文章标题：Three-dimensional genetic networks among seed oil-related traits, metabolites and genes reveal the genetic foundations of oil synthesis in soybean

发表期刊：the plant journal

影响因子：7.2

合作单位：华中农业大学

百趣提供服务：脂质组学

为了解决当前大豆脂质代谢相关基因信息有限的问题，作者利用286份大豆材料的6个籽油相关性状、52个脂质代谢相关代谢物和54294个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)构建了三维遗传网络。利用表型、代谢组、全基因组关联分析发现284个候选基因与种子油相关性状显著相关；279个候选基因与代谢物显著相关。利用最小最大凹惩罚函数(Minimax Concave Penalty, MCP)和平滑剪切绝对偏差(Smoothly Clipped Absolute Deviation, SCAD)分析，发现6个籽油相关性状与31种代谢物显著相关。在上述候选基因中，发现与油脂合成、氨基酸合成和三羧酸(tricarboxylic acid cycle, TCA)循环相关的基因有36个，与油脂合成相关的基因有4个。综合以上信息，作者构建了133个三维遗传网络，揭示了丙酮酸与三大营养物质之间的遗传关系以及氨基酸与种子含油量之间的遗传关系。

1. 大豆6种籽油相关性状及52种代谢物的分布

首先，作者对286份大豆材料的6种籽油相关性状进行测量，发现这些性状差异较大，是典型的数量性状（数量性状指个体间表现的差异只能用数量来区别，变异呈连续性的性状）。3年间5种油类成分的变化趋势基本一致（图1 a-e），接着作者又测定了TCA循环、氨基酸代谢、油脂合成和大豆异黄酮合成途径中的52种脂质相关代谢物，结果表明这些代谢物的含量有很大差异。

图1. 三年间286份大豆材料籽油含量(f)和成分(a-e)的频率分布

2. 大豆籽油相关性状全基因组关联(Genome-Wide Association Studies, GWAS)研究

①作者对286份大豆材料中测定的6个籽油相关性状和54294个SNP进行GWAS研究，鉴定出了334个显著数量性状核苷酸(quantitative trait nucleotides, QTNs)。前人研究表明， 5号染色体上有很多QTNs，而13号染色体上几乎没有QTNs。而在本研究中，作者发现有5个显著QTNs位于第5染色体，8个QTNs位于第13染色体上。

②籽油相关性状的QTNs-环境互作(QTN-environment interactions, QEs)检测发现，有5、1和3个显著QEs分别与亚麻酸、棕榈酸和硬脂酸相关。

③油类相关性状QTN-QTN互作(QTN-QTN interactions, QQs)检测发现，亚油酸、种子含油量、棕榈酸、油酸、硬脂酸和亚麻酸分别与2、2、3、1、1和1个显著QQs相关。

④为了确定籽油相关性状的候选基因，作者采用了以下分析方法：首先，他们发现了334个重要QTNs中每个QTN的100 kb上游和下游区域之间的所有基因。利用大豆代谢途径数据库、KEGG注释、大豆基因组注释数据库和基因本体术语，对上述所有基因进行潜在候选基因或拟南芥同源基因的挖掘，发现有284个基因涉及脂肪酸生物合成、磷脂生物合成、磷脂结合、磷酸化和去磷酸化、三酰甘油生物合成、氧化还原酶活性、电子载体活性和TCA循环途径。

在这284个基因中，发现与脂质代谢途径相关的基因有22个，包括14个脂质生物合成相关基因、4个氨基酸生物合成相关基因和4个TCA循环相关基因。(图2 a、表1)。

图2. (a)大豆的主要代谢网络和(b)本研究中鉴定的19个关键籽油相关基因的表达谱

表1. 从酰基脂相关代谢物的全基因组关联研究中获得的20个关键候选基因

3. 大豆酰基脂相关代谢产物的GWAS研究

通过对52个酰基脂相关代谢物以及54294个SNP进行代谢GWAS发现，1001个mQTN被检测到与52个酰基脂质代谢物相关。平均每个mQTN解释的总表型变异比例为6.63%，鉴定出230、115、66、111、96和383个SNP分别与9种有机酸、5种大豆异黄酮、6种磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamines, PEs)、6种磷脂酰肌醇(phosphatidyl inositols, PIs)、6种磷脂酰胆碱( phosphatidyl cholines, PCs)和20种氨基酸显著相关。作者找到了每个重要mQTN的100 kb上游和下游区域之间的所有基因。利用大豆代谢途径数据库，KEGG注释和大豆基因组注释数据库以及基因本体论，对获得的候选基因或拟南芥同源基因进行注释，结果发现279个基因与上述代谢途径相关。在这279个基因中，发现与脂质代谢途径相关的基因有20个；进一步研究发现在这些脂质代谢相关基因中，有6个与种子油脂相关性状基因相同。

4. 大豆籽油相关性状与脂质代谢相关代谢物的遗传关系

采用MCP和SCAD算法对各种子油相关性状的52个酰基脂质相关代谢物进行多元回归分析，并进一步采用学生t检验确定与各油脂相关性状显著相关的酰基脂质相关代谢物，发现种子含油量、亚油酸、亚麻酸、油酸和棕榈酸分别与7、5、7、2和10种脂质代谢相关代谢物显著相关（图3 a、表2）

表2. 大豆籽油相关性状与代谢物的显著相关性

图3. (a)大豆油相关性状与代谢物的显著相关性；(b和c)种子油相关性状、代谢物和候选基因的三维遗传网络

5. 蛋白质相互作用(Protein–protein interaction, PPI)分析

通过STRING(https://string-db.org/cgi/input.pl)网站对PPIs进行预测。结果发现16对PPI的预测值均大于中等置信值(40%)，表明存在显著性蛋白互作。GmDAGAT1和GmPDAT之间的蛋白互作以及GmPDAT和GmFATA2之间的蛋白互作（图4）通过荧光素酶互补图像法在体内实验得到了验证。

图4. 暗光条件下农杆菌侵染的烟叶中GmPDAT与GmFATA2相互作用的荧光素酶互补图像分析

6. 构建6个豆籽油相关性状、23个脂质相关代谢产物、36个脂肪酸、氨基酸合成和TCA循环途径候选基因的三维遗传网络

首先，构建大豆初级代谢网络。利用基因同质性，将上述36个候选基因中有功能注释的28个基因纳入拟南芥初级代谢网络。在这些网络中，有19个油类生物合成相关基因、4个氨基酸生物合成相关基因、5个TCA循环相关基因、6个种子油类相关性状和43个代谢物（图2 a）。在19个油脂生物合成相关基因中，有12个基因在4个栽培大豆和2个野生大豆之间差异表达（图2 b）。

利用大豆的上述初级代谢网络和本研究的所有遗传信息构建三维遗传网络。在这些网络中，利用6个油相关性状、23个脂类相关代谢物和上述36个候选基因构建了133个遗传子网络。

综上，本研究为构建三维遗传网络提供了新的途径，揭示了种子含油量、部分代谢物（三种主要营养物质、苹果酸和氨基酸）与基因之间的一些新的遗传关系。这些关系对大豆品质改良和基因功能鉴定具有重要意义。