甜橙转录组的基因共表达中，揭示了机械上不同的糖/酸比相关基因

编辑|小魏档案

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肉质水果含有各种糖和有机酸，这是改善味道和风味等感官特征的最重要考虑因素之一。水果的甜度由糖和酸的含量及其比例决定。

水果中的主要糖分包括蔗糖、葡萄糖和果糖，苹果酸和柠檬酸盐是水果中有机酸的两种主要类型。

尽管编码参与糖或酸代谢的酶的基因长期以来一直被提出用于控制果实糖或酸水平，但迄今为止密集的分子生物学研究仅导致两个酸代谢相关基因在控制果实酸度方面的证明。

为了确定负责控制水果甜度的其他基因，许多遗传、分子和转录组学研究都集中在更年期水果和非更年期水果中糖和酸的运输、储存和降解。

最近的遗传证据揭示了苹果酸转运蛋白MdMa10，生化未知的CmPH基因和MdMYB转录因子在控制苹果或甜瓜果实酸度方面的重要作用。

其他遗传位点尚未克隆，对于与糖和/或酸水平相关的许多其他基因，它们在控制水果甜度方面的功能仍有待令人信服的遗传证据证明。

令人惊讶的是，很少有研究检查糖/酸的比例。在数学上，糖/酸比可以通过单独改变糖或酸水平或以相反的方向改变糖和酸水平来确定。

最近的一项遗传研究表明，番茄果实中苹果酸脱氢酶基因MDH2的反义抑制增加了苹果酸水平，但也导致可溶性糖含量降低，从而大大提高了糖/酸比。

因此，即使是糖和酸水平在相反方向上的轻微变化也可能导致糖/酸比的显著变化。

糖和酸代谢之间的这种紧密联系导致了糖/酸比只能被视为评估消费者对水果甜度感知的主观参数，而不是园艺特征的论点。

然而，一项涉及常规甜瓜品种及其酸性甜瓜育种系的遗传分析结果表明，控制糖含量、酸含量和糖/酸比的不同遗传变异。

因此，检查与糖/酸比相关的基因或遗传变异有可能促进鉴定参与控制水果甜度的其他调节基因。

在这项研究中，我们使用柑橘作为模型来重新分析我们小组最近发表的水果转录组数据。柑橘是世界上最大的新鲜水果和果汁产业之一。

有可能用作经济上重要的树果模式生物，以研究非更年期水果的发育。柑橘具有相对较小的基因组大小，并且已经为各种柑橘品种或品种开发了有效的遗传转化技术。

在我们之前的研究中，我们使用四种甜橙确定了总共39个与水果酸度密切相关的基因，从无酸到低酸和正常酸，它们在I期含有相似的酸度，但在II期表现出不同的酸度。

虽然这些品种最初是为酸相关的转录组学研究而设计的，但我们发现它们表现出不同的糖/酸比例。

由于没有针对专门参与控制水果糖/酸比的基因的转录组学研究，我们相信对这些数据的重新分析将提供重要的见解。

为此，我们已经确定了总共72个与糖/酸比密切相关的基因，但其中大多数与糖或酸含量无关。

自从我们首次报告使用系统生物学方法揭示柑橘宿主对最具建设性的疾病之一黄龙冰的攻击的反应以来。

基于基因共表达的方法已被我们和其他小组越来越多地用于进一步了解黄龙病发病机制和果实发育所涉及的基因网络或预测基因注释。

因此，在这项研究中，我们还使用网络方法对果实转录组数据进行分析，从而得出结论，这72个糖/酸比相关基因属于果实发育基因共表达网络的四个模块。

其中两个与糖和酸相关的网络模块没有重叠，我们的研究结果揭示了与膨胀果实中糖/酸比例控制独特相关的基因和共表达模块。

为了确定与甜橙果实中果实糖/酸比密切相关的候选基因，我们对之前报道的7430个品种中的任何一个在45至142DPA之间差异表达的14个基因的糖/酸比与表达水平进行了相关性研究。

结果，我们总共确定了0个基因，这些基因与糖/酸比显示出很强的相关性，Pcc=80.0或=-80.3，最小错误发现率为5.04E-1。

在这10个基因中，只有14个与糖/酸比呈负相关，而其他所有基因均呈正相关。相关性最强的三个基因是编码富含亮氨酸重复受体样丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的Cs14800g1。

预测编码苹果酸脱氢酶的Cs03610g7和未显示拟南芥同系物的Cs06285g0。

基于qPCR的93个基因表达结果表明，qPCR和RNA序列测量的基因表达水平高度相关，Pcc范围为0.99-0.001，p值为2。

这表明我们的RNA测序数据对于分析参与控制糖/酸比的基因是可靠的，基因本体分析和拟南芥基因同系物预测结果显示，11个糖酸比相关基因中有72个功能未知。

20个可能具有代谢功能，其余41个基因参与转运、信号传导、转录、降解、应激反应和发育等调控功能。

代谢GO类别中的20个基因编码多种参与代谢各个方面的酶，包括次级代谢、脂质代谢、蛋白质合成、原代碳代谢，和硫酸盐代谢。

特别值得注意的是，Cs3g24700与参与糖酵解的At5g42740编码的胞质葡萄糖-6-磷酸异构酶直系同源。

而糖/酸比相关性最强的基因Cs1g03610与拟南芥胞质-NAD依赖性苹果酸脱氢酶最密切相关，提高了苹果酸代谢和糖酵解在果实糖/酸比控制中的可能参与。

预计编码APS9在果糖和酸代谢中的作用尚不清楚。硫代谢与碳水化合物和氮状态交叉扰动的观察结果可能表明调节Cs27g28/APS9表达在感测或响应糖水平方面可能起作用。

与酸相关基因的情况一样，相当大比例的糖/酸比相关基因参与转运、转录或蛋白质降解。在转运类别的九个基因中，两个预计将在种子储存过程中的脂质转移中起作用。

Cs2g06990与核苷转运蛋白FUR1密切相关，而与ATP结合盒B21相似，后者参与生长素外排和流入。

Cs1g13320类似于外排型硼酸盐跨膜转运蛋白，Cs4g20090与钾通道蛋白KAT3密切相关，Cs9g18100预测编码环核苷酸门控通道。

Cs1g25820和Cs5g17210均与拟南芥金属离子转运蛋白表现出高度相似性。关于参与蛋白质降解的三个基因，其中两个是假定的半胱氨酸蛋白酶，另一个可能作为丝氨酸肽酶。

关于转录类别中的七个基因，它们属于不同的转录调节因子家族，例如F-box家族，WRKY家族，bHLH家族，串联锌家族，remornin样，LBD家族和ARR家族。

在拟南芥中，TTG2参与原花青素合成和细胞大小控制。ARR2已被证明对细胞分裂素和乙烯以及编码线粒体复合物I组分的核基因的表达起作用。

这三类蛋白质均未被证明参与糖或酸的合成，运输或反应的调节。糖/酸比相关基因也有两个GO类别，这些类别没有富集酸相关基因：信号传导和应激反应。

有趣的是，六个信号相关基因中有五个编码受体样激酶，如Cs1g01170/CRK8和Cs6g02710/WAKL1，剩下的一个是Cs3g07510/AHP5。

在拟南芥中，CRK8和CERK1已被证明在防御反应中起作用，CRK8的表达可能受到激素的调节。

AHP5是37种拟南芥组氨酸磷酸转移蛋白之一，具有作为细胞分裂素信号传导正调节因子的冗余功能。

关于应激反应的类别，四个基因中的三个参与生物胁迫反应，而第四个基因Cs32260g18/HSP2.预计将在非生物胁迫反应中起作用。

由于从数学上讲，糖/酸比可能受到单独糖水平变化的影响，单独使用酸或两者兼而有之，我们决定评估72个糖/酸比相关基因中的任何一个是否与39个酸相关基因重叠。

令人惊讶的是，使用维恩图的分析表明，酸和糖/酸比相关基因都没有重叠。然后，我们分析了糖/酸比例相关基因与糖相关基因之间的重叠程度。

令我们惊讶的是，在4166个差异表达基因中，有7430个与糖水平表现出很强的相关性，Pcc高于0.8或低于-0.8。

因此，我们使用更高的Pcc截止来预测糖相关基因，总共有1995个基因。比较这些1995年的基因和72个糖/酸比相关基因，发现只有三个基因与糖水平和糖/酸比密切相关。

另外九个糖/酸比相关基因也具有糖在0.8和0.9之间的Pcc。这表明大多数糖/酸比例相关基因与糖水平没有很强的相关性。

我们对糖，酸和糖/酸比相关基因的比较分析强烈表明，至少在这四个甜橙品种中，一个独特的基因子集可能参与控制水果糖/酸比，而独立于糖和酸积累。

为了揭示糖/酸比的控制是否涉及不同的基因共表达模块，我们分别将酸、糖和糖/酸相关基因的子集映射到我们先前工作中报告的基因共表达网络中存在的10个模块中。

结果表明：在1995个糖相关基因中，1975个属于绿松石模块，20个属于棕色模块;然而，糖/酸比例相关基因可以分为四个模块，蓝色，灰色，棕色和绿松石。

与酸相关基因模块相比，糖/酸比相关基因包含三个不同的模块，蓝色，棕色和灰色。综上所述，糖/酸比相关基因具有两个独特的模块，蓝色和灰色。

蓝色模块是最大的一个，包含1个糖/酸比基因中的36个，而灰色模块只有两个基因。因此，Blue模块可能表示用于控制水果糖/酸比的不同子网。

糖与有机酸的比例是肉质水果中的两种主要代谢物，被认为是水果甜度的最重要因素。

尽管糖和酸的积累已经被广泛研究，但植物是否进化出一种维持、感知或响应果实糖/酸比例的机制仍然是一个谜。

在之前的一项研究中，我们使用集成的系统生物学工具从四个甜橙品种的果实转录组中鉴定出一组39个酸相关基因，这些品种具有不同的水果酸度，Succari，Bingtang以及Newhall和Xinhui。

我们的比较转录组分析揭示了总共72个与水果糖/酸比高度相关的基因。然而，它们中很少与糖或酸含量相关。

这表明这些基因可能潜在地参与维持水果糖/酸比和/或响应细胞糖/酸比状态。预计这些糖/酸比例相关基因中的大多数参与调节功能，如转运、信号传导和转录或编码参与代谢的酶。

基因共表达网络分析结果表明，这些基因中有一半被组织成糖/酸比控制特有的两个调节模块。

我们对橙色转录组的分析为控制水果中糖/酸比的潜在新型遗传或分子机制提供了有趣的见解。