Meta-analysis of transcriptome reveals key genes relating to oil quality in olive
- 作者
- AliAkbar Asadi, Vahid Shariati, Soraya Mousavi, Roberto Mariotti, Mehdi Hosseini Mazinani
- 单位
- National Institute of Genetic Engineering and Biotechnology (NIGEB); Institute of Biosciences and Bioresources, National Research Council
- 杂志
- BMC Genomics（2023）
- DOI
- 10.1186/s12864-023-09673-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
橄榄油品质受基因型和环境等多种因素影响，传统的育种周期长，需要快速鉴定与油品质相关的关键基因和代谢通路，以缩短品种筛选时间并提高油品质。
研究策略
对公共数据库中橄榄转录组RNA-seq数据进行meta分析，整合多个独立实验的差异表达基因，通过通路富集和与已知油合成基因对比，鉴定与油品质相关的关键基因和代谢通路。
核心内容
本研究对公共数据库中的39个橄榄转录组实验进行meta分析，最终筛选出4个理想实验，系统整合了多个独立研究的差异表达基因数据。通过比较三组样本，分别鉴定出1472、5175和1034个差异表达基因，其中新基因数量为155、473和241个，IDR指数介于9.14至23.13之间，显示出良好的统计功效和可重复性。通路富集分析揭示半乳糖代谢、糖酵解、丙酮酸代谢、脂肪酸生物合成、甘油酯代谢和萜类骨架生物合成等关键代谢通路。研究进一步鉴定出多个与油品质密切相关的关键酶，包括棉子糖合酶、肌醇半乳糖苷合酶、磷酸葡萄糖变位酶、丙酮酸激酶、乙酰辅酶A羧化酶、脂肪酸合酶复合体、硬脂酰-ACP脱饱和酶、FAD2以及DGAT等。在拟南芥中验证发现，磷酸葡萄糖变位酶突变体的油含量较野生型降低约40%，证实该基因对油脂积累具有重要调控作用。这些发现为橄榄油品质改良提供了新的基因靶点，有助于加速标记辅助育种进程，并为基因组编辑策略提供了理论依据。
创新点
1. 采用meta分析整合多个橄榄转录组数据，提高了差异表达基因检测的统计功效和可重复性；2. 鉴定出若干在以往独立研究中未被发现的新基因；3. 系统地将关键基因按脂肪酸生物合成循环分组，并构建了油品质相关代谢通路的基因列表，为标记辅助育种和基因组编辑提供了候选靶点。
研究对象（40）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 橄榄（Olea europaea） | 半乳糖代谢 (oeu00052) | Raffinose synthase | Raffinose synthase | 催化 | EC 2.4.1.82，将半乳糖基从肌醇半乳糖苷转移至蔗糖合成棉子糖 |
| 橄榄（Olea europaea） | 半乳糖代谢 (oeu00052) | Galactinol synthase | Galactinol synthase | 催化 | EC 2.4.1.123，催化UDP-半乳糖生成肌醇半乳糖苷 |
| 橄榄（Olea europaea） | 半乳糖代谢 (oeu00052) | UDP-glucose epimerase | UDP-glucose epimerase | 催化 | EC 5.1.3.2，将UDP-葡萄糖转化为UDP-半乳糖 |
| 橄榄（Olea europaea） | 半乳糖代谢 (oeu00052) | Alpha-galactosidase | Alpha-galactosidase | 催化 | EC 3.2.1.22，水解棉子糖等低聚糖释放半乳糖和葡萄糖 |
| 橄榄（Olea europaea） | 糖酵解/糖异生 (oeu00010) | Phosphoglucomutase | Phosphoglucomutase | 催化 | EC 5.4.2.2，催化葡萄糖-1-磷酸与葡萄糖-6-磷酸互变，影响油含量 |
| 橄榄（Olea europaea） | 糖酵解/糖异生 (oeu00010) | 6-phosphofructokinase | 6-phosphofructokinase | 催化 | EC 2.7.1.90 / 2.7.1.11，糖酵解关键酶 |
| 橄榄（Olea europaea） | 糖酵解/糖异生 (oeu00010) | Fructose-bisphosphate aldolase | Fructose-bisphosphate aldolase | 催化 | EC 4.1.2.13，生成磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸，与油生物合成相关 |
| 橄榄（Olea europaea） | 糖酵解/糖异生 (oeu00010) | Triose-phosphate isomerase | Triose-phosphate isomerase | 催化 | EC 5.3.1.1，催化磷酸二羟丙酮与甘油醛-3-磷酸互变 |
| 橄榄（Olea europaea） | 糖酵解/糖异生 (oeu00010) | Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase | Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase | 催化 | EC 1.2.1.12，糖酵解关键酶 |
| 橄榄（Olea europaea） | 糖酵解/糖异生 (oeu00010) | Phosphoglycerate mutase | Phosphoglycerate mutase | 催化 | EC 5.4.2.11 / 5.4.2.12，催化3-磷酸甘油酸转化为2-磷酸甘油酸 |
| 橄榄（Olea europaea） | 糖酵解/糖异生 (oeu00010) | Pyruvate kinase | Pyruvate kinase | 催化 | EC 2.7.1.40，催化磷酸烯醇丙酮酸生成丙酮酸 |
| 橄榄（Olea europaea） | 丙酮酸代谢 (oeu00620) | Pyruvate dehydrogenase beta subunit | Pyruvate dehydrogenase beta subunit (pdhB) | 催化 | EC 1.2.4.1，丙酮酸脱氢酶复合体E1β亚基 |
| 橄榄（Olea europaea） | 丙酮酸代谢 (oeu00620) | Pyruvate dehydrogenase (pdhC) | Pyruvate dehydrogenase E2 subunit (pdhC) | 催化 | EC 2.3.1.12，二氢硫辛酰胺乙酰转移酶 |
| 橄榄（Olea europaea） | 丙酮酸代谢 (oeu00620) | Pyruvate decarboxylase | Pyruvate decarboxylase | 催化 | EC 4.1.1.1，催化丙酮酸脱羧为乙醛 |
| 橄榄（Olea europaea） | 丙酮酸代谢 (oeu00620) | Alcohol dehydrogenase | Alcohol dehydrogenase | 催化 | EC 1.1.1.2，将乙醛还原为乙醇 |
| 橄榄（Olea europaea） | 丙酮酸代谢 (oeu00620) | Aldehyde dehydrogenase | Aldehyde dehydrogenase | 催化 | EC 1.2.1.3，将乙醛氧化为乙酸 |
| 橄榄（Olea europaea） | 丙酮酸代谢 (oeu00620) | Acetyl-CoA synthetase | Acetyl-CoA synthetase | 催化 | EC 6.2.1.1，从乙酸合成乙酰-CoA |
| 橄榄（Olea europaea） | 丙酮酸代谢 (oeu00620) | Phosphoenol pyruvate carboxylase | Phosphoenol pyruvate carboxylase | 催化 | EC 4.1.1.31，催化草酰乙酸生成磷酸烯醇丙酮酸 |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸生物合成 (oeu00061) | Acetyl-CoA carboxylase | Acetyl-CoA carboxylase (ACCase) | 催化 | EC 6.4.1.2，催化乙酰-CoA生成丙二酰-CoA，脂肪酸合成限速酶 |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸生物合成 (oeu00061) | FabH | beta-ketoacyl-ACP synthase III (KAS III) | 催化 | EC 2.3.1.180，催化脂肪酸合成起始缩合 |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸生物合成 (oeu00061) | FabF | beta-ketoacyl-ACP synthase II (KAS II) | 催化 | EC 2.3.1.179，决定C16/C18比例 |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸生物合成 (oeu00061) | FabG | beta-ketoacyl-ACP reductase (KAR) | 催化 | EC 1.1.1.100，脂肪酸延长步骤 |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸生物合成 (oeu00061) | FabI | enoyl-ACP reductase (ENR) | 催化 | EC 1.3.1.9 / 1.3.1.10，脂肪酸延长最后还原步骤 |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸生物合成 (oeu00061) | Stearoyl-ACP desaturase | Stearoyl-ACP 9-desaturase (SAD) | 催化 | EC 1.14.19.2，将硬脂酰-ACP转化为油酰-ACP |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸生物合成 (oeu00061) | Fatty acyl-ACP thioesterase A | Fatty acyl-ACP thioesterase A (FATA) | 催化 | EC 3.1.2.14，从酰基-ACP释放游离脂肪酸 |
| 橄榄（Olea europaea） | 不饱和脂肪酸生物合成 (oeu01040) | Fatty acid desaturase 2 | Fatty acid desaturase 2 (FAD2) | 催化 | EC 1.14.19.6 / 1.14.19.22，催化油酸生成亚油酸 |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸降解 (oeu00071) | Long-chain acyl-CoA synthetase | Long-chain acyl-CoA synthetase (LACS) | 催化 | EC 6.2.1.3，激活长链脂肪酸为酰基-CoA |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸降解 (oeu00071) | Acyl-CoA oxidase | Acyl-CoA oxidase | 催化 | EC 1.3.3.6，过氧化物酶体β-氧化第一步 |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸降解 (oeu00071) | Enoyl-CoA hydratase | Enoyl-CoA hydratase (ECHS) | 催化 | EC 4.2.1.17，β-氧化第二步 |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸降解 (oeu00071) | Beta-hydroxyacyl dehydrogenase | Beta-hydroxyacyl dehydrogenase (HADH) | 催化 | EC 1.1.1.35，β-氧化第三步 |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸降解 (oeu00071) | Long-chain-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase | Long-chain-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase (LCHAD) | 催化 | EC 1.1.1.211，长链β-氧化 |
| 橄榄（Olea europaea） | 脂肪酸降解 (oeu00071) | Acetyl-CoA acyltransferase | Acetyl-CoA acyltransferase (fadA) | 催化 | EC 2.3.1.16，β-氧化最后一步硫解 |
| 橄榄（Olea europaea） | 甘油酯代谢 (oeu00561) | Glycerol kinase | Glycerol kinase | 催化 | EC 2.7.1.30，催化甘油生成3-磷酸甘油 |
| 橄榄（Olea europaea） | 甘油酯代谢 (oeu00561) | Lysophosphatidic acid acyltransferase | Lysophosphatidic acid acyltransferase | 催化 | EC 2.3.1.51，催化溶血磷脂酸生成磷脂酸 |
| 橄榄（Olea europaea） | 甘油酯代谢 (oeu00561) | Phosphatidate phosphatase | Phosphatidate phosphatase | 催化 | EC 3.1.3.4，催化磷脂酸生成二酰甘油 |
| 橄榄（Olea europaea） | 甘油酯代谢 (oeu00561) | Diacylglycerol kinase | Diacylglycerol kinase | 催化 | EC 2.7.1.107，催化二酰甘油生成磷脂酸 |
| 橄榄（Olea europaea） | 甘油酯代谢 (oeu00561) | Phospholipid:diacylglycerol acyltransferase | Phospholipid:diacylglycerol acyltransferase (PDAT) | 催化 | EC 2.3.1.158，不依赖脂肪酸的TAG合成途径 |
| 橄榄（Olea europaea） | 甘油酯代谢 (oeu00561) | Diacylglycerol acyltransferase | Diglyceride acyltransferase (DGAT) | 催化 | EC 2.3.1.20，依赖脂肪酸的TAG合成途径 |
| 橄榄（Olea europaea） | 甘油酯代谢 (oeu00561) | Acylglycerol lipase | Acylglycerol lipase | 催化 | EC 3.1.1.23，催化单酰甘油分解为甘油和游离脂肪酸 |
| 橄榄（Olea europaea） | 萜类骨架生物合成 (oeu00900) | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase (DXS) | 催化 | MEP途径第一个酶 |
关键发现
- 从39个橄榄转录组实验中筛选出4个理想实验进行meta分析。比较S1 vs S2（C1）鉴定出1472个差异表达基因（DEGs），其中155个为新基因
- S1 vs S3（C2）鉴定出5175个DEGs，其中473个为新基因
- S2 vs S3（C3）鉴定出1034个DEGs，其中241个为新基因。IDR指数分别为10.53、9.14和23.13，显示meta分析具有良好功效。关键通路包括半乳糖代谢、糖酵解、丙酮酸代谢、脂肪酸生物合成、甘油酯代谢和萜类骨架生物合成。鉴定到多种关键酶，如raffinose synthase、galactinol synthase、phosphoglucomutase、pyruvate kinase、acetyl-CoA carboxylase、FabH/FabF/FabG/FabI、stearoyl-ACP desaturase（SAD）、fatty acid desaturase 2（FAD2）、lysophosphatidic acid acyltransferase、phosphatidate phosphatase、PDAT和DGAT等。在拟南芥中，磷酸葡萄糖变位酶突变体的油含量相对野生型降低约40%。此外，油酸含量可达83%，表明橄榄油是优质脂肪来源。
研究结论
通过meta分析鉴定出橄榄油品质相关的关键基因和代谢通路，这些结果有助于开发基因特异性标记，缩短橄榄育种中的品种筛选时间，并为基因组编辑提供新的靶点。