代谢组+转录组分析为腰果树果实发育成熟过程中代谢网络提供见解

news/2024/3/28 19:09:10/文章来源:https://blog.csdn.net/Biotree2012/article/details/129121498

文章标题:Metabolomic and transcriptomic analyses provide insights into metabolic networks during cashew fruit development and ripening

发表期刊:Food Chemistry

影响因子:9.231

作者单位:海南大学

百趣生物提供服务:植物阿趣广靶®代谢组学、发现代谢组学HD-MIX版

  1. 百趣代谢组学分享—研究背景

腰果树(Anacardium occidentale L.)是一种原产于巴西亚马逊雨林的热带常绿乔木。自腰果树发现以来,便被引入世界各地的热带地区广泛种植。腰果树的果实有上、下两部分,上部分呈现梨果状,是假果,叫“Apple”;下部分呈现肾状,是真果,叫“Nut”,也就是备受人们欢迎的坚果之一——腰果(在后文中,统一称为“Apple”和“Nut”)。

迄今为止,人们对“Nut”的研究主要集中在它的营养价值上。“Nut”富含不饱和脂肪酸,它的脂肪成分中,约60%来自单不饱和脂肪酸(Monounsaturated Fatty Acid, MUFAs),20%来自多不饱和脂肪酸(Polyunsaturated Fatty Acids, PUFAs)。由于MUFAs和PUFAs可有效调控总胆固醇和低密度脂蛋白水平,因此食用腰果有助于预防心血管疾病。而相比“Nut”的高价值,多汁的“Apple”更像是一种农业副产品,工业用途有限,通常被用于果汁加工、浓缩粉生产以及乙醇生产。

果实发育和成熟是相互协调、精细调控的生物学过程。代谢组学分享,尽管前人对“Nut”以及“Apple”的化学成分进行了研究,但“Nut”以及“Apple”发育成熟过程中的代谢变化和相关调控机制尚不明晰,本研究主要探索腰果发育周期中代谢是如何变化的,并挖掘转录调控的潜在机制。

2.百趣代谢组学分享—研究设计

腰果树的果实发育具有很典型的阶段性,开花后大约一周,腰果花就开始发育成微小的假果,即“Apple”;同时,绿色的真果“Nut”,也开始长在“Apple”的底端。代谢组学分享,之后,整个果实迅速生长直至成熟期。基于这样的特点,作者以时间为轴线,结合了代谢组学和转录组学来探索腰果树果实的代谢变化过程。

作者采集开花后15、23、31、39和45天的果实,分别对“Apple”和“Nut”取样,进行实验。对应这5个果实发育阶段,样本命名为A1-A5(Apple)和N1-N5(Nut),其研究思路详见图1。

 

 

图1. 技术路线图以及腰果果实开花后“Nut”和“Apple”部位的外观变化。

3.百趣代谢组学分享—研究结果

腰果树果实发育成熟过程中的代谢特征

本研究通过代谢组学检测发现“Nut”共鉴定出1137个代谢物,而“Apple”共鉴定出567个代谢物。从主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)可以看出,“Nut”和“Apple”的代谢物数据可以明确分为5组,对应各个发育阶段,说明“Nut”和“Apple”中代谢物的积累与不同发育阶段有着密切的关系,详见图2B。

 

图2. “Nut”和“Apple”五个发育阶段的代谢组学分析。(A)代谢物的数量和分类;(B)“Nut”和“Apple”代谢组数据的主成分分析。N1-N5和A1-A5表示在开花后15、23、31、39和45天采集的“Nut”和“Apple”样本。

腰果树果实发育阶段的脂质分析

“Nut”因含有丰富的脂质种类而闻名。在本研究中,作者利用脂质组学全面测定了“Nut”的脂质情况。研究发现,“Nut”中含量最高的脂质物质为Ethyl dodecanoate。此外,还有161种常见脂质,这些脂质可分为五大类,即脂肪酰基(Fatty Acyls, FAs)、甘油磷脂(Glycerophospholipids, GPs)、甘油脂(Glycerols, GLs)、糖脂(Sophorolipids, SLs)和鞘脂(Sphingolipids, SPs)。从图3A可以看出,FAs和GPs占总脂类含量的97%以上。

在FAs中,游离脂肪酸(Free Fatty Acid, FFA)是最主要的成分;在GPs中,磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol, PI)和磷脂酰甲醇(PMeOH)的含量最高;在FAs中,饱和脂肪酸(Saturated Fatty Acids, SFAs)的含量高于MUFAs和PUFAs。代谢组学分享,从图3B可看出,在“Nut”发育过程中,MUFAs是GPs中的优势组分。从图3C可看出,在“Nut”发育过程中,FFA(16:0)含量相对稳定,FFA(18:1)和FFA(18:2)含量逐渐降低,PI(16:0/18:2)的含量下降,而PI(18:1/18:1)和PMeOH含量明显上升。

 

图3. “Nut”五个发育阶段的脂体组分析。(A)不同脂质家族和种类的含量;(B)FAs和GPs的分布,Bars表示标准差;(C)FAs和GPs中优势组分的相对含量。

果实从发育到成熟过程中的转录组分析

在转录组分析中,作者将TPM(Transcripts Per Million)>0的基因定义为表达基因,将绝对值Log2(TPM的差异倍数)>1的基因定义为差异表达基因。代谢组学分享,经分析,“Nut”中的基因表达量是36911个,其中有24017个基因在至少两组样本中为差异表达基因;而“Apple”的基因表达量为37624个,其中有17647个在至少两组样本中为差异表达基因。

作者进一步进行Z-Score归一化表达分析,Z-score值热图(图4A)显示,“Nut”和“Apple”的基因表达模式与果实发育阶段息息相关。PCA(图4B)结果中,N1和A1比较接近,表明在果实发育早期,“Nut”和“Apple”具有相似的转录模式;而到了果实成熟阶段,“Nut”和“Apple”有显著的差异。综上说明,腰果树的基因表达模式具有组织和发育阶段的特异性。

代谢组和转录组在不同阶段的簇中共同调控

为了进一步揭示腰果果实发育过程中的代谢变化,通过K-means聚类分析(图4C和4D)可知,“Nut”的1137个代谢物和“Apple”的567个代谢物分为6个和5个聚类簇。在“Nut”中,簇1的代谢物在整个果实发育过程中逐渐积累,簇2的代谢物在果实成熟后期富集,簇6的代谢物仅在发育早期有较高积累,簇2、簇3以及簇5的代谢物在发育中期积累较多。代谢组学分享,在“Apple”中,簇2的代谢产物在整个果实发育过程中逐渐积累,簇3的代谢产物在成熟后期显著积累,表明其与果实成熟密切相关。

为了研究基因表达与代谢物累积之间的关系,我们对代谢组和转录组数据进行了共表达分析。从图4C可看出,“Nut”中共鉴定出23,980个与至少一种代谢物共调控的基因,它们和1137个代谢物分成6个共表达簇。图4D可看出,在“Apple”中,则鉴定出有20591个基因与567个代谢物共调控,它们分成5个基因簇。这两个组学的共表达分析表明,基因的表达模式与腰果树果实发育过程中的代谢途径有关。

 

图4. 代谢物和基因的转录组分析和k-Means聚类分析。(A)“Nut”和“Apple”5个发育阶段表达层次聚类分析。颜色尺度0-1表示Spearman相关系数;(B)转录组的PCA分析;(C)和(D)k-均值聚类分析代谢物和基因。×轴描述了来自五个发育阶段的“Nut”和“Apple”,y轴描述了标准化的每个代谢物(橙色)和基因(蓝色)的Z-score。每个方框中显示的数字来自每个聚类中的代谢物和基因的数量。N1-N5和A1-A5表示花后15、23、31、39和45d采集的“Nut”和“Apple”样品。

识别调节PI(Phosphatidylinositols, 磷脂酰肌醇)生物合成的潜在基因和转录因子

“Nut”中主要的不饱和脂肪酸是GPs,尤其是PIs。作者利用K-Means聚类和KEGG分析,进一步挖掘PI的合成途径的调控因子。研究发现17个属于簇1的基因在PI的合成通路中富集,包括9个甘油-3-磷酸酰基转移酶(GPAT),5个1-酰基甘油-3-磷酸酰基转移酶(AGPAT),2个磷脂酰基转移酶(CDS)和1个磷脂酰肌醇合成酶(PIS)的编码基因。

由于“Nut”和“Apple”在果实发育早期阶段具有相似的转录模式(图4B),因此作者只对N2-N5组进行基因表达分析。

代谢组学分享,从图5A可看出,在以上的17个基因中,大部分基因在“Nut”发育过程中逐渐上调,表明它们参与了PI合成。此外,研究者还鉴定簇1的一个基因(anoc .0013 s0182),这个基因能够编码转录因子WRKY11,而这个转录因子与PI含量密切相关。进一步的分析也表明(图5B),GPAT和AGPAT的编码基因与WRKY11具有很强的共表达。作者还检测了GPAT和AGPAT的编码基因的启动子区域,确定了W-box的存在,表明WRKY11可能参调控PI的合成。

 

图5. “Nut”PI生物合成基因的表达模式及调控转录因子的鉴定。(A)“Nut”PI生物合成相关结构基因在5个发育时期的表达,基因的表达水平采用Z-score标准化;(B)通过注释的WRKY11与结构基因之间的相关性构建网络,每个基因对的加权Pearson相关系数值用实线(正)和虚线(负)表示。

鉴定调控蔗糖代谢的潜在基因和转录因子

蔗糖等可溶性总固体(Total Soluble Solid, TSS)是果实成熟的关键指标。代谢组分析结果显示,成熟的“Apple”中最主要的成分——蔗糖(在簇2代谢物中)在腰果树果实成熟过程中逐渐积累。基于此,作者研究了参与蔗糖代谢途径的潜在的关键基因,在簇2的基因中检测到15个与蔗糖代谢和淀粉水解相关的关键基因(包括4个蔗糖双向转运蛋白基因(SWEETS)、2个转移酶基因(INVS)、3个蔗糖合成酶基因(SUSS)、1个果糖激酶基因(Frk)、1个己糖激酶基因(HXK)、1个蔗糖磷酸酶基因(SPP)和3个β-淀粉酶基因(BAM))。从图6A可以看出,这15个基因在果实发育过程中均逐渐上调,尤其是在成熟阶段高度上调。

此外,作者从基因簇2中鉴定出19个与蔗糖代谢密切相关的转录因子(包括4个MYB,2个WRKY,2个乙烯响应因子(ERF)、1个热激转录因子(HSF)和7个与器官发育相关的转录因子),这些转录因子均与上文参与蔗糖代谢的15个基因高度相关(图S6)。在这19个转录因子中,有三个转录因子被注释为WRKY、ERF和MYB(anoc .0207 s0003、anoc .0002 s0035、anoc .0004 s1381)(图S5),从图6B可以看出,它们的表达随着果实的成熟而显著升高。代谢组学分享,通过构建并可视化这三个转录因子介导的潜在调控网络(图6C),进一步证明这三个转录因子与蔗糖相关基因之间存在高度的连通性,表明它们可能在蔗糖代谢和果实成熟过程中发挥作用。

 

图6. “Apple”蔗糖代谢基因的表达模式及调控转录因子的鉴定。(A)“Apple”5个发育时期蔗糖代谢相关结构基因的表达模式,基因的表达水平采用Z - score标准化;(B)鉴定转录因子的表达模式;(C) 3个鉴定的转录因子(MYB、ERF、WRKY)与蔗糖代谢基因的共表达网络分析,每个基因对的加权Pearson相关系数值用实线(正)和虚线(负)表示。SPP:蔗糖磷酸酶;SWEET:双向糖转运蛋白;SUS:蔗糖合成酶;INV:转化酶;FRK:果糖激酶;HXK,己糖激酶;BAM:β -淀粉酶。

4.百趣代谢组学分享—总结

本研究基于UHPLC-Q-Exactive-MS的非靶实验,检测到“Nut”有1137个代谢物,这些代谢物中,脂质可分为5大类,而最主要的脂类是FAs和GPs。代谢组学分享,除了探讨了某些特定脂质在发育过程的代谢变化外,作者从PI是GPs的主要成分为切入点,结合转录组的数据,通过分析相同变化趋势的代谢物和基因的聚类簇,发现17个参与PI合成的基因,还确定了能够潜在调控PI合成的转录因子WRKY11。

基于UHPLC-QTRAP-MS/MS(MRM)的广靶分析,本研究检测到“Apple”有567个代谢物,TSS是果实成熟的关键指标,作者从成熟的“Apple”最主要的成分——蔗糖为切入点,结合转录组数据,通过分析相同变化趋势的代谢物和基因的聚类簇,揭示了与糖合成相关的15个代谢基因和19个转录因子。

总体而言,该研究在腰果树果实的发育研究中,引入了代谢网络相关的新视角,为进一步研究腰果育种提供了宝贵的资源。

 

图7. 图形概要。

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.luyixian.cn/news_show_71846.aspx

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系dt猫网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

matplotlib学习笔记(持续更新中…)

目录 1. 安装,导入 2. figure,axes(图形,坐标图形) 2.1 figure对象 2.2 axes对象 2.3 代码演示 2.3 subplot() 方法 3. 图表的导出 3.1 savefig() 方法 3.2 代码演示 1. 安装,导入 pip install m…

关于数字化营销技术实现之【数据埋点】

1.如何实现数据埋点?小程序数据埋点是指在小程序中收集用户行为数据和业务数据的一种技术手段,以便对用户行为和业务运营进行分析和优化。下面是一些实现小程序数据埋点的方法:使用小程序统计分析工具:小程序平台提供了统计分析工…

大数据周会-本周学习内容总结0102

目录 01、ElasticSearch-学习总结 02、SpringbootElasticSearch构建博客检索系统 01、将MySQL数据同步到ES中 02、SpringBoot集成ES 03、本周学习计划 第一次周会 大数据总监、搜狐四年-中国搜索 【mapReduce】sql 大数据代表:Hadoop、spark、es、flink zookee…

Python字符串处理 -- 内附蓝桥题:门牌制作,卡片

字符串处理 ~~不定时更新🎃,上次更新:2023/02/20 🗡常用函数(方法) 1. s.count(str) --> 计算字符串 s 中有多少个 str 举个栗子🌰 s "1354111" print(s.count(1)) # 答案为…

Java-路径总和

每日一题 Java-路径总和 给你二叉树的根节点 root 和一个表示目标和的整数 targetSum 。判断该树中是否存在 根节点到叶子节点 的路径,这条路径上所有节点值相加等于目标和 targetSum 。如果存在,返回 true ;否则,返回 false 。…

Pyspark基础入门4_RDD转换算子

Pyspark 注:大家觉得博客好的话,别忘了点赞收藏呀,本人每周都会更新关于人工智能和大数据相关的内容,内容多为原创,Python Java Scala SQL 代码,CV NLP 推荐系统等,Spark Flink Kafka Hbase Hi…

Head First设计模式---2.观察者模式

观察者(Observer)模式,是一种行为型设计模式,允许你定义一种订阅机制,可以在对象事件发生时通知更多个“观察”该对象的其他对象,类似于“订阅—通知” 问题 假如你有两种类型的对象,顾客和商…

将默认安装的 WSL2 迁移至指定目录

将默认安装的 WSL2 迁移至指定目录WSL2 默认安装在 C 盘下,系统盘空间有限,推荐更改安装目录。 1. 默认安装的 WSL2 目录 C:\Users\cheng\AppData\Local\Packages\CanonicalGroupLimited.Ubuntu20.04onWindows_79rhkp1fndgsc\LocalState\ext4.vhdx 2. …

运筹系列65:TSP问题的精确求解法概述

1. 给定upbound的Christofides方法 这是可以给出上界的一个方法,可以证明构造出的路线不超过最优路线的1.5倍。步骤为: 1)构造MST(最小生成树) 2)将里面的奇点连接起来构成欧拉回路称为完美匹配。Edmonds给…

Docker--------Day2

1.Docker镜像 1.1 是什么 镜像 是一种轻量级、可执行的独立软件包,它包含运行某个软件所需的所有内容,我们把应用程序和配置依赖打包好形成一个可交付的运行环境(包括代码、运行时需要的库、环境变量和配置文件等),这个打包好的运行环境就是…

盘点2023年大企业都在用的优秀项目管理软件

行内有句话:每个成功的项目背后肯定有一个成功的项目经理,而每个项目经理背后都少不了一些专业的项目管理工具。要在任何项目中取得成功,对项目进行全面的管理非常关键,包括项目的执行、计划、推进、监控、结果等,有了…

[架构之路-114]-《软考-系统架构设计师》-软件架构设计-7-软件架构评估

前言第7节 软件架构评估7.1 什么是架构评估/为什么要软件架构评估在软硬件系统总体架构设计完成之后,为保证架构设计的合理性、完整性和针对性,从根本上保证系统质量,降低成本及投资风险,需要对总体架构进行评估。7.2 软件架构评估…

rk3568网口CAN串口通信速率性能

通信接口性能参数外设接口性能参数测试结果为实验室实测值,可作为设计参考,但因测试环境和器件批次差异,可能会存在一定的误差,且测试结果依赖评估板性能,核心板搭配不同底板性能也可能存在差异,请结合实际…

OpenEuler安装软件方法

在树莓派上烧录好OpenEuler后上面是什么软件都没有的,像一些gcc的环境都需要自己进行配置。官方提供的安装命令是yum,但是执行yum是找不到命令的:   这个其实是因为OpenEuler中默认的安装软件使用了dnf而不是yum,所以软件的安装…

《Python机器学习》安装anaconda + numpy使用示例

👂 小宇(治愈版) - 刘大拿 - 单曲 - 网易云音乐 目录 一,安装 二,Numpy使用示例 (一)Numpy数组的创建和访问 1,创建和访问Numpy的一维数组和二维数组 2,Numpy数组…

可调恒流驱动LED电路分析

https://www.icxbk.com/article/detail?aid884 常规使用的pwm调亮度不仅会导致频闪,而且在长时间使用的时候,有损坏led的风险,所以这次设计了一个恒流调亮度电路,其电路图如下所示 电路原理的解读: 左侧的电位计起着…

Eclipse各版本安装Tomcat插件全攻略

Eclipse Tomcat 插件的作用 Eclipse Tomcat 插件可以将Tomcat 集成到Eclipse中,插件安装之后在Eclipse中可以看到类似下面的几个图标: Eclipse Tomcat 插件的主要作用有: 在Eclipse 中可以直接启动,关闭和重启本机的Tomcat可以…

电容的参数-详细描述

贴片电容 如同如所示,MLCC(Multi-layer Ceramic Capacitors),外形很好区分。 实际内部结构 使用的还是平行板电容器原理,只是这个是叠层结构;电解电容是卷起来的圆柱状; 容值: …

Ubuntu22.04设置独显用于深度学习运算,核显用于屏幕显示

目录摘要主板bios设置第一步:切换prime-select第二步:关机重启,并将显示器接口插到主板上第三步:设置PRIME Profiles为NVIDIA On-Demand模式注意事项参考文献摘要 目前有需求配置台式机win11Ubuntu的双系统,安装双系统…

linux线程的基本知识

这里用的是Linux的pthread线程库,需要加pthread线程库。 线程的创建 第一个参数是线程id的地址。第二个参数是线程属性,一般为NULL。第三个是要执行的函数。第四个是函数的参数,一般也为NULL 线程的等待,第一个参数是线程的id,第…