常规思路和顶刊思路，就差在这里！植物代谢组+转录组联合分析套路解析
生物过程具有复杂性和整体性，单一组学的数据难以系统全面地解析复杂生理过程的调控机制。转录和代谢联合分析可以同时实现从“因”和“果”两个层面来探究生物学问题，相互间进行验证，从海量的数据中筛选出关键基因、代谢物及代谢通路开展后续深入研究与应用。
针对研究中常说的“多组学分析”，如果对具体做什么和怎么做缺乏明确认知，无目的的流程化分析很难找到重要的结果。如何实现思路进阶，勇攀高分？本文科技君将从3个层次文章解析转录组与代谢组联合分析，供大家参考。
1、常规思路
表型差异 → 代谢组、转录组结果描述 → 联合分析确定关键通路或基因 → 体内、体外基因功能验证
发表期刊：Horticulture Research（IF=5.676）
研究方法：广泛靶向代谢组、转录组、体外体内验证（酵母杂交实验、转基因）
样本设计：表型差异的果实，红色桑葚（n=3）、黄色桑葚（n=3）、白色桑葚（n=3）
关键步骤：
1）关键表型确定：选择红、黄、白不同颜色桑葚果实；
2）代谢组、转录组结果展示：3个不同品种花青素和黄酮合成代谢过程具有显著差异；
3）联合分析：多组学联合分析确定黄酮代谢通路，筛选关键调控基因MYBA, TT2L1, TT2L2, bHLH3, GL3, TTG1,MYBF和MYB4；
4）基因功能验证：采用酵母杂交、双荧光素酶报告等验证实验，证实桑葚中存在MBW转录复合体能够调控果实中花青素和黄酮类化合物的合成，且bHLH3的差异表达改变了黄酮类化合物代谢平衡，导致桑葚具备不同颜色特征。
主要结论：采用3种不同颜色特征桑葚果实为材料，结合代谢组和转录组分析，确定了不同果实之间黄酮类成分及其含量差异是造成桑葚颜色差异的物质基础。基于黄酮代谢相关的转录因子功能分析，发现MBW转录复合体通过激活和反馈机制调节黄酮类化合物的合成和稳态来影响桑葚颜色变化，阐明桑葚着色差异形成分子机制。
图1 桑树不同品种间果实颜色差异的分子机制
2、进阶思路
群体样本 → 转录组SNP分型 → 代谢组特征分析 → 差异代谢物、基因印证分析 → 种群遗传代谢多样性阐述
发表期刊：Nature Communications（IF=12.121）
研究方法：转录组、非靶向代谢组
样本设计：转录组136个茶种（n=3）；代谢组136个茶种（n=5）
关键步骤：
1）茶树种群样本收集：不同茶种（大叶种C. sinensis var. assamica (CSA)、小叶种C. sinensis var. sinensis (CSS)和杂交衍生品种）、不同产区（云南、福建、浙江）136个代表性茶树；
2）转录组分析：通过深度转录组测序鉴定到925,854个高质量的单核苷酸多态性（SNP），将我国茶树自然群体分为5个进化种群，并且每个种群具有其特异分子标记，发现不同进化种群之间在典型茶代谢物合成基因（儿茶素合成基因LAR、咖啡因合成基因TCS等）上发现了标志性SNP；
3）代谢组分析：通过代谢物聚类分析发现代谢物（表儿茶素没食子酸酯ECG、茶氨酸、咖啡因等）含量在各个种群中有显著差异，并且首次发现各种群具有各自的特征代谢物，比如CSA茶种具有比较高水平的类黄酮化合物，包括黄烷醇、黄酮醇单/双糖苷、原花青素二聚体以及酚酸，这些代谢物不仅决定茶的风味而且是制备不同类型成品茶叶的分子基础；
4）联合分析：从转录水平上分析不同种群特征代谢物表达量差异，阐述特异代谢物变化由基因表达水平和转录后调控共同作用。
主要结论：通过对我国136份具有代表性的茶树种质的转录和代谢组学数据的分析，将其划分为5个系统发育类群/群体，鉴定了8000多个可用于标记辅助育种的多态标记，探讨了其代谢物组成和基因表达的动态变化，并鉴定了几十种在一组茶树材料中积累而未在其它类群中大量积累的特征代谢产物。结果表明，不同茶树种群和种质中存在着较高水平的代谢物多样性，为进一步研究茶树的调控机制和指导茶树改良分子育种提供了理论依据。
图2 我国136个代表性茶树品种的地理起源和系统发育关系
3、顶刊思路
群体样本 → 转录组、代谢物组联合分析 → 功能基因/代谢物定位分析 → 确定候选基因或代谢物 → 代谢通路和基因功能验证 → 重要性状/表型分子机制阐述
发表期刊：Nature Genetics（IF=27.603）
研究方法：转录组、非靶向代谢组、eQTL、mQTL分析
样本设计：580个渐渗系番茄破色期与成熟期样本
关键步骤：
1）多组学数据分析：通过转录组数据构建1296个连锁块（Bin）遗传图谱，结合破色期、成熟期番茄代谢组和成熟期灰霉病抗性得分，构建了包含基因作为-基因表达-代谢产物-抗病性互作和调控关系网络；
2）重要代谢物/基因筛选：通过整合基因组-转录物-代谢物-表型QTL分析，确定并揭示了番茄果实中生物碱α-番茄碱在果实发育和成熟过程中被转化为七叶皂甙和番茄苷；包括α-番茄碱羟基化酶（GAME31），以及一个介导乙酰氧基-羟基番茄碱形成七叶皂苷的尿苷二磷酸糖基转移酶家族成员（GAME5）；
3）番茄灰霉病抗性分析：转录和代谢物相关网络分析发现灰霉病菌易感性相关网络群落包括99个转录本和7个代谢物，通过代谢组分析发现泛酸能够抑制灰霉病菌生长，且筛选到3个抗性候选基因ACO5，ACD2和4CL-Like。
主要结论：利用野生番茄品种和现代栽培品种番茄构建了番茄群体样本。通过对580个系的转录组和代谢组分析，结合病原体敏感性分析，确定了与数百个转录本和代谢产物水平相关的基因组位点。并鉴定了茄碱途径的组成部分，以及参与病原体防御的基因和代谢物，将真菌抗性与果实成熟调控网络的变化关联。该研究阐明番茄果实成熟过程中的代谢和病原菌抗性机制，为研究关键果实品质性状提供了依据。
图3 野生番茄种间基因代谢物渗入的多模式研究
综合以上三个案例，通过丰富群体样本、探索遗传进化中性状差异机制、关键基因位点验证等步骤，完善研究思路，可以实现从常规、进阶到顶刊思路的提升。其中，发现并验证核心基因是关键，在这个关键步骤中，可以结合多组学手段（表型-代谢物-基因）锁定候选基因，运用多种验证方式解释重要基因功能。
通过转录组与代谢组联合分析，既能得到大量差异表达基因和调控代谢通路，又可以通过代谢物将基因与表型进行关联分析，从多个层面解析关键的代谢通路或基因，全面地研究生物分子功能和调控机制。
华大基因服务优势
华大基因为生命科学研究机构提供优质的技术服务和综合的全流程解决方案，业务网络覆盖全球，致力成为全球生命科学研究机构的首选科技服务商。
☑ 一流的技术平台：遍布全球的专业实验室，国际领先的仪器平台，丰富灵活的分析服务和优质的技术支持。
☑ 一站式多组学服务：提供基因组、转录组、蛋白质组以及代谢组等多组学服务和解决方案，满足多样化需求。
☑ 丰富的项目经验：参与多个⼤型国际国内科研合作项⽬，发表⽂章篇数1600+，影响因子合计7300+，并在CNS三大主刊发文。
参考文献：
1. Li, Han, et al. "Abnormal expression of bHLH3 disrupts a flavonoid homeostasis network, causing differences in pigment composition among mulberry fruits." Horticulture Research 7.1 (2020): 1-19.
2. Yu, Xiaomin, et al. "Metabolite signatures of diverse Camellia sinensis tea populations." Nature Communications 11.1 (2020): 1-14.
3. Szymański, Jędrzej, et al. "Analysis of wild tomato introgression lines elucidates the genetic basis of transcriptome and metabolome variation underlying fruit traits and pathogen response." Nature Genetics 52.10 (2020): 1111-1121.
近期热文
“华大科技服务”服务号已开通，下方扫码即可关注~
科技君将持续为您提供精彩内容
如有问题，欢迎后台留言~~
▼
点击“阅读原文”了解华大多组学产品