3分钟吃透转录组+蛋白质组+代谢组学高分期刊核心机制

        近日，河南农业大学殷冬梅教授团队与上海交通大学韦朝春教授团队携手合作，在Plant Communications期刊上发表了题为“PeanutOmics:A comprehensive platform with integrative multi-omics atlas for peanut research”的研究论文。

        该研究系统绘制了花生全生育期22个组织的转录组、蛋白质组及代谢组全景式多组学图谱，并成功打造了花生多组学数据平台PeanutOmics。这项成果为阐明花生生长发育的分子机制、发掘关键功能基因资源提供了全新的研究工具，将有效加快花生分子育种的进程，为保障全球油料作物安全筑牢重要支撑。

文章题目：PeanutOmics: A comprehensive platform with integrative multi-omics atlas for peanut research

中文题目：花生组学数据库（PeanutOmics）：一个整合多组学图谱的花生研究综合平台

期刊名称：Plant Communications

影响因子：11.6

发表单位：河南农业大学殷冬梅教授团队与上海交通大学韦朝春教授团队等

研究方法：4D-label free蛋白质组学、转录组和植物广靶等

        研究成功绘制花生22个组织的多组学图谱，转录组检测到53,030个表达基因，蛋白质组鉴定出12,826个独特基因，代谢组发现2,035种代谢物，同时新增2147个基因编码的2185种新型蛋白质及274个微蛋白，极大丰富了花生蛋白质数据库。明确WDR13、TANGO、RPP13等关键基因在发育与抗逆中的核心作用；第8号染色体上的DEF3和DEF1基因分别编码花生过敏原13和12，DEF3受青枯菌诱导后可增强抗病性。针对花生特有果针发育过程，揭示IAA-ARF家族的激素信号传导调控作用，构建核心网络。将基因分为四类，营养与生殖转录组共享34222个基因，四类共共享9255个，转录组特异性基因数量远多于蛋白质组，且不同类型特异性基因功能富集于异黄酮合成、昼夜节律调控等不同通路。

图1 22个花生组织的多组学图谱

         研究者结合转录组与蛋白质组学证据，显著扩展了花生NDH108品种的蛋白质资源库，通过质谱鉴定出2147个基因编码的2185种新型蛋白质，这些新型编码事件在各组织中分布为491-1310个/组织，以j、k、m类为主要类型。j类基因在转录组和蛋白质组水平表达量均显著高于其他类型，且在所有组织中表达稳定，功能富集于鞘脂代谢、O-葡聚糖生物合成等通路；k类基因参与蛋白质输出、染色质重塑等过程，其中TANGO基因存在3’UTR延伸，青枯菌感染24小时后表达显著升高，可能参与抗病反应；m类基因与硫胺素代谢、核糖体生物发生相关。此外，还鉴定出121个基因间区（u 类）蛋白，其中抗病相关的RPP13样蛋白仅在雄蕊和花瓣中表达，且经3种不同肽段序列验证，补充了可变剪接等编码事件，完善了花生基因组注释。

图2 基于转录组与蛋白质组整合分析的花生编码蛋白基因注释优化

        通过蛋白质组学方法，在22种花生组织中鉴定出274个微蛋白基因，包括269个参考基因和5个新基因，长度介于66-100个氨基酸，在营养组织和生殖组织中均有表达且功能存在明显差异。生殖组织特异性微蛋白富集SLR1-BP、LEA蛋白等功能结构域，而营养组织特异性微蛋白无此类特征。关键发现为第8号染色体上相邻的DEF3和DEF1基因，二者分别编码花生过敏原13和12，在子叶中高表达；DEF3为该染色体特有，青枯菌感染后表达显著上调，过表达实验证实其可增强花生对青枯菌的抗性，DEF1则无此响应。此外，SLR1-BP、SLE2等微蛋白具有组织特异性表达模式，深度参与花生发育及抗逆过程。

图3 生殖组织与营养组织中微蛋白的鉴定与表征

         借助加权基因共表达网络分析（WGCNA），研究将基因聚类为24个具有明显组织特异性的共表达模块，如茎相关模块ME_lightcyan、根相关模块ME_cyan、果针相关模块ME_darkturquoise、种子相关模块ME_purple等。功能富集分析显示，不同模块关联特定代谢通路：茎模块富集异黄酮生物合成、脂肪酸延长等通路，根模块与黄酮类生物合成相关，果针模块涉及植物激素信号传导，种子模块聚焦脂肪酸代谢、糖酵解等通路。对种子发育15-60天的差异基因分析发现，45天时期脂肪酸代谢、TCA循环等关键通路基因显著上调；同时鉴定出同源基因ADRC1与NDH16G09780存在表达失衡，ADRC1在60天子叶和胚中转录组与蛋白质组水平均高表达，NDH16G09780仅转录组水平高表达，差异可能源于UTR区域分化，清晰展现花生组织发育的分子动态特征。

图4 不同组织和发育阶段中蛋白质组与转录组的时空动态特征

         代谢组检测共鉴定出2035种代谢物，其中雄蕊代谢物含量最高，子叶含量最低。果针作为花生地上生长向地下结果过渡的关键结构，其脂质、生物碱、氨基酸衍生物等代谢物显著上调。具有抗氧化/防御功能的异芒果醇酸与生长素信号相关基因IAA30、ARF2B呈强正相关，UGT85A24基因可能介导该代谢物的生物合成。通过多组学数据整合的关联网络分析，成功构建以ARF2、ARF4、ARF17为核心的IAA-ARF2B调控网络，深刻揭示了IAA和ARF基因家族在果针发育过程中激素信号传导及细胞生长中的关键调控作用，为解析花生地下结果机制提供了全新视角。

图5 果针组织的代谢组图谱与IAA-ARF调控网络

         为解决多组学数据共享与实际应用的难题，研究团队研发了用户友好的在线数据平台PeanutOmics（https://cgm.sjtu.edu.cn/PeanutOmics）。该平台全面整合基因组、转录组、蛋白质组及代谢组等多维度数据，具备丰富且实用的核心功能，包括基因结构可视化、表达谱分析、同源序列比对、蛋白质相互作用网络查询以及基于WGCNA模块的多组学关联网络分析等。平台操作便捷，科研人员可通过其快速锁定目标基因与代谢物，有效降低花生相关研究的入门门槛，显著加速功能基因的挖掘与验证步伐，为花生分子育种及相关基础研究提供了高效、全面的数据支撑。

图6. PeanutOmics 在线平台概览

        本研究构建了涵盖花生22个组织的全面多组学图谱，包括转录组、蛋白质组和代谢组，代表了植物发育过程中的主要器官。通过这种整合方法，作者鉴定出2147个基因编码的2185个新蛋白，显著丰富了花生蛋白质数据库。其中，j类新转录本数量最多，反映了花生基因组的复杂性，也凸显了持续完善基因组注释的必要性。还鉴定出274个微蛋白基因，拓展了花生蛋白质组的功能范围。利用WGCNA，作者鉴定出24个共表达模块，并揭示了营养组织与生殖组织之间的独特表达模式。在所有组织中检测到2035种代谢物，其中雄蕊的代谢物丰度最高，子叶最低。果针是荚果形成的关键组织，富含脂质、生物碱和萜类化合物。通路分析进一步强调了IAA和ARF家族在果针发育过程中激素信号传导和细胞生长中的重要性。为方便数据访问和分析，作者开发了在线平台PeanutOmics，整合了多组学数据与用户友好的分析工具。为基因功能、发育调控和胁迫响应提供了新的见解。