共表达网络分析揭示棕榈藤纤鞭生长动态调控模块
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共表达网络分析揭示棕榈藤纤鞭生长动态调控模块
王炯亮 赵韩生 高志民
( 国际竹藤中心 北京 １００１０２)
摘 要:棕榈藤是世界上仅次于树木与竹子的最重要非木森林资源ꎮ ２０１８ 年国际竹藤中心全球首次发布了
棕榈藤全基因组序列( 单叶省藤和黄藤) ꎬ极大促进了棕榈藤基因功能的研究ꎮ 基因共表达网络分析有助于
放使用ꎮ
关键词: 棕榈藤ꎻ 基因共表达网络分析ꎻ 纤鞭
ＤＯＩ: １０.１２１６８ / ｓｊｚｔｔｘ.２０２０.０４.０１４
棕榈藤属于棕榈科ꎬ 多年生常绿攀援类 植 物ꎬ
芥、 芥菜、 大豆 等 ９ 个 物 种 的 ＣＥＮ 数 据 集 的 数 据
个商业品种在热带地区被广泛种植ꎮ 棕榈藤每年可
功能基因比较分析ꎬ ＡｒａＮｅｔ ｖ２ 构建了提供 ２８ 个植
藤纤鞭生长 调 控 有 了 新 的 认 知ꎮ 最 后ꎬ 构 建 了 首 个 棕 榈 藤 组 学 在 线 数 据 库———Ｒａｔｔａｎ￣ＮＥＴ ( ｈｔｔｐ: / / ｒａｔｔａｎ.
ｂａｍｂｏｏｇｄｂ.ｏｒｇ / ) ꎬ 包含基因集富集、 模块富集、 网络比较和顺式作用元件等分析工具ꎬ 可供研究人员开
与 ＣＥＮ 的动态展示ꎮ ＧＢｒｏｗｓｅ 和 ＳｅｑｕｅｎｃｅＳｅｒｖｅｒ 用于
提供序列扫描和 ＢＬＡＳＴ ＋ 服务ꎮ
２ 结果和分析
２ １ ＣＥＮ 的构建和功能模块的鉴定
ＣＥＮ 分析
丙素生物合成通路的 ＰＡＬ、 Ｃ４Ｈ 和 ４ＣＬ 基因 ( 原文
个 Ｃ４Ｈ 基因、 ９ 个 ４ＣＬ 基因ꎬ 黄藤中有 １３ 个 ＰＡＬ 基
法ꎮ 在本研究中ꎬ 通过使用单叶省藤和黄藤的基因
了基因的覆盖率和模块的数量ꎬ 优化对基因的功能
注释ꎬ 在 ＣＥＮ 中鉴定了覆盖纤鞭不同发育阶段的功
能模块ꎬ 并使用基因家族分类、 同源基因注释、 顺
式作用元件分析和基因本体分析等工具对优化的基
能基因的强大工具ꎬ 可在多种条件下批量注释、 聚
因功 能 注 释 进 行 了 评 估ꎮ 此 外ꎬ 构 建 了 棕 榈 藤 的
在系统发育分析中ꎬ 使 用 ＭＵＳＣＬＥ ｖ３ ８ ３１ 在
取保守区序列ꎮ 使用 ｊＭｏｄｅｌｔｅｓｔ ｖ２ １ ６ 寻找最优的替
７５
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
ＢＥＳＴꎮ 最后ꎬ 使用 ＰｈｙＭＬ ｖ２０１２０４１２ 进行系统发育
棕榈藤基因 ３ ｋｂ 启动子区域时ꎬ 选择 Ｐ￣ｖａｌｕｅ< ０ ０５
Ｃｕｆｆｄｉｆｆ ｖ２ ２ １ 评估差异表达基因ꎮ 此外ꎬ 此研究使
１ ７ 捕 光 复 合 物 基 因 家 族 的 鉴 定 与 系 统 发 育
使用 Ｃｕｆｆｌｉｎｋｓ ｖ２ ２ １ 进 行 ＦＰＫＭ 值 的 计 算ꎬ 使 用
作者说明:本成果的文章作者参见 Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ ｉｎ Ｇｅｎｅｔｉｃｓ 杂志的原文作者ꎻ本文为王炯亮、赵韩生、高志民翻译整理ꎮ Ｅ－ ｍａｉｌ:
ｇａｏｚｈｉｍｉｎ＠ ｉｃｂｒ ａｃ ｃｎꎮ
７４
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类基因家族中分别有 １２ 个和 １４ 个类黄酮生物合成
藤和黄藤确定了符合单向 ＭＲ<３ ＋ 双向 ＭＲ≤３０ 条件
酮生物合成相关基因相比ꎬ 在单叶省藤和黄藤中分
个黄藤的纤鞭样本进行 ＣＥＮ 的构建ꎮ 分别在单叶省
相关的基因 ( 原文图 １Ｂ 与附表 Ｓ５) ꎬ 与发现的类黄
的 ６３０ ０８１ 和 ６７０ ５０２ 个基因对作为 ＣＥＮ 的边 ( 原
验和多重假设检验过程中被剔除ꎮ 然后ꎬ 使用模块
使用 个棕榈藤物种的基因功能注释进行
得的 ４ 个黄藤纤鞭组织的 ＲＮＡ 测序数据ꎬ 共使用了
进行注 释 优 化ꎻ 对 每 个 基 因 的 共 表 达 基 因 集 进 行
１００ ｂｐ 的双末端测序ꎮ 同时ꎬ 还收集了此前测序获
下载拟南芥的捕光复合物 ( ＬＨＣ) 基因序列ꎬ 作为
１ ３ ＣＥＮ 的构建
查询序列ꎬ 在单叶省藤、 黄藤和水稻基因序列组成
和互 相 排 序 ( ＭＲ) 整 合 在 一 起 用 于 ＣＥＮ 的 构 建
参数为 Ｅ￣ｖａｌｕｅ<１ｅ －５ ꎮ 相似性搜索的结果进一步使用
本研究采用的策略是将皮尔森相关系数 ( ＰＣＣ)
并使用 ＮａｎｏＤｒｏｐ ２０００ 分光光度计测定浓度和纯度ꎮ
黄藤中选定 ｋ ＝ ６ 和 ｋ ＝ ５ 作为 ＣＦｉｎｄｅｒ 的参数 ( 原文
ｍｉｎꎬ 以去 除 所 提 取 ＲＮＡ 中 残 余 的 ＤＮＡꎬ 之 后 将
具对模块进行功能注释ꎬ 不可靠的模块在 Ｆｉｓｈｅｒ 检
ＲＮＡ 在反转录系统下反转录成 ｃＤＮＡꎬ 并建库测序ꎮ
( 原文附图 Ｓ２) : １) 使用 ＦＰＫＭ 计算基因对之间的
的数据库中进行相似性搜索ꎮ 搜索工具为 ＢＬＡＳＴ ＋ ꎬ
ｐｆａｍｓｃａｎ ｐｌ 脚本进行检验ꎬ 提取该基因家族的编码
ＰＣＣ 值ꎬ 并过滤掉弱相关的基因对ꎬ 只保留强相关
序列ꎬ 用于后续分析ꎮ
对之间的 ＭＲ 值ꎬ 并提取高置信度的基因对ꎬ 剔除
１ 材料与方法
后ꎬ 本研究选定了单向 ＭＲ< ３ ＋ 双向 ＭＲ< ３０ 的基因
对作为 ＣＥＮꎮ
１ １ 样品收集与测序
１ ４ 功能模块的鉴定和基因注释优化
国林业科学研究院广州热带林业研究所 ( 原文附表
每个节点的密度ꎬ 进而在网络中鉴定模块ꎮ 为使基
不同发育阶段单叶省藤和黄藤纤鞭组织采自中
类和探索海量基因ꎮ ＣＥＮ 分析和相应的数据库在植
ＣＥＮ 数据库 ( Ｒａｔｔａｎ￣ＮＥＴ) ꎬ 提供了潜在的功能模块
物中得 到 广 泛 应 用ꎬ ＡＴＴＥＤ￣ＩＩ 是 一 个 提 供 了 拟 南
和基因功能注释ꎬ 方便研究人员使用ꎮ
基金项目:“ 十二五” 农村领域国家科技计划项目研究任务( 编号:２０１５ＢＡＤ０４Ｂ０１０１) ꎮ
因、 １２ 个 Ｃ４Ｈ 基 因 和 １５ 个 ４ＣＬ 基 因 ( 原 文 附 图
Ｓ４) ꎮ 通过检测功能注释ꎬ 在这些基因中调查与类黄
酮生物合 成 和 木 质 素 生 物 合 成 相 关 的 共 表 达 基 因
( 原文图 １) ꎮ 结果表明ꎬ 在单叶省藤和黄藤的上述 ３
使用处于不同发育阶段的 ２４ 个单叶省藤和 ３６
ＲＢＨ 被认为是最优的直系同源对ꎬ 所有 ＢＬＡＳＴ 结果
４: １５、 ＭＩＮＬＥＮ: ５０、 ＴＯＰＰＨＲＥＤ ６４ 等参数下对接
的 Ｅ￣ｖａｌｕｅ 值分布的峰值作为阈值ꎬ 小于该阈值的基
后的序列被输入到 ＨＩＳＡＴ２ ｖ２ １ ０ 中进行转录组序
１ ６ 顺式作用元件的显著性分析
ｉｎｔｒｏｎｌｅｎ ４０００、 － ｒｎａ￣ｓｔｒａｎｄｎｅｓｓ ＲＦꎮ ＨＩＳＡＴ２ 输 出 的
上的基因功能分析仍是空白ꎮ
组和转录组数据ꎬ 选择成熟方法构建 ＣＥＮꎬ 最大化
表性棕榈藤的全基因组序列ꎬ 但棕榈藤转录组水平
基因协同功能网络在构建整体通路模型、 细化
基因注释ꎬ 以及在体内模拟重要调控机制等方面发
挥着关 键 作 用ꎮ 作 为 其 中 主 要 代 表 的 共 表 达 网 络
( ＣＥＮ) ꎬ 它是基于基因转录表达水平以表征相关功
用 ３σ 准则 ( ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ＝ ａｖｅｒａｇｅ ( ５％ ｖａｌｕｅ) ＋ ３ ∗
ＳＤ) 计算 ＦＰＫＭ 阈值ꎬ 用于筛除 ＦＰＫＭ 过低的数据
( 原文附图 Ｓ１) ꎮ
Байду номын сангаас
的元件模体作为显著富集的调控元件ꎮ
分析
从 ＴＡＩＲ 网 站 ( ｈｔｔｐｓ: / / ｗｗｗ ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ ｏｒｇ )
使用 ＲＢＨ 方法在 ２ 个棕榈藤物种中鉴定参与苯
Ｃｙｔｏｓｃａｐｅ ｊｓ 是 Ｌｉｎｕｘ 版本的 Ｃｙｔｏｓｃａｐｅꎬ 它用于模块
图 １) ꎬ 结果表明ꎬ 单叶省藤中有 ８ 个 ＰＡＬ 基因、 １２
Ｒａｔｔａｎ￣ＮＥＴ 的构 建 基 于 Ｌｉｎｕｘ 系 统、 Ａｐａｃｈｅ 软
工具 是 基 于 Ｐｙｔｈｏｎ、 Ｐｅｒｌ 和 Ｒ 脚 本 语 言 开 发 的ꎮ
藤和拟 南 芥 之 中 鉴 定 直 系 同 源 基 因ꎬ 排 位 前 三 的
鞭转录组数据集进行分析ꎮ
使用 ＦａｓｔＱＣ ｖ０ １１ ６ꎬ 在默认参数下进行转 录
ＬＥＡＤＩＮＧ: ３、 ＴＲＡＩＬＩＮＧ: ３、 ＳＬＩＤＩＮＧＷＩＮＤＯＷＳ
注释ꎮ
使用 ＢＬＡＳＴ 相互最佳匹配 ( ＲＢＨ) 方法在棕榈
ＧＳＥＡ 产生的功能注释文件ꎮ 共有 ５４ ６％ 的单叶省
数设为 １ ０００ꎮ
释优化ꎮ
树的构建ꎬ 其中模型参数由 ｊＭｏｄｅｌｔｅｓｔ 得到ꎬ 自检参
藤和 ６２ ４％黄藤的基因在模块和 ＣＥＮ 分析中得到注
１ ８ 查询与可视化平台构建
２ ２ 棕榈藤中类黄酮和木质素生物合成通路的
件、 ＭｙＳＱＬ 软件和 ＰＨＰ 语言ꎮ 涉及计算相关的分析
库ꎬ ＣｃＮＥＴ 提供了基于 ＣＥＮ 的二倍体和多倍体棉花
物物种间同源关系的 ＣＥＮꎬ ＲｉｃｅＮｅｔ ｖ２ 是一个升级
后的水稻 ＣＥＮ 分析数据库ꎬ Ｂａｍｂｏｏ￣ＮＥＴ 提供了毛
竹的 ＣＥＮ 和优化后的基因功能注释ꎮ 但是ꎬ 棕榈藤
中的 ＣＥＮ 研究仍处于空白ꎮ
一般 ＣＥＮ 的构建遵循以下 ３ 个步骤: 计算基因
优化ꎬ 即: 用模块的功能注释对属于该模块的基因
处于不同发育阶段的 ２４ 个单叶省藤和 ３６ 个黄藤纤
ＧＳＥＡꎬ ＦＤＲ< ０ ０５ 的 词 条 也 做 为 是 该 基 因 优 化 后
１ ２ 数据处理和基因表达分析
１ ５ 棕榈藤和拟南芥之间的直系同源基因鉴定
组数 据 的 质 量 分 析ꎮ 使 用 Ｔｒｉｍｍｏｍａｔｉｃ ｖ０ ３６ 在
此ꎬ 纤鞭生长发育的遗传调控机制备受关注ꎮ 作为
间的相似性值ꎻ 选定阈值提取基因对形成网络ꎻ 在
竹藤基因组图谱 ( ＧＡＢＲ) 项目的一部分ꎬ 虽然国
ＣＥＮ 中寻找功能模块ꎮ 每一步都有不同的方法可供
际竹藤中心在 ２０１８ 年发布了单叶省藤和黄藤 ２ 个代
选择ꎬ 所以构建一个 ＣＥＮ 可以有许多不同的组合方
使用基于集团渗透算法的 ＣＦｉｎｄｅｒ ｖ２ ０ ６ 测定
Ｓ１) ꎮ 按 照 说 明 书ꎬ 使 用 ＴＲＩｚｏｌ 试 剂 分 离 出 ＲＮＡꎬ
因的覆盖度和模块数量最大化ꎬ 分别在单叶省藤和
所使 用 ＲＮａｓｅ￣ｆｒｅｅ ＤＮａｓｅ Ｉ 试 剂 在 ３７ ℃ 下 处 理 ３０
附图 Ｓ４) ꎮ 此外ꎬ 使用基因集富集分析 ( ＧＳＥＡ) 工
在转录组层面提供完整全面的基因功能注释ꎬ因此本研究整合棕榈藤基因组序列和不同发育阶段的纤鞭转
录组数据进行了共表达网络分析ꎮ 通过整合共表达网络、基因家族分类和功能富集等分析ꎬ分别在单叶省
藤和黄藤中鉴定得到 ３ ５０４ 和 ３ ０２７ 个功能模块ꎬ包括光合作用、木质素生物合成、类黄酮生物合成、苯丙素
生物合成等主要的生物学过程ꎮ 同时ꎬ使用共表达网络和功能模块对基因的功能注释进行了优化ꎬ对棕榈
世界上共有 ６００ 多个种ꎬ 分别属于 １３ 个属ꎬ 其中 ２７
产生大约 ７０ 亿美元的收益ꎬ 超过 ５００ 万人在经济上
依赖于棕榈藤ꎮ 棕榈藤是热带森林生态系统的组成
部分ꎬ 其纤鞭带有爪钩ꎬ 利于在森林环境中攀爬和
生长ꎻ 然而ꎬ 这也使得棕榈藤种植、 管理和采收等
经营环节变得困难ꎬ 导致棕榈藤产品成本较高ꎮ 因
筛选策略用于顺式作用元件的显著性测试ꎬ 在扫描
头序列和低质量序列进行修剪和过滤ꎮ 经质量控制
列 的 回 帖ꎬ 参 数 如 下: － ｍｉｎ￣ｉｎｔｒｏｎｌｅｎ ２０、 － ｍａｘ￣
因对被认定为次优的直系同源基因对ꎮ
参照前人研究ꎬ 使用基于 Ｚ￣ｓｃｏｒｅ 和 Ｐ￣ｖａｌｕｅ 的
数据都被保留下来用于后续分析 ( 原文附表 Ｓ２) ꎮ
默认参数下进行多序列比对ꎮ 使用 Ｇｂｌｏｃｋｓ ｓｅｒｖｅｒ 提
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ 分析ꎬ 用于筛选最优的 ＭＲ 参数值ꎮ 最
换模型ꎬ 参 数 如 下: － ｆ、 － ｇ ４、 － ｉ、 － ｓ ２０３、 － Ｓ
的基因对 ( 原文附图 Ｓ３) ꎻ ２) 使用 ＰＣＣ 计算基因
不 可 靠 的 基 因 对ꎻ ３ ) 进 行 Ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ
王炯亮 赵韩生 高志民
( 国际竹藤中心 北京 １００１０２)
摘 要:棕榈藤是世界上仅次于树木与竹子的最重要非木森林资源ꎮ ２０１８ 年国际竹藤中心全球首次发布了
棕榈藤全基因组序列( 单叶省藤和黄藤) ꎬ极大促进了棕榈藤基因功能的研究ꎮ 基因共表达网络分析有助于
放使用ꎮ
关键词: 棕榈藤ꎻ 基因共表达网络分析ꎻ 纤鞭
ＤＯＩ: １０.１２１６８ / ｓｊｚｔｔｘ.２０２０.０４.０１４
棕榈藤属于棕榈科ꎬ 多年生常绿攀援类 植 物ꎬ
芥、 芥菜、 大豆 等 ９ 个 物 种 的 ＣＥＮ 数 据 集 的 数 据
个商业品种在热带地区被广泛种植ꎮ 棕榈藤每年可
功能基因比较分析ꎬ ＡｒａＮｅｔ ｖ２ 构建了提供 ２８ 个植
藤纤鞭生长 调 控 有 了 新 的 认 知ꎮ 最 后ꎬ 构 建 了 首 个 棕 榈 藤 组 学 在 线 数 据 库———Ｒａｔｔａｎ￣ＮＥＴ ( ｈｔｔｐ: / / ｒａｔｔａｎ.
ｂａｍｂｏｏｇｄｂ.ｏｒｇ / ) ꎬ 包含基因集富集、 模块富集、 网络比较和顺式作用元件等分析工具ꎬ 可供研究人员开
与 ＣＥＮ 的动态展示ꎮ ＧＢｒｏｗｓｅ 和 ＳｅｑｕｅｎｃｅＳｅｒｖｅｒ 用于
提供序列扫描和 ＢＬＡＳＴ ＋ 服务ꎮ
２ 结果和分析
２ １ ＣＥＮ 的构建和功能模块的鉴定
ＣＥＮ 分析
丙素生物合成通路的 ＰＡＬ、 Ｃ４Ｈ 和 ４ＣＬ 基因 ( 原文
个 Ｃ４Ｈ 基因、 ９ 个 ４ＣＬ 基因ꎬ 黄藤中有 １３ 个 ＰＡＬ 基
法ꎮ 在本研究中ꎬ 通过使用单叶省藤和黄藤的基因
了基因的覆盖率和模块的数量ꎬ 优化对基因的功能
注释ꎬ 在 ＣＥＮ 中鉴定了覆盖纤鞭不同发育阶段的功
能模块ꎬ 并使用基因家族分类、 同源基因注释、 顺
式作用元件分析和基因本体分析等工具对优化的基
能基因的强大工具ꎬ 可在多种条件下批量注释、 聚
因功 能 注 释 进 行 了 评 估ꎮ 此 外ꎬ 构 建 了 棕 榈 藤 的
在系统发育分析中ꎬ 使 用 ＭＵＳＣＬＥ ｖ３ ８ ３１ 在
取保守区序列ꎮ 使用 ｊＭｏｄｅｌｔｅｓｔ ｖ２ １ ６ 寻找最优的替
７５
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
ＢＥＳＴꎮ 最后ꎬ 使用 ＰｈｙＭＬ ｖ２０１２０４１２ 进行系统发育
棕榈藤基因 ３ ｋｂ 启动子区域时ꎬ 选择 Ｐ￣ｖａｌｕｅ< ０ ０５
Ｃｕｆｆｄｉｆｆ ｖ２ ２ １ 评估差异表达基因ꎮ 此外ꎬ 此研究使
１ ７ 捕 光 复 合 物 基 因 家 族 的 鉴 定 与 系 统 发 育
使用 Ｃｕｆｆｌｉｎｋｓ ｖ２ ２ １ 进 行 ＦＰＫＭ 值 的 计 算ꎬ 使 用
作者说明:本成果的文章作者参见 Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ ｉｎ Ｇｅｎｅｔｉｃｓ 杂志的原文作者ꎻ本文为王炯亮、赵韩生、高志民翻译整理ꎮ Ｅ－ ｍａｉｌ:
ｇａｏｚｈｉｍｉｎ＠ ｉｃｂｒ ａｃ ｃｎꎮ
７４
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
类基因家族中分别有 １２ 个和 １４ 个类黄酮生物合成
藤和黄藤确定了符合单向 ＭＲ<３ ＋ 双向 ＭＲ≤３０ 条件
酮生物合成相关基因相比ꎬ 在单叶省藤和黄藤中分
个黄藤的纤鞭样本进行 ＣＥＮ 的构建ꎮ 分别在单叶省
相关的基因 ( 原文图 １Ｂ 与附表 Ｓ５) ꎬ 与发现的类黄
的 ６３０ ０８１ 和 ６７０ ５０２ 个基因对作为 ＣＥＮ 的边 ( 原
验和多重假设检验过程中被剔除ꎮ 然后ꎬ 使用模块
使用 个棕榈藤物种的基因功能注释进行
得的 ４ 个黄藤纤鞭组织的 ＲＮＡ 测序数据ꎬ 共使用了
进行注 释 优 化ꎻ 对 每 个 基 因 的 共 表 达 基 因 集 进 行
１００ ｂｐ 的双末端测序ꎮ 同时ꎬ 还收集了此前测序获
下载拟南芥的捕光复合物 ( ＬＨＣ) 基因序列ꎬ 作为
１ ３ ＣＥＮ 的构建
查询序列ꎬ 在单叶省藤、 黄藤和水稻基因序列组成
和互 相 排 序 ( ＭＲ) 整 合 在 一 起 用 于 ＣＥＮ 的 构 建
参数为 Ｅ￣ｖａｌｕｅ<１ｅ －５ ꎮ 相似性搜索的结果进一步使用
本研究采用的策略是将皮尔森相关系数 ( ＰＣＣ)
并使用 ＮａｎｏＤｒｏｐ ２０００ 分光光度计测定浓度和纯度ꎮ
黄藤中选定 ｋ ＝ ６ 和 ｋ ＝ ５ 作为 ＣＦｉｎｄｅｒ 的参数 ( 原文
ｍｉｎꎬ 以去 除 所 提 取 ＲＮＡ 中 残 余 的 ＤＮＡꎬ 之 后 将
具对模块进行功能注释ꎬ 不可靠的模块在 Ｆｉｓｈｅｒ 检
ＲＮＡ 在反转录系统下反转录成 ｃＤＮＡꎬ 并建库测序ꎮ
( 原文附图 Ｓ２) : １) 使用 ＦＰＫＭ 计算基因对之间的
的数据库中进行相似性搜索ꎮ 搜索工具为 ＢＬＡＳＴ ＋ ꎬ
ｐｆａｍｓｃａｎ ｐｌ 脚本进行检验ꎬ 提取该基因家族的编码
ＰＣＣ 值ꎬ 并过滤掉弱相关的基因对ꎬ 只保留强相关
序列ꎬ 用于后续分析ꎮ
对之间的 ＭＲ 值ꎬ 并提取高置信度的基因对ꎬ 剔除
１ 材料与方法
后ꎬ 本研究选定了单向 ＭＲ< ３ ＋ 双向 ＭＲ< ３０ 的基因
对作为 ＣＥＮꎮ
１ １ 样品收集与测序
１ ４ 功能模块的鉴定和基因注释优化
国林业科学研究院广州热带林业研究所 ( 原文附表
每个节点的密度ꎬ 进而在网络中鉴定模块ꎮ 为使基
不同发育阶段单叶省藤和黄藤纤鞭组织采自中
类和探索海量基因ꎮ ＣＥＮ 分析和相应的数据库在植
ＣＥＮ 数据库 ( Ｒａｔｔａｎ￣ＮＥＴ) ꎬ 提供了潜在的功能模块
物中得 到 广 泛 应 用ꎬ ＡＴＴＥＤ￣ＩＩ 是 一 个 提 供 了 拟 南
和基因功能注释ꎬ 方便研究人员使用ꎮ
基金项目:“ 十二五” 农村领域国家科技计划项目研究任务( 编号:２０１５ＢＡＤ０４Ｂ０１０１) ꎮ
因、 １２ 个 Ｃ４Ｈ 基 因 和 １５ 个 ４ＣＬ 基 因 ( 原 文 附 图
Ｓ４) ꎮ 通过检测功能注释ꎬ 在这些基因中调查与类黄
酮生物合 成 和 木 质 素 生 物 合 成 相 关 的 共 表 达 基 因
( 原文图 １) ꎮ 结果表明ꎬ 在单叶省藤和黄藤的上述 ３
使用处于不同发育阶段的 ２４ 个单叶省藤和 ３６
ＲＢＨ 被认为是最优的直系同源对ꎬ 所有 ＢＬＡＳＴ 结果
４: １５、 ＭＩＮＬＥＮ: ５０、 ＴＯＰＰＨＲＥＤ ６４ 等参数下对接
的 Ｅ￣ｖａｌｕｅ 值分布的峰值作为阈值ꎬ 小于该阈值的基
后的序列被输入到 ＨＩＳＡＴ２ ｖ２ １ ０ 中进行转录组序
１ ６ 顺式作用元件的显著性分析
ｉｎｔｒｏｎｌｅｎ ４０００、 － ｒｎａ￣ｓｔｒａｎｄｎｅｓｓ ＲＦꎮ ＨＩＳＡＴ２ 输 出 的
上的基因功能分析仍是空白ꎮ
组和转录组数据ꎬ 选择成熟方法构建 ＣＥＮꎬ 最大化
表性棕榈藤的全基因组序列ꎬ 但棕榈藤转录组水平
基因协同功能网络在构建整体通路模型、 细化
基因注释ꎬ 以及在体内模拟重要调控机制等方面发
挥着关 键 作 用ꎮ 作 为 其 中 主 要 代 表 的 共 表 达 网 络
( ＣＥＮ) ꎬ 它是基于基因转录表达水平以表征相关功
用 ３σ 准则 ( ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ＝ ａｖｅｒａｇｅ ( ５％ ｖａｌｕｅ) ＋ ３ ∗
ＳＤ) 计算 ＦＰＫＭ 阈值ꎬ 用于筛除 ＦＰＫＭ 过低的数据
( 原文附图 Ｓ１) ꎮ
Байду номын сангаас
的元件模体作为显著富集的调控元件ꎮ
分析
从 ＴＡＩＲ 网 站 ( ｈｔｔｐｓ: / / ｗｗｗ ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ ｏｒｇ )
使用 ＲＢＨ 方法在 ２ 个棕榈藤物种中鉴定参与苯
Ｃｙｔｏｓｃａｐｅ ｊｓ 是 Ｌｉｎｕｘ 版本的 Ｃｙｔｏｓｃａｐｅꎬ 它用于模块
图 １) ꎬ 结果表明ꎬ 单叶省藤中有 ８ 个 ＰＡＬ 基因、 １２
Ｒａｔｔａｎ￣ＮＥＴ 的构 建 基 于 Ｌｉｎｕｘ 系 统、 Ａｐａｃｈｅ 软
工具 是 基 于 Ｐｙｔｈｏｎ、 Ｐｅｒｌ 和 Ｒ 脚 本 语 言 开 发 的ꎮ
藤和拟 南 芥 之 中 鉴 定 直 系 同 源 基 因ꎬ 排 位 前 三 的
鞭转录组数据集进行分析ꎮ
使用 ＦａｓｔＱＣ ｖ０ １１ ６ꎬ 在默认参数下进行转 录
ＬＥＡＤＩＮＧ: ３、 ＴＲＡＩＬＩＮＧ: ３、 ＳＬＩＤＩＮＧＷＩＮＤＯＷＳ
注释ꎮ
使用 ＢＬＡＳＴ 相互最佳匹配 ( ＲＢＨ) 方法在棕榈
ＧＳＥＡ 产生的功能注释文件ꎮ 共有 ５４ ６％ 的单叶省
数设为 １ ０００ꎮ
释优化ꎮ
树的构建ꎬ 其中模型参数由 ｊＭｏｄｅｌｔｅｓｔ 得到ꎬ 自检参
藤和 ６２ ４％黄藤的基因在模块和 ＣＥＮ 分析中得到注
１ ８ 查询与可视化平台构建
２ ２ 棕榈藤中类黄酮和木质素生物合成通路的
件、 ＭｙＳＱＬ 软件和 ＰＨＰ 语言ꎮ 涉及计算相关的分析
库ꎬ ＣｃＮＥＴ 提供了基于 ＣＥＮ 的二倍体和多倍体棉花
物物种间同源关系的 ＣＥＮꎬ ＲｉｃｅＮｅｔ ｖ２ 是一个升级
后的水稻 ＣＥＮ 分析数据库ꎬ Ｂａｍｂｏｏ￣ＮＥＴ 提供了毛
竹的 ＣＥＮ 和优化后的基因功能注释ꎮ 但是ꎬ 棕榈藤
中的 ＣＥＮ 研究仍处于空白ꎮ
一般 ＣＥＮ 的构建遵循以下 ３ 个步骤: 计算基因
优化ꎬ 即: 用模块的功能注释对属于该模块的基因
处于不同发育阶段的 ２４ 个单叶省藤和 ３６ 个黄藤纤
ＧＳＥＡꎬ ＦＤＲ< ０ ０５ 的 词 条 也 做 为 是 该 基 因 优 化 后
１ ２ 数据处理和基因表达分析
１ ５ 棕榈藤和拟南芥之间的直系同源基因鉴定
组数 据 的 质 量 分 析ꎮ 使 用 Ｔｒｉｍｍｏｍａｔｉｃ ｖ０ ３６ 在
此ꎬ 纤鞭生长发育的遗传调控机制备受关注ꎮ 作为
间的相似性值ꎻ 选定阈值提取基因对形成网络ꎻ 在
竹藤基因组图谱 ( ＧＡＢＲ) 项目的一部分ꎬ 虽然国
ＣＥＮ 中寻找功能模块ꎮ 每一步都有不同的方法可供
际竹藤中心在 ２０１８ 年发布了单叶省藤和黄藤 ２ 个代
选择ꎬ 所以构建一个 ＣＥＮ 可以有许多不同的组合方
使用基于集团渗透算法的 ＣＦｉｎｄｅｒ ｖ２ ０ ６ 测定
Ｓ１) ꎮ 按 照 说 明 书ꎬ 使 用 ＴＲＩｚｏｌ 试 剂 分 离 出 ＲＮＡꎬ
因的覆盖度和模块数量最大化ꎬ 分别在单叶省藤和
所使 用 ＲＮａｓｅ￣ｆｒｅｅ ＤＮａｓｅ Ｉ 试 剂 在 ３７ ℃ 下 处 理 ３０
附图 Ｓ４) ꎮ 此外ꎬ 使用基因集富集分析 ( ＧＳＥＡ) 工
在转录组层面提供完整全面的基因功能注释ꎬ因此本研究整合棕榈藤基因组序列和不同发育阶段的纤鞭转
录组数据进行了共表达网络分析ꎮ 通过整合共表达网络、基因家族分类和功能富集等分析ꎬ分别在单叶省
藤和黄藤中鉴定得到 ３ ５０４ 和 ３ ０２７ 个功能模块ꎬ包括光合作用、木质素生物合成、类黄酮生物合成、苯丙素
生物合成等主要的生物学过程ꎮ 同时ꎬ使用共表达网络和功能模块对基因的功能注释进行了优化ꎬ对棕榈
世界上共有 ６００ 多个种ꎬ 分别属于 １３ 个属ꎬ 其中 ２７
产生大约 ７０ 亿美元的收益ꎬ 超过 ５００ 万人在经济上
依赖于棕榈藤ꎮ 棕榈藤是热带森林生态系统的组成
部分ꎬ 其纤鞭带有爪钩ꎬ 利于在森林环境中攀爬和
生长ꎻ 然而ꎬ 这也使得棕榈藤种植、 管理和采收等
经营环节变得困难ꎬ 导致棕榈藤产品成本较高ꎮ 因
筛选策略用于顺式作用元件的显著性测试ꎬ 在扫描
头序列和低质量序列进行修剪和过滤ꎮ 经质量控制
列 的 回 帖ꎬ 参 数 如 下: － ｍｉｎ￣ｉｎｔｒｏｎｌｅｎ ２０、 － ｍａｘ￣
因对被认定为次优的直系同源基因对ꎮ
参照前人研究ꎬ 使用基于 Ｚ￣ｓｃｏｒｅ 和 Ｐ￣ｖａｌｕｅ 的
数据都被保留下来用于后续分析 ( 原文附表 Ｓ２) ꎮ
默认参数下进行多序列比对ꎮ 使用 Ｇｂｌｏｃｋｓ ｓｅｒｖｅｒ 提
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ 分析ꎬ 用于筛选最优的 ＭＲ 参数值ꎮ 最
换模型ꎬ 参 数 如 下: － ｆ、 － ｇ ４、 － ｉ、 － ｓ ２０３、 － Ｓ
的基因对 ( 原文附图 Ｓ３) ꎻ ２) 使用 ＰＣＣ 计算基因
不 可 靠 的 基 因 对ꎻ ３ ) 进 行 Ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ