转录组和代谢组联合分析揭示棉花体细胞胚胎发生中转分化中嘌呤代谢和类黄酮合成的动态调节

摘要：

• 本研究采用广泛靶向的代谢组学和RNA测序相结合的方法，研究了棉花体细胞胚胎发生植株的动态代谢和转录谱.

1. 非胚性阶段愈伤组织（NEC）、原代胚胎发生细胞（PEC）和起始阶段球形胚胎（GE）中共有581种代谢物；
2. 在差异积累的代谢物（dams）中，核苷酸和脂质在胚性分化过程中特异积累，而黄酮和羟基肉桂酰衍生物则在体细胞胚发育过程中积累；
3. 与嘌呤代谢相关的代谢物在PEC和NEC中显著富集, 然而在GE和OEC中DAMs与类黄酮物质显著相关；
4. 代谢组和转录组数据的关联分析表明，基于kegg数据库嘌呤代谢和类黄酮生物合成是co-mapped;
5. 与信号识别、转录、应激和脂质结合相关的嘌呤代谢相关基因显著上调;
6. 一些典型的染色体胚胎发生（se）基因与其代谢产物高度相关，这些代谢产物参与嘌呤代谢和类黄酮生物合成。

• 这一研究鉴定了负责SE转分化的一系列可能的代谢产物和相应的基因，为分子和生化水平上深入了解细胞全能性的机制提供了有价值的基础。

Introduction

• 研究体细胞胚胎发生（SE）的意义
• SE研究进展；
• 代谢组介绍

1. 近年来，代谢组学引起了人们的广泛关注，主要是检测分子量小于1000da的内源性小分子，植物能产生20万到100万种代谢物，可分为初级代谢物和次级代谢物；
2. 代谢产物是生物体内受内外因素影响的基因转录和蛋白质表达的最终结果，在基因和表型之间形成一座桥梁，可以直接反映植物体内的生理现象。同时，代谢产物可以调节基因转录和蛋白质表达。作为细胞调节过程的最终产物，代谢物是大分子的组成部分，也是细胞能量途径的重要组成部分；
3. 代谢组学数据可以提供大量关于问题生化状态的信息，对这些数据的解释提供了一种有效的方法，可用于基因的功能表征；
4. 与基因组、转录组或蛋白质组相比，代谢组更准确地反映了有机体的表型，基因组和蛋白质组的微小变化可以通过代谢组反映和放大；
5. 代谢组学对研究SE过程的适用性已在许多植物属中得到证实；

• 转录组学和代谢组学

1. 转录组学和代谢组学等现代组学技术的结合提供了一个从分子和生化水平深入了解细胞全能性机制的绝佳机会；
2. 很少有研究使用转录组学和代谢组学技术来进行该项研究
3. 综合代谢组学和转录组学网络分析可以阐明一系列次级代谢产物的功能及其含量的变化，以及相应的差异表达基因，从而拓宽SE调节蛋白的全球视野。

• 本研究内容概述

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• 棉花体细胞胚胎诱导培养

  
  
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• 基于uplc-ms/ms的代谢组学定量分析及总代谢产物鉴定
  采用超高效液相色谱法（uplc）和串联质谱法（ms/ms）对棉花中nec、pec和ge的代谢产物动态变化进行了研究;

  
  
  

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• Pearson相关系数和PCA表明这些材料具有重复性;

  
  
  

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• 差异累积代谢物（DAMS）的鉴定
  PEC vs NEC, GE vs PEC, GE vs NEC (p<0.05)间的差异积累代谢物的定义标准是：倍性变化>2或倍性变化<0.5和VIP>1；

  
  
  

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火山图（Volcano plots）展示了两两比较中的显著差异

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层次聚类分析(hierarchical cluster analysis)评估DAM堆积模式

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不同组合的DAM中占比较大的组分

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不同组合的DAM中共性和特性

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• DAMs的功能注释和KEGG分析

  
  
  

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• 代谢组和转录组数据集的关联分析
  通过相互比较代谢组学和转录组学数据，在分子和生化水平上识别潜在的代谢产物和相应的差异表达基因。

• 棉花SE过程中DAMs和degs的kegg富集分析
  PEC vs NEC和GE vs PEC分别有96条和55条co-mapped pathway;
  胚胎发生分化过程中主要涉及了嘌呤代谢，体细胞胚胎发育过程中主要涉及了类黄酮生物合成;

• 棉花SE过程中DAMs和DEGs的相关分析
  选择pcc>0.8的DAMs和DEGs的log2转化数据，研究代谢物和基因的变化，绘制了nine quadrant diagrams

  
  
  

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具体九象限图的意义：

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• 棉花SE中DAMs和DEGs的相关网络分析
  结果表明，一些经典的SE相关基因与其参与嘌呤代谢和类黄酮生物合成的代谢产物高度相关，证实了嘌呤代谢在胚胎分化过程中的特殊重要性，以及体细胞胚胎发育过程中类黄酮的生物合成。转录组数据验证了代谢分析的真实性和准确性。

  
  
  

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Discussion

Conclusion

研究比较了棉花转分化过程、胚性分化和体细胞胚发育的动态代谢和转录谱

Reference：

Metabolome and Transcriptome Association AnalysisReveals Dynamic Regulation of Purine Metabolismand Flavonoid Synthesis in Transdifferentiation during Somatic Embryogenesis in Cotton. 2019, Int. J. Mol. Sci.

原文