多組學(xué)聯(lián)合分析在植物生長發(fā)育研究中的應(yīng)用

　　摘要：植物的生長和發(fā)育過程中往往受到遺傳因素和環(huán)境因素共同作用，多組學(xué)聯(lián)合分析可拓展分析廣度，從而多方面論證假設(shè)。介紹了植物生長發(fā)育研究中常見的幾種組學(xué)技術(shù)，具體分析了多組學(xué)在植物各個器官發(fā)育中的應(yīng)用，并討論了組學(xué)分析對預(yù)測植物表型精確度的情況。

　　關(guān)鍵詞：多組學(xué)分析;器官生長發(fā)育;激素信號調(diào)控;綜述

　　多組學(xué)技術(shù)(Multi-Omics)是一種結(jié)合2種或2種以上組學(xué)的研究方法，如將基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組等各組學(xué)的數(shù)據(jù)加以整合，關(guān)聯(lián)分析并深入挖掘其生物學(xué)意義。隨著高通量測序技術(shù)和系統(tǒng)生物學(xué)的迅速發(fā)展，多組學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為生命科學(xué)領(lǐng)域不可或缺的研究手段[1-2]。植物生長發(fā)育過程中，細胞在轉(zhuǎn)錄、翻譯和代謝水平上的變化都可以用高通量測序技術(shù)定性和定量的檢測出來。因此，多組學(xué)聯(lián)合分析可以從不同的維度更好地闡明細胞生命過程，獲取植物生長發(fā)育從細胞到個體水平的動態(tài)變化情況，進而研究植物生長發(fā)育復(fù)雜機制，提高育種的效率和準確性。該文主要介紹了幾種常用于植物生長發(fā)育領(lǐng)域的組學(xué)技術(shù)，并綜述了多組學(xué)聯(lián)合分析在植物生長發(fā)育中的應(yīng)用，以便進一步了解目前多組學(xué)研究在植物生長發(fā)育方向的進展，為后續(xù)研究指明方向。

　　1幾種常用于植物生長發(fā)育研究組學(xué)技術(shù)原理

　　1.1轉(zhuǎn)錄組學(xué)

　　轉(zhuǎn)錄組是特定類型的細胞、組織、器官或發(fā)育階段的細胞群內(nèi)轉(zhuǎn)錄出來的所有RNA的總和，主要包括mRNA和非編碼RNA[3-5]。真核生物mRNA在3′端具有poly-A尾，根據(jù)堿基A和T互補配對原理，通過Oligo(dt)磁珠可富集出特定組織或細胞在某個特定時空條件下轉(zhuǎn)錄出來的所有mRNA序列和豐度信息[6]。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的拼接結(jié)果可用于新基因的預(yù)測和新轉(zhuǎn)錄本的分析，尋找植物的重要性狀或表型的關(guān)鍵調(diào)控基因。例如通過轉(zhuǎn)錄組測序分析甜柿，其中“Nantong-xiaofangshi”株高明顯比“Kanshu”矮，分析2個品種同一組織時期的差異表達基因，找到相關(guān)的矮化基因，輔以嫁接試驗驗證，發(fā)現(xiàn)“Nantong-xiaofangshi”通過影響嫁接穗中生長素和赤霉素代謝活力和相關(guān)基因的表達，改變激素水平從而產(chǎn)生矮化表型[7]。

　　轉(zhuǎn)錄組信息對于解讀基因組功能元件、細胞及組織中分子組成是必需的，對研究植物生長發(fā)育具有重要作用。例如，番茄是研究果實發(fā)育的重要模型，而大多數(shù)關(guān)于番茄果實生長和成熟的研究都是基于果皮，對于內(nèi)部組織或單個細胞和組織類型的表達研究較少，Shinozaki等[8]通過激光顯微切割和轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)合研究，得到了番茄果實個體發(fā)育時空表達圖譜以及調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)基因網(wǎng)絡(luò)，闡明了與果實品質(zhì)性狀相關(guān)的調(diào)節(jié)途徑。Yang等[9]通過對栽培種“ZO”(一種膨大莖的溫帶蓮)和“RL”(一種匍匐莖的熱帶蓮)根狀莖的3個發(fā)育階段的轉(zhuǎn)錄組分析，找到22個誘導(dǎo)根狀莖膨大的候選基因，為后續(xù)試驗驗證提供了方向，并縮小了范圍。

　　上述通過轉(zhuǎn)錄組信息發(fā)現(xiàn)部分基因表達調(diào)控改變植物整體特征的案例，有助于研究植物生長發(fā)育及其精細的調(diào)控機制。

　　1.2蛋白質(zhì)組學(xué)

　　蛋白質(zhì)組學(xué)是對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的系統(tǒng)研究，包括細胞內(nèi)蛋白質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其特異功能模式等內(nèi)容，涉及的關(guān)鍵技術(shù)有質(zhì)譜分析、X射線晶體學(xué)、核磁共振和凝膠電泳等。1994年Wikins等[10]提出，與基因組的穩(wěn)定性不同，在植物的不同生長發(fā)育階段蛋白質(zhì)組的表達存在較大差異，并具有組織特異性。蛋白質(zhì)組是由有機體或者系統(tǒng)產(chǎn)生的整套蛋白質(zhì)，伴隨細胞或有機體的不同要求而變化[11]。過去，常用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析基因的特異表達與植物表型的關(guān)系，但是并不是所有被檢測出來的mRNA都會被翻譯為蛋白質(zhì)，而且mRNA和蛋白質(zhì)之間未顯示有絕對的相關(guān)性[12]。很多蛋白質(zhì)在翻譯后會產(chǎn)生不同的化學(xué)修飾，如甲基化、乙酰化、磷酸化、糖基化修飾等。這些化學(xué)修飾使得機體蛋白質(zhì)的存在形式復(fù)雜多樣。因此，在轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)未呈現(xiàn)差異的情況下，mRNA翻譯的過程中，不同時期、不同組織的細胞中會分化出功能不一致的蛋白質(zhì)，從而形成復(fù)雜的生命體。Hou等[13]通過研究大規(guī)模磷酸化修飾對蛋白質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)激酶的調(diào)控最終表現(xiàn)為植物的生長。

　　1.3代謝組學(xué)

　　代謝組學(xué)的研究對象是生命活動所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，是基因組下游的產(chǎn)物，可更直觀地展示生物體內(nèi)真實發(fā)生的物質(zhì)代謝過程，將生命活動過程以代謝物的動態(tài)變化形式展示出來。代謝物組則是一個生物體中細胞、組織、器官所有的代謝產(chǎn)物的集合，這些代謝物是此生物體基因表達的最終產(chǎn)物[14]。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和蛋白組數(shù)據(jù)的分析無法解釋細胞內(nèi)的復(fù)雜調(diào)控活動時，代謝物分析可以獲得該細胞生理學(xué)的瞬時快照，可以實時定量地反映細胞或組織器官內(nèi)正在發(fā)生的代謝過程。目前，主要的代謝組技術(shù)有靶向代謝組、非靶向代謝組和廣泛靶向代謝組等，可根據(jù)試驗?zāi)康膫€性化地選擇所需技術(shù)。代謝組學(xué)經(jīng)常與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)等聯(lián)合，以研究重要代謝物的合成途徑、基因的差異表達以及靶向的特定蛋白。也有單獨利用代謝組數(shù)據(jù)鑒定重要代謝物在植物組織器官中的合成途徑，例如通過靶向代謝組測定枇杷果皮和果肉中類胡蘿卜素，發(fā)現(xiàn)果皮和果肉中的類胡蘿卜素含量差異很大，且這種差異與果肉和果皮的顏色相關(guān)[15]。

　　2多組學(xué)聯(lián)合分析在植物生長發(fā)育研究中的應(yīng)用

　　針對不同研究目的和物種特殊性，主要有以下幾種有效的組合方式。

　　(1)基因組denovo(從頭測序)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組：通過denovo測序可以獲得物種的全基因組序列圖譜，結(jié)合提取不同組織的RNA樣本測序，深入研究植物的發(fā)育狀態(tài)、基因的差異表達等生物學(xué)問題，二者相互補充和驗證。Zhang等[2]測定了同源四倍體陸地棉GossypiumhirsutumL.acc.，并且組裝了各亞基因組遺傳圖譜，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)重排和基因缺失情況在A亞基因組中更常見，選擇和馴化的基因組特征與A亞基因組中纖維改善的正調(diào)控基因以及D亞基因組中的脅迫耐受性基因相關(guān)。

　　(2)表觀組和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析：表觀組研究的是在核酸序列不變的情況下基因的表達、調(diào)控和性狀發(fā)生的可遺傳變化，在此基礎(chǔ)上結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)可以直觀地解釋表觀遺傳和基因表達變化的分子機制和生物學(xué)意義。

　　(3)轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)或代謝組聯(lián)合分析;研究

　　植物在生長發(fā)育過程中如何協(xié)調(diào)和傳遞大量的內(nèi)源營養(yǎng)信號以及外界生物脅迫和非生物脅迫信號，多組學(xué)數(shù)據(jù)將植物生長發(fā)育過程中的基因表達、蛋白調(diào)控、代謝物合成定量地展示出來，更精準地解決生物學(xué)問題。

　　2.1組學(xué)聯(lián)合分析在植物生殖器官研究中的應(yīng)用

　　花、果實和種子是植物主要的生殖器官，在生長和發(fā)育過程中受到遺傳因素、環(huán)境因素等多方面的影響，調(diào)控機制復(fù)雜，結(jié)合多組學(xué)數(shù)據(jù)，可以更好地闡明這些生殖器官發(fā)育的分子機理。例如，對于種子生長發(fā)育的研究，Aguilar-Hernández等[16]通過泛素化組學(xué)探究了光條件改變時種子萌發(fā)相關(guān)的泛素化的變化;Wei等[17]以來源于29個國家的705份芝麻的全基因組測序數(shù)據(jù)為研究對象，比對發(fā)現(xiàn)SiPPO基因發(fā)生了很多無義突變和小結(jié)構(gòu)突變，其中100份材料中均攜帶SiPPO先祖等位基因，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)SiPPO基因在種子發(fā)育的11~20d顯著表達，研究還表明該基因不僅控制種皮顏色而且影響種子油分含量。

　　對花器官發(fā)育而言，植物激素是影響花器官形態(tài)發(fā)生的關(guān)鍵因子。Liu等[18]通過轉(zhuǎn)錄組和激素檢測，研究不同發(fā)育時期花朵植物激素組成，關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)后完善了番荔枝花的發(fā)育機理?；ò晷螒B(tài)也是人們重點關(guān)注的內(nèi)容，Yang等[19]通過比較蘭花野生型和多花瓣突變體材料的mRNA和miRNA表達譜，鑒定了多花瓣形態(tài)發(fā)生的相關(guān)基因，并明確了其主要途徑;研究表明29個MADS-box基因以及大量與花相關(guān)的調(diào)控因子和激素應(yīng)答基因可作為調(diào)節(jié)蘭花多花瓣發(fā)生的候選基因;mRNA和miRNA綜合分析表明2種基于轉(zhuǎn)錄因子和miRNA的遺傳途徑有助于形成多花瓣發(fā)育發(fā)生，已確定miR156/SPL和miR167/ARF調(diào)節(jié)模式參與了生殖器官發(fā)育，而miR319/TCP4-miR396/GRF可能參與了調(diào)節(jié)蘭花多花瓣發(fā)生。

　　多組學(xué)聯(lián)合分析在研究植物果實生長發(fā)育時應(yīng)用較多，例如通過基因組與轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析探究柑橘類水果成熟機制。以甜橙為例，對其進行denovo測序，得到較高質(zhì)量的甜橙全基因組草圖，揭示了甜橙的物種起源模式，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)解析了甜橙富含維生素C的分子機制，為柑橘屬果實的品質(zhì)改良提供了重要參考[20]。對于呼吸躍變型代表性果實，Zhu等[21]為了綜合評估育種如何改變番茄代謝組，分析了包含數(shù)百種番茄基因型的基因組、轉(zhuǎn)錄組和代謝組的數(shù)據(jù)集，總結(jié)了全球范圍內(nèi)培育番茄代謝物的含量變化精細圖譜，為育種家們對果實品質(zhì)的定向改良提供有力的參考。草莓作為非呼吸躍變型果實的代表，其發(fā)育和成熟涉及復(fù)雜的生理和生化變化。Baldi等[22]通過轉(zhuǎn)錄和廣泛靶向代謝組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，鑒定了從果實生長到發(fā)育成熟階段的幾個基因以及幾種重要代謝過程;例如類黃酮、苯丙素、支鏈氨基酸等協(xié)調(diào)發(fā)生的情況，進一步研究發(fā)現(xiàn)在果實發(fā)育早期，黃酮類通路的基因激活導(dǎo)致花青素和單寧產(chǎn)生，而在果實成熟期，花青素是黃酮類通路活化的主要產(chǎn)物。該研究關(guān)聯(lián)了非呼吸躍變型植物在果實發(fā)育過程中的代謝物變化與基因表達，對定向改良果實品質(zhì)具有一定借鑒。

　　2.2組學(xué)聯(lián)合分析在植物營養(yǎng)器官研究中的應(yīng)用

　　根、莖、葉是植物主要的營養(yǎng)組織，在植物的整個生長發(fā)育階段都十分重要。根分生組織和葉原基細胞通過增殖快速生長和分化出新的器官，這一過程涉及多個生理途徑[23-24]，例如ABA(AbscisicAcid)途徑、MAPK(Mitogen-activatedproteinkinase)途徑、TOR(TargetofRapamycin)途徑、SOS(SaltOverlySensitive)途徑等。然而，僅僅采用分子實驗很難將這些生理途徑的內(nèi)在調(diào)控機制研究清楚，因此利用多組學(xué)的技術(shù)測定植物激素含量，結(jié)合蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)關(guān)聯(lián)分析，實時測定植物細胞在接受特定環(huán)境信號時誘導(dǎo)產(chǎn)生的激素水平，如光可直接作用于SAM維護和葉原基活化，是生長素和細胞分裂素激活信號[25-26]，與葉器官形成和開花過渡[27-29]相關(guān)。植物激素在細胞分裂與伸長、組織與器官分化、開花與結(jié)實、成熟與衰老、休眠與萌發(fā)、維持干細胞庫[30-33]及離體組織培養(yǎng)等方面，分別或相互協(xié)調(diào)地調(diào)控植物的生長發(fā)育與分化[34-39]。

　　Wang等[40]為了闡明玉米基部區(qū)域(BZ)和中間區(qū)域(MZ)節(jié)間抵抗能力的強度差異的原因，通過系統(tǒng)分析表型、代謝組和轉(zhuǎn)錄組的差異，發(fā)現(xiàn)BZ具有較高的維管束密度但尺寸較小，而MZ上調(diào)的代謝物和基因主要參與木質(zhì)素合成以及次級代謝物合成。Lin等[41]通過代謝和蛋白聯(lián)合分析探索了發(fā)育時期水稻節(jié)間細胞壁蛋白水平及下游代謝調(diào)控機制，發(fā)現(xiàn)蛋白水平改變與常規(guī)根等部位發(fā)育有所差別，主要與次生代謝物調(diào)控功能相關(guān)，類別有苯基烷類和黃酮類合成，與蛋白水平調(diào)控一致。

　　3展望

　　近年來，學(xué)者們采用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)來預(yù)測植物表型，例如Frisch等[42-43]嘗試使用基于轉(zhuǎn)錄組的距離(TBD)譜來預(yù)測玉米中的雜種表現(xiàn)和雜種優(yōu)勢，并得出轉(zhuǎn)錄組學(xué)預(yù)測比基因組預(yù)測更精確的結(jié)論。除轉(zhuǎn)錄組外，代謝組也可用于預(yù)測，它比轉(zhuǎn)錄組更接近表型[44-46]。而且Xu等[46]比較了6種不同預(yù)測模型的基因組、轉(zhuǎn)錄組和代謝組關(guān)聯(lián)分析的可預(yù)測性，結(jié)果表明，與基因組相比，具有來自親代代謝物的加性和顯性效應(yīng)在預(yù)測雜交稻方面獲得幾乎2倍于產(chǎn)量的顯著改善。因此，對于多組學(xué)數(shù)據(jù)的分析，模型的選擇十分關(guān)鍵，最優(yōu)擬合數(shù)據(jù)真實情況可以更準確的預(yù)測植株表型，將多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析在植物生長發(fā)育上的結(jié)果應(yīng)用于精準育種，提高育種效率，是該方向的重要任務(wù)。

　　隨著組學(xué)測序技術(shù)在動植物研究中的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)量與日俱增，生物學(xué)的研究進入了組學(xué)的時代。中心法則是生命最基本的遺傳規(guī)律，它揭示遺傳信息在DNA、RNA和蛋白質(zhì)間的傳遞方式。多組學(xué)研究就是為了更好地研究生物學(xué)問題，進一步探索生命科學(xué)的神秘性。在植物領(lǐng)域，組學(xué)技術(shù)可在傳統(tǒng)育種的基礎(chǔ)上進行預(yù)測、初篩、定位，大大縮短了育種家種質(zhì)改良的時間，并且對于植物抗病性研究也大有幫助。通過組學(xué)關(guān)聯(lián)分析可以更快將抗病或感病的基因縮小范圍，從而找到具有最優(yōu)遺傳力和配合率的親本，培育優(yōu)良性狀的品種。但是組學(xué)數(shù)據(jù)分析仍然面臨較大挑戰(zhàn)，如何更好地關(guān)聯(lián)各組學(xué)的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中挖掘更多有用信息，是該領(lǐng)域需要持續(xù)不斷去探索的問題。

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