过程的分子图谱。为进一步了解块根发育提供了理论依据,并为促进木薯的遗传改良提供了宝贵资源。
 

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中文标题:多组学联合揭示木薯块根发育过程中高度动态、协调和阶段特异性的谱图

研究对象:木薯

发表期刊:Journal of Experimental Botany

影响因子:5.908

发表时间:2020年8月

合作单位:中国热带农业科学院

运用欧易/鹿明生物技术:iTRAQ蛋白质组学(由鹿明生物提供技术支持)、转录组学、代谢组学
 

研究背景
 

木薯是三大薯类作物之一。木薯的主要经济价值在于其块根,以干重计可由超过80%的淀粉组成,因此许多研究集中在其根部发育上。木薯通常通过扦插繁殖,在种植后60–100天为块根形成期。在第8周左右肉眼可见的块根通过二次生长而增大,其宽度增加而长度却不增加,并伴随着糖含量的减少和淀粉含量的增加。根部膨大后,叶片中合成的碳水化合物主要在种植后80-300天内转移到根中。与发育方式相对应,在种植后的前两个月中,根的干物质缓慢增加,然后在3-10个月中迅速增加,此后又在两个月内保持较高水平。根系发育期间发生的表型变化可能是由阶段依赖性的调节代谢通路引起的。木薯块根的发育是一个非常复杂的过程,涉及许多代谢通路的变化,因此有必要对潜在的调控机制进行系统研究。
 

研究思路
 

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研究结果
 

1、块根发育过程中的表型变化
 

为了调查木薯块根发育过程中的表型变化,从种植后100天到340天每40天收获根,共七个时间点称为S1-S7,对应于早期(S1-S3)、生长的中期(S4)和后期(S5–S7)(图1A)。根直径从S1稳定地增加到S4,然后在S5处急剧增加,然后再进一步轻微增加到S7(图1B)。淀粉含量最初从S1下降到S2,然后从S4稳定地增加,而可溶性糖含量从S1下降到S5,然后在S6上升(图1C)。扫描电镜显示淀粉颗粒在S2(图1D)和S3(图1E)清晰可见,并且数量在S4(图1F)和S6(图1G)急剧增加。

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图1 | 木薯块根发育过程中的表型变化


2、块根发育过程中的转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析
 

将从七个时间点收集的块根样品进行转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析。转录组学共鉴定到22463种基因,蛋白质组学共鉴定到2657种蛋白质,代谢组学共鉴定到489种代谢物。总体而言,样品聚类显示了块根发育期间mRNA、蛋白质和代谢产物的丰度发生了高度动态且协调的变化(图2A)。例如,S1-S3紧密聚类,S5-S7紧密聚集,而S4显示出中间关系。根据表达模式,在mRNA水平共鉴定出12组基因(gM1-gM12),它们在七个阶段之间显著差异表达(图2B),而在蛋白的水平上则不明显。
 

gM1-4组的基因主要在块根发育的早期表达。例如,gM1在S1处表达最高,然后稳定下降直至S7。该组基因的植物生长素和与细胞壁有关的通路明显富集(图3A)。该组中包括的许多基因与纤维素合成、细胞壁蛋白、细胞壁前体的合成和细胞壁修饰有关。还包括与生长素生物合成、信号转导和生长素反应有关的几个基因。这些结果强烈表明细胞壁和生长素基因对块根中早期发育的协调贡献。尽管gM2在S1和S2处表达相对较高,而gM4在S4处表达相对较高,但gM2-4的基因通常在S3处表达最高。gM3和gM4中的基因分别富含脱落酸和非生物胁迫以及代谢通路(图3A)。这些富集表明激素信号在块根的早期发育中具有重要作用。
 

gM5-7的基因主要在块根发育的中期表达(图2B)。总体而言,从S1到S3,gM5基因的表达高于gM6和gM7,而从S5到S7,gM7的表达高于gM5和gM6。富集分析的类别包括gM6的代谢,RNA调控转录和钙信号传导,gM6和gM7的蛋白质翻译后修饰,但未检测到gM5的富集(图3A)。在gM6中发现了几个信号基因和一些响应转录因子。此外,在gM6中还发现了许多钙信号传导基因,包括钠/钙交换子,钙依赖性蛋白激酶,钙结合蛋白和钙调蛋白样基因,表明这些基因在块根发育中期阶段起重要作用。
 

gM8-12的基因主要在块根发育的后期表达(图2B)。例如来自gM10的基因在S5至S7中高度表达,并且富含氨基酸降解代谢,细胞分裂,发育,蛋白质合成,RNA加工和RNA转录(图3A)相关基因。来自gM11和gM12的基因在S7处表达最高。gM11在S5和S6也显示出相对较高的表达,并且这些基因在蛋白质合成,RNA加工和RNA转录调控中富集(图3A)。总的来说,这些结果揭示了不同的阶段特异性功能,这些功能对应于仅在mRNA水平受调控的基因的阶段特异性表达模式。
 

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图2 | 木薯块根发育过程中mRNA、蛋白质和代谢产物的动态、协调和阶段特异性变化


有四组基因(gpM1-gpM4)在mRNA和蛋白质水平上均差异表达(图2C)。总体而言,gpM1和gpM3中的基因在转录组和蛋白质组水平之间表现出一致的表达模式。gpM1组的基因在氨基酸代谢,糖异生,氧化还原,类黄酮的次生代谢中显著富集(图3A)。此外与淀粉降解有关的四个基因包括在这个组中。相反,gpM3中的基因富含氨基酸合成代谢,细胞壁,线粒体电子转运/ATP合成,氮代谢,氧化还原,二次代谢和14-3-3蛋白信号传导(图3A)。在该组中发现了许多与蔗糖和淀粉通路相关的基因。与gpM1和gpM3相比,gpM2和gpM4中的基因在转录组和蛋白质组之间显示出相反的表达模式。gpM2中富含氧化还原,糖和营养生理中的信号传导的基因。而gpM4包括蛋白质折叠,蛋白质合成,蛋白质靶向和硫氧还蛋白的氧化还原(图3A)。这些结果表明转录后调控在块根发育过程中对淀粉和氧化还原代谢的重要贡献。
 

有两组基因(pM1,pM2)仅在蛋白质水平差异表达(图2D)。pM1中的蛋白表达在S1最高,然后逐渐降低至S7,而在pM2中则看到相反的趋势。pM1中的蛋白类别包括细胞囊泡运输,脂肪酸合成和脂肪酸延伸,蛋白质折叠,蛋白质合成和靶向,G蛋白信号传导和TCA / org转化(图3A)。pM2中富含氨基酸合成代谢,脂质代谢,蛋白质靶向和氧化还原(图3A)。
 

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图3 | 木薯块根发育过程中基因/蛋白质的功能富集及其与代谢产物的关系


鉴定出的489种代谢物中有378种在块根发育过程中发生了显著变化。含量最丰富的代谢物是黄酮,脂质和氨基酸衍生物。根据代谢物的丰度变化确定了六种代谢物(mM1-mM6)(图2E)。总体而言,属于同一化合物类别或参与相同生化通路的代谢物倾向于聚集在同一组中。与mRNA和蛋白质的结果相似,代谢产物的丰度在块根发育过程中也表现出阶段特定的模式:mM1和mM2在早期(S1-S3)表现出较高的丰度,中期(S4)mM4较高,而后期mM3、mM5和mM6较高(S5-S7,图2E)。这表明基因/蛋白质表达与代谢物变化之间可能存在生化联系。图4总结了块根不同发育阶段的代谢通路和代谢产物模式图。
 

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图4 | 通过多组学分析确定的在木薯块根发育的特定阶段受到显著影响的代谢通路和代谢物的总结


作者进一步检查了mRNA、蛋白质与代谢产物之间的关联(图3B)。代谢物组mM1和mM2在块根发育的初期显示出相对较高的丰度,并且它们在转录组、蛋白质组水平上均与数个组的表达显着正相关。这表明代谢物的变化是基因/蛋白质的复杂调节下的联合作用。
 

3.蔗糖/淀粉通路的调控
 

涉及蔗糖降解和淀粉生物合成的许多基因,包括INV1,SuSy3,SuSy4,FK,APL3,APS1和SBE2.1,在转录水平和蛋白质水平均从S1到S3高表达,然后在S4处转变,从S5到S7低表达(图5)。相比之下,参与淀粉降解的四个必需基因,即SEX4,AMY1,ISA3和PHS2,显示了相反的表达模式(图5A,B),并且涉及蔗糖/淀粉通路的三个关键代谢产物也相应地发生了变化(图5C)。这些结果表明淀粉生物合成主要在根发育的早期被激活,而在后期则非常有限,而S4阶段是该过渡的关键时期。
 

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图5 | 木薯块根发育的特定阶段,与蔗糖/淀粉代谢相关的基因表达以及蛋白质和代谢产物的丰度变化

4.木质素生物合成通路的调控
 

木质素是植物细胞壁的主要成分之一,提供机械强度。木质素生物合成通路中有四个主要分支(图6A)。代谢组学分析鉴定了木质素生物合成中的九种代谢产物,这些代谢产物在块根发育过程中早期表现出很高的丰度,然后在后期逐渐降低。转录组和蛋白质组鉴定了7种参与木质素生物合成的差异基因,大多数在早期高表达而在后期低表达(图6B)。值得注意的是,这些代谢物主要参与木质素生物合成的四个分支中的两个。
 

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图6 | 在木薯块根发育的特定阶段,与木质素生物合成有关的基因表达以及蛋白质和代谢产物的丰度变化

5. 类黄酮生物合成通路的调控
 

类黄酮的生物合成与木质素的生物合成紧密相关,因为苯丙氨酸是这两种通路的共同前体。鉴定出16种与类黄酮生物合成有关的代谢物,在块根的发育过程中显示出显著变化(图7A)。与木质素生物合成中观察到的变化相似,它们大部分在早期显示出高丰度。鉴定到的三个类黄酮生物合成基因,其中F3H和F3'H在转录组水平上差异表达,而CHI在转录组和蛋白质组水平上均差异表达(图7B)。
 

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图7 | 木薯块根发育特定阶段中与类黄酮生物合成有关的基因表达以及蛋白质和代谢产物的丰度变化


研究结论
 

本研究首次通过转录组学、蛋白组学、代谢组学多组学联合分析研究木薯块根发育。研究结果不仅揭示了木薯块根发育过程中mRNA,蛋白质和代谢产物的高度动态、协调和特定阶段的分布,而且突出了在不同发育阶段具有特定功能的通路和基因。数据同时表明转录水平和转录后调控在块根发育中都起着重要作用。本文的发现将为木薯的遗传改良提供全面的资源。通过比较木薯和其他块根作物,本文生成的数据集也将成为进一步研究块根发育的有用资源。


小鹿推荐
 

木薯是一种重要的淀粉根作物,可为全球数百万人提供食物,但在多组学水平上对其块根的发育调控知之甚少。本研究从块根生长的早期到后期,在七个时间点分析了转录组,蛋白质组和代谢组的变化。总体而言,本文在块根发育过程中观察到基因和蛋白表达的高度动态变化和阶段特异性变化。文章为进一步了解块根发育提供了理论依据,并为促进木薯的遗传改良提供了宝贵资源。作者对多组学时间序列数据的分析思路值得借鉴。
 

鹿明生物/多层组学研究
 

在目前各种类型的组学中,核酸组学(主要是基因组学和转录组学)告诉我们可能发生什么(发掘生命现象的底层原因),蛋白组学告诉我们将要发生什么(发掘生命现象的表层原因),而代谢组学告诉我们正在发生什么(发掘生命现象的分子结果)。将不同组学结果进行深入整合,实现从原因和结果两个层面探究生命现象的分子本质。鹿明生物的多组学研究思路,希望助力各位老师更全面、可靠的研究。

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参考文献:
 

1.Ding Z, Fu L, Tie W, Yan Y, Wu C, Dai J, Zhang J, Hu W. Highly dynamic, coordinated, and stage-specific profiles revealed by multi-omics integrative analysis during cassava tuberous root development. J Exp Bot. 2020 Aug 10:eraa369. doi: 10.1093/jxb/eraa369. Epub ahead of print. PMID: 32777039.

2.Lowe SB, Mahon JD, Hunt LA. 1982. Early development of cassava (Manihot esculenta). Canadian Journal of Botany 60, 3040–3048.

3.Ding Z, Fu L, Tie W, Yan Y, Wu C, Hu W, Zhang J. 2019. Extensive posttranscriptional regulation revealed by transcriptomic and proteomic integrative analysis in cassava under drought. Journal of Agricultural and Food Chemistry 67, 3521–3534.
 

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文章来源于鹿明生物

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