转录组学和代谢组学联合研究珍珠牡蛎非同步生长现象的潜在机制

期刊：ScienceoftheTotalEnvironment

影响因子：5.

发表时间：.5.20

年5月，广东海洋大学在ScienceoftheTotalEnvironment上发表了一篇题为“IntegratedapplicationoftranscriptomicsandmetabolomicsprovidesinsightsintounsynchronizedgrowthinpearloysterPinctadafucatamartensii”的文章，基于代谢和转录水平上的变化进行关联比较了珍珠牡蛎-马氏珠母贝的快速和慢速生长群体之间的潜在差异机制，旨在识别和理解双壳类动物不同步生长分子代谢机制的关键途径。

1、海洋双壳类动物的不同步生长现象是农民生产养殖过程中面临的问题之一。

2、珍珠牡蛎-马氏珠母贝的不同步生长可能是内源性代谢水平差异造成的。

3、壳肉的内收肌是双壳软体动物的主要肌肉系统，相对血细胞和性腺组织更能代表一个有机体的生长。

1、日生长特性比较-表型统计：快速生长组和慢速生长组生长特性区分明显

在实验结束时，快速生长组的平均壳长，壳宽，壳高，总重量和壳重均显著高于慢生长组（图1）。

图1.快速增长组和慢速增长组的PinctadaFucataMartensii生长特性比较

（平均壳长，壳宽，壳高，总重量和壳重）

2、代谢组分析-代谢物差异富集分析：获得与不同生长性能相关的潜在代谢途径

代谢组PCA图显示快速和慢速生长组样本总体区分明显（图2A）；通过质谱匹配鉴定了总共种代谢物并分析获得30种差异代谢物（图3A）；其中，在快速生长组中有4种显著高于慢速生长组，26种则相对显著下调。

为了探索与不同生长性能相关的潜在代谢途径进行KEGG注释发现了20条途径，通过KEGG富集分析确定最相关的5条代谢途径为：谷胱甘肽代谢； 谢；缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成；甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢；还有色氨酸代谢（图3B）。

图2A代谢组PCA图

图3A：差异代谢物聚类热图；B：KEGG富集气泡图

3、转录组分析-差异基因富集分析：获得在不同生长组中差异表达基因富集的通路

转录组PCA图也显示了快速和慢速生长组的明显区分（图4A）；通过差异表达分析在两组之间总共确定了个差异基因(DEGs)；DEGs火山图显示快速生长组相对慢速生长组有上调和61个下调基因。差异基因的通路富集分析确定了DEGs中27条重要代谢通路的显著富集（图4C），其中“细胞外基质（ECM）-受体相互作用”、“ 戊糖途径”和“芳香化合物降解”最典型。

ECM-受体相互作用途径是信号传递的重要途径，软体动物壳基质蛋白中广泛存在ECM受体，表达量数据显示ECM受体在快速生长组中高表达；WGCNA分析揭示ECM相关蛋白作为网络的枢纽存在，共表达基因在参与壳形成的ECM受体互作途径中显著富集。

图4A：转录组PCA图；C：差异基因KEGG代谢途径富集分析气泡图

4、代谢组和转录组关联分析-Spearman相关系数：非同步生长途径网络概述

通过差异基因和差异代谢物的相关性热图展示了在快速生长和慢速生长的珍珠牡蛎群体之间发现的差异表达基因和代谢物的相关性概况，强相关性的基因-代谢物对可以直观获得。进一步将基因和代谢物及其差异整合在已获得的非同步生长途径中，即通过转录组和代谢组的综合分析提供了控制牡蛎生长性能的基因与代谢产物之间的全面概述-非同步生长途径概述（图6）。

①快速增长组的ECM-受体互作途径显著上调，介导细胞和ECM互作的整联蛋白相关基因（即XLOC_，Pma_，Pma_）在快速增长组中被上调，这表明细胞与ECM之间存在相互作用，细胞调节在矿物质形成中起关键作用。

②甘氨酸是海洋双壳类动物中常见的渗透压剂。缓慢生长组中甘氨酸含量显著降低，表明快速生长组具有响应环境中盐度变化的高渗透调节能力。

③慢速生长组中的 戊糖途径被激活与高表达的果糖-1,6-双 酶（Pma_）和葡萄糖酸内酯酶（Pma_和Pma_）导致大量NADPH累积促进谷胱甘肽再生。在代谢组分析中，该结果与慢速生长组的谷胱甘肽水平增加相吻合。因此，慢速生长的珍珠牡蛎在维持或从压力中恢复时消耗了相关的代谢能量，可能是因其对环境压力因素表现得更加敏感。

④喂食的微藻中有高浓度的肉豆蔻酸，而生长缓慢组中游离肉豆蔻酸的平均相对丰度低于快速生长组，这一结果反映了快速生长组群体个体可能表现出高脂消化性；低水平的缬氨酸表明快速增长组中的蛋白质分解代谢较低，或者快速增长组具有增强的蛋白代谢作用。因此，快速成长的群体表现出高消化能力和合成代谢能力。

图6.珍珠牡蛎在代谢组和转录组中富集的非同步生长途径概述

差异基因以红色（在快速生长组中高表达）或蓝色（在缓慢生长组中高表达）框显示；

差异代谢物以红色（在快速生长组中高表达）或蓝色（在慢速生长组中高表达）字体显示。

研究目的：研究珍珠牡蛎非同步生长现象，旨在识别和理解双壳类动物不同步生长分子代谢机制的关键途径。

研究结论：在代谢组学的差异代谢物和富集分析中确定了5条差异代谢途径。不同生长组的转录组分析结果显示差异表达基因参与了细胞外基质-受体相互作用、 戊糖途径和芳香族化合物降解。综合的转录组和代谢组学分析表明，快速增长的个体比慢速增长的群体表现出更高的生物矿化活性，而慢速增长的群体比快速增长的群体消耗更多的能量来应对环境压力。快生长组也比慢生长组具有更高的消化，合成代谢能力和渗透调节能力。

锦上添花：本研究利用转录组+代谢组关联从分子水平和代谢物水平两个维度上研究珍珠牡蛎的非同步生长差异机制，转录组学能够获得参与差异调控的基因，代谢组则获得了差异调控产生的代谢物含量变化，文章基于两者综合构建了重要代谢途径网络来概述非同步生长现象的原因。该研究目标在于对差异原因进行初步探索，但是针对获得的差异基因和代谢物没有进一步研究和讨论，这里可以基于已经明确的差异基因或代谢物进行表达量的验证或基于差异原因测量一些环境理化指标来丰富和完善验证体系。

往期精彩：

WESHARE

代谢组学无处不在——水产动物研究

代谢组学+微生物组学参与斑马鱼肠道炎症、氧化应激研究

组织学和代谢组学研究揭示脱氢孕酮暴露诱导斑马鱼排卵但导致卵母细胞过度成熟

多组学方法解析双酚A对斑马鱼授精后胚胎代谢的影响

文献解读

汕头大学龚燚团队揭示大闸蟹的抗病原菌机制

不同保鲜处理对罗非鱼鱼片在贮藏期间代谢物的影响

OneWeekOnePaper

河豚汤中“鲜”从何来？

-

邮箱：support

网址：