项目文章Environ Sci Technol | 环境领域顶刊！广州大学转录+代谢联合揭示盐度调控青鳉鱼砷甜菜碱合成

从转录层面，利用RNA-seq探索基因的差异表达；从代谢层面，利用非靶代谢组或靶向代谢组验证基因产物表达情况，是分子挖掘的常用策略，也是大多数科研老师迈入分子机制研究的入门组学。因此，“转录组+代谢组”的研究模式在种质资源鉴定、物质合成、抗逆胁迫、器官发育等领域的机理研究中比比皆是。 在如此常规组学下，如何再开展深入研究，发表领域Top期刊？除选题新颖外，数据的个性化挖掘也极为重要，关键点在转录组和代谢组数据的“串联”，使基因转录信息和基因表达产物关联起来，形成因果关系。常用“串联”方式分为两种：①分子丰度串联：注重从基因丰度和代谢物丰度的变化趋势和规律上建立关联。常见相关性分析、O2PLS-DA分析、WGCNA分析、四九象限图分析等；②代谢途径串联：注重从基因和代谢物行驶的生物功能建立关联。常见KEGG功能富集分析，关注差异基因和代谢物共同富集到的代谢途径或基因与代谢物富集途径间有因果关联。 今天小编与大家分享一篇本月刚发表在环境领域顶刊《Environmental Science & Technology》的客户文章，来自广州大学张伟教授和中国科学院南海海洋研究所郭云学研究员团队，利用“转录组+代谢组”探索水盐度如何调控青鳉鱼肌肉内砷甜菜碱（AsB）的合成。本文中，中科新生命承接转录组、非靶代谢组检测和数据分析工作。在数据挖掘阶段更注重上述中的②进行组学数据连接，接下来看下这篇研究如何进行的吧。


  砷（As）是环境中天然存在的毒性和致癌性最强的物质之一。研究表明，As可通过河流输入、大气沉降、含As氧化铁的解吸等途径进入海洋生态系统。海洋鱼类具备将剧毒（As(V)）转化为微毒砷甜菜碱（AsB）的能力，该能力可能与盐度调节有关，而其具体的调控机制仍不清晰。本文旨在利用“转录组+代谢组”研究：①盐度对青鳉鱼中AsB生物积累的影响；②阐明As(V)胁迫下盐度调节AsB生物合成机制。


  将青鳉鱼在0、10、20、30‰盐度水中进行驯化，驯化完成后使其暴露于As(V)环境下30天，取鳃、肝脏、肠道、头部和肌肉样本。As(V)暴露组为实验组（T），正常环境为对照组（C）。最终获得0T、10T、20T、30T、0C、10C、20C、30C，共8个组别，每组3个生物学重复。


  步骤1：生理指标检测发现随盐度升高，可增加青鳉鱼中总As和AsB的生物积累，尤其是肌肉和头部组织； 步骤2：转录组检测发现，盐度可调节细胞膜系统，影响As和AsB的生物积累； 步骤3：代谢组检测发现，盐度可通过氨基酸及其衍生物和能量代谢过程，调节细胞渗透； 步骤4：转录组+代谢组结合发现，盐度可通过氨基酸及其衍生物和能量代谢过程，调节细胞渗透，影响膜系统，促进高盐环境下总As和AsB的积累。
    1. 盐度不仅增加青鳉鱼中总砷的积累，还刺激肌肉和头部组织中AsB的生物积累 为研究盐度对As在青鳉鱼体内生物积累和转化的影响，取在0、10、20、30‰盐度环境且As(v) 暴露30天的青鳉鱼鳃、肝、肠、头和肌肉组织进行总砷含量和AsB浓度测量，发现高盐度（30‰）对总砷的积累具有关键作用。同时，除0‰外，在所有盐度下AsB在肌肉和头部组织中大量积累，且新积累的AsB浓度随着盐度的升高而增加。 图1 青鳉鱼鱼鳃、肝脏、肠道、头部和肌肉组织在不同盐浓度下，不同As暴露下总As和不同As种类含量变化   2. 盐度可通过调节肌肉组织内的膜系统转录过程完成对外源As胁迫的响应 为深入探索盐度可通过哪些生物途径的异常表达实现总As和AsB积累，对肌肉组织进行转录组测序。按照log2(fold change)＞1，p_value＜0.05为阈值筛选差异表达基因，并对其进行GO富集分析，发现在低盐环境下（20T-vs-20C、10T-vs-10C、0T-vs-0C），差异基因主要与细胞膜成分和细胞骨架蛋白有关。高盐浓度下（30T-vs-30C），主要与氧化还原酶活性有关。 图2 0T-vs-0C、10T-vs-10C、20T-vs-20C、30T-vs-30C差异基因GO富集 不同盐度下As暴露（30T-vs-0T、30T-vs-10T、30T-vs-20T）诱导的差异基因主要与膜运输系统相关。由于膜运输系统在海洋生物对As的吸收中具有关键作用，可将As(V)转化为AsB。因此，综合得出：低盐环境下，青鳉鱼肌肉中积累的渗透物耗损，同时As(V)暴露诱导细胞结构损伤，阻碍细胞转运体吸收As(V)和合成AsB的能力。盐度升高对青鳉鱼的膜组分损害较小，对As(V)的跨膜运输影响有限，使得总砷和AsB的生物积累升高。 图3 30T-vs-0T、30T-vs-20T、30T-vs-10T差异基因GO富集   3. 代谢组结果表明，盐度诱导细胞氨基酸合成和能量代谢过程而影响AsB合成 为揭示不同盐度条件下，As暴露对青鳉鱼肌肉中基因产物的调控过程，对肌肉组织进行非靶代谢组检测。根据VIP≥1且p＜0.05为阈值筛选差异表达代谢物并进行KEGG富集，发现低盐度As胁迫下，青鳉鱼的渗透胁迫和能量代谢发生紊乱。在高盐度下（30T-vs-30C），上述代谢途径未出现显著富集。由于氨基酸合成，能量代谢等途径与维持细胞内与环境的渗透平衡有关，结合先前观测结果，青鳉鱼肌肉中AsB浓度和比例随水盐度上升（0‰至30‰）而显著上升，为盐度对AsB生物合成的影响提供了直接证据，表明AsB的生物合成与盐度波动诱导的渗透调节有关。 图4 AS暴露不同盐度下共有差异代谢物及也有差异代谢物种类和丰度分析   4. 转录组+代谢组结果整体揭示盐度通过改变渗透调节影响AsB的生物合成 为全面了解盐度如何影响AsB的生物合成？对差异代谢物种类和含量分析，发现与0T、10T、20T相比，部分氨基酸及其类似物、TCA循环相关代谢物在30T组中的含量更低。相关分析表明，AsB浓度与氨基酸及类似物之间呈负相关。暗示，随着水盐度的增加，细胞内渗透调节与环境的不平衡是驱动海洋鱼类合成AsB的关键因素。低盐度促使氨基酸积累维持渗透平衡，而高盐度（30‰）触发AsB合成维持渗透平衡。 图5 差异代谢物之间以及与不同As种类含量相关性分析 结合转录组数据提示的“膜运输系统”会受到高盐度影响导致牛磺酸和甜菜碱水平下降以及相关研究中阐明的，该两种物质含量降低会直接影响氨基酸的合成，并且氨基酸合成对能量代谢和TCA循环具有关键作用。最终得出：青鳉鱼可在低盐度下合成氨基酸，高盐度下合成AsB来调节肌肉组织细胞的渗透调节以响应外界盐度变化，进而阐明了高盐度下青鳉鱼中总砷和AsB的积累机制。 图6 转录组+代谢组揭示盐度对青鳉鱼中总As和AsB生物积累的生物调节示意图


  在数据挖掘过程中，差异基因筛选时放宽了筛选阈值（log2(fold change)＞1，p_value＜0.05），为后续GO富集寻找到“细胞膜系统”奠定基础。组学数据关联时，更贴合生物功能去挖掘基因转录信息和基因表达产物间的关联，但又不同于常用的差异表达基因和差异代谢物KEGG共有通路，而是聚焦从GO富集中寻找与转录过程有关的“细胞膜系统”，以及从KEGG富集中筛选代谢过程影响的“细胞渗透调节”建立关联，实现逻辑的完美闭环，给老师点赞！ 同时，本文采用“干湿结合”的方式，既有湿实验发现盐度变化确实可调节青鳉鱼体内总砷（As）和砷甜菜碱（AsB）的生物积累，又结合组学详细描绘盐度调节的具体机制，并引入多篇文献对组学结果进行充分论证，可谓是有理有据，层层论证。

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