今天給大家?guī)硪黄迈r出爐的多組學(xué)聯(lián)合分析文章的案例解讀，這篇文章也是北京百邁客公司和浙江大學(xué)合作的一篇成功案例。本篇文章主要利用了DNA甲基化、轉(zhuǎn)錄組、代謝組進(jìn)行了多組學(xué)聯(lián)合分析，闡述了相近地域但是土壤生態(tài)條件差異巨大的兩個野生大麥種群的物種形成機(jī)理和生態(tài)逆境適應(yīng)性機(jī)制。
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英文題目：Multi-Omics Analysis Reveals the Mechanism Underlying the Edaphic Adaptation in Wild Barley at Evolution Slope(Tabigha)
發(fā)表期刊：Advanced Science
影響因子：16.803
研究背景
土壤是植物的活基質(zhì)，為植物的生長發(fā)育、水、 礦物元素和微生物群提供了必要的物理支持，土壤的物理、化學(xué)和生物特性對植物的生長發(fā)育有很大的影響。因此，通過開發(fā)適合各種類型土壤的更好的作物品種，可以實現(xiàn)土壤資源的可持續(xù)和有效的利用。大麥一直是一種重要的糧食 作物，現(xiàn)在也被用作飲料和飼料的原料生產(chǎn)產(chǎn)品。在大麥馴化過程中，特別是在現(xiàn)代育種和集中化栽培后，栽培大麥的遺傳多樣性顯著降低，成為大麥育種提高生物非生物壓力耐受性和改良的瓶頸，野生大麥已適應(yīng)各種土壤 類型、有效性、水分、溫度和海拔高度不同的環(huán)境，成為改良栽培大麥的理想遺傳資源。已有研究已發(fā)現(xiàn)了多個物種（包括病毒、細(xì)菌、真菌、植物和動物）對微生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性及產(chǎn)生的遺傳變異。當(dāng)植物暴露于環(huán)境脅迫下時，DNA甲基化對轉(zhuǎn)錄組的強(qiáng)調(diào)控已被廣泛報道。植物對環(huán)境脅迫的反應(yīng)是一個復(fù)雜的過程，需要在多組學(xué)水平上進(jìn)行協(xié)調(diào)，目前基因組測序、甲基化組測序、轉(zhuǎn)錄組，蛋白質(zhì)組學(xué)，和代謝組在這方面都有了成熟的應(yīng)用。水稻、蘋果等物種的非生物脅迫研究表明植物中DNA的甲基化和TE的動員可以影響適應(yīng)性應(yīng)激反應(yīng)和基因組的穩(wěn)定性，因此，破譯小麥等野生品系的DNA甲基組與轉(zhuǎn)錄組和代謝組的相互作用，將有利于耐非生物和生物脅迫新品種的選擇和育種。
實驗材料
巴勒斯坦(Tabigha)的 “進(jìn)化坡”上的兩個野生大麥種群Basalt和Terra Rossa的實驗室水培材料，兩個品種各取5份三葉期17日齡幼苗進(jìn)行DNA甲基化（WGBS）測序，并分別對每份材料的根、葉組織分別設(shè)置3次重復(fù)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組及代謝組的測序。（其中DNA甲基化、轉(zhuǎn)錄組測序分析由北京百邁客提供支持）
結(jié)果分析
一、大麥種群Basalt和Terra Rossa的甲基化分析
通過WGBS測序技術(shù)在10份野生大麥材料中共獲得1620Gb的cleandata，共鑒定出131408470個CG甲基化位點(mCG)(占所有CGs的94.7%)、 97714324個mCHGs位點(占所有CHGs的77.6%)和20576899個mCHHs位點(占所有CHHs的2.9%)。并且一共鑒定出121433個差異甲基化區(qū)域（DMRs），其中52306個CG-DMRs，30720個CHG-DMRs和38407個CHH-DMRs（圖C）。通過甲基化區(qū)域在染色體上的分布，作者發(fā)現(xiàn)CG-DMRs和CHH-DMRs兩種類型的差異甲基化區(qū)域在染色體的遠(yuǎn)端區(qū)域高度積累，并且主要集中在基因區(qū)和啟動子區(qū)，而CHG-DMRs的情況則和它們不同，不僅在染色體上分布相對均勻，并且基因區(qū)和啟動子區(qū)的表達(dá)也相對比較低（圖A)。這些結(jié)果表明，CG-DMRs和CHH-DMRs可能在野生大麥兩個土壤種群的適應(yīng)性功能多樣化和基因區(qū)域調(diào)控中發(fā)揮重要作用。對CG-DMR基因和CHH-DMR基因進(jìn)行GO富集分析，發(fā)現(xiàn)CG-DMR主要富集在與基本過程相關(guān)的基因中，如ATP的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)錄和翻譯，而CHH-DMR基因在代謝過程中富集，包括碳代謝、糖代謝和應(yīng)激反應(yīng)途徑（圖H）。
（A) 基因組中甲基化區(qū)域、Fst、基因和轉(zhuǎn)座子元件(TE) 的分布密度?(C)?三種DMR類型的維恩
???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? DMR相關(guān)基因的GO富集
二、. 兩種野生大麥的轉(zhuǎn)錄組及代謝組分析
通過轉(zhuǎn)錄粗測序技術(shù)，共獲得(431.97Gb）的cleandata。與Basalt大麥種群相比，Terra Rossa大麥種群在葉片和根系中分別有712和567個上調(diào)表達(dá)基因，497和752個下調(diào)表達(dá)基因(圖A，C)。根據(jù)KEGG富集分析，差異基因在葉片和根中的“苯丙烷生物合成”、“植物-病原體相互作用”和“淀粉和蔗糖代謝”代謝途徑中均富集(圖2E，F(xiàn))，但是“苯丙烷生物合成”、“植物-病原體相互作用”途徑的相關(guān)基因在Basalt大麥種群中的表達(dá)更高，而“淀粉和蔗糖代謝”途徑的相關(guān)基因則Terra Rossa大麥種群中表達(dá)更活躍(圖B，D)。
代謝組是生命活動的直接體現(xiàn)者，作者利用利用UPLC-Q- TOF/MS對兩個野生大麥土壤種群的代謝物譜進(jìn)行了分析，在葉片和根中分別鑒定出157種和147種代謝物，Terra Rossa大麥種群葉片中糖、三羧糖循環(huán)中的有機(jī)酸和氨基酸的濃度較高，這與材料中水解酶基因較高的轉(zhuǎn)錄活性相一致。而Basalt大麥種群的葉片和根均表現(xiàn)出較高濃度的酚酰胺及其衍生物（圖2G、H）（主要與更活躍的苯丙烷 途徑相關(guān))。此外，在Basalt大麥種群根中觀察到谷胱甘肽的富集（主要與GSTs的高表達(dá)有關(guān)）。綜上所述，轉(zhuǎn)錄組和代謝組均表明，Terra Rossa大麥種群在初級代謝中活性較高，而Basalt大麥種群材料的次生代謝活性更活躍。
（A、C)葉片和根中差異表達(dá)基因(DEGs)的火山圖。（B、D)deg的熱圖。E，F(xiàn))葉和根中DEGs的KEGG富集。（E，F(xiàn))葉和根中DEGs的KEGG富集。（G，H)代謝物水平倍數(shù)變化的火山圖。
三、DNA甲基化對mRNA和lncRNA的表達(dá)調(diào)控
?很多研究表明，DNA甲基化在基因表達(dá)的調(diào)控中起著至關(guān)重要的作用?？拷黅SS的上游區(qū)域的CG和CHG甲基化水平急劇下降，且上游100bp的甲基化水平與基因表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)(圖B)，而CHH甲基化水平卻呈現(xiàn)先上升再下降得趨勢，并且在 1000~200bp的上游區(qū)域，CHH甲基化水平與基因表達(dá)水平呈正相關(guān)(圖C)。為了確定高或低甲基化對單個基因表達(dá)的影響，作者對10份野生大麥品種的甲基化水平與基因以及l(fā)ncRNA表達(dá)水平進(jìn)行了Pearson相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)對于部分基因，近轉(zhuǎn)錄起始位點啟動子區(qū)域的CG和CHG甲基化會抑制mRNA轉(zhuǎn)錄，而CHH甲基化則會促進(jìn)mRNA的表達(dá)。
（A)被不同表達(dá)水平劃分的基因內(nèi)和側(cè)翼的甲基化水平。（B)TSS上游100bp的平均CG和CHG甲基化水平。（C)平均CHH甲基化水平TSS上游1000~200bp的水平。（D-F)m5C水平(D、mCG、E、mCHG、F、mCHH)與轉(zhuǎn)錄水平之間的Pearson相關(guān)系數(shù)分布。（G-I)m5C水平(G、mCG、H、 mCHG、I、mCHH)與ZLOC_11983轉(zhuǎn)錄水平的相關(guān)性分析。（J)m5C水平和ZLOC_11983的轉(zhuǎn)錄水平。
結(jié)論
本研究通過DNA甲基化分析，發(fā)現(xiàn)表觀基因組和基因組變異導(dǎo)致了進(jìn)化坡(Tabigha)的兩個野生大麥毗鄰的地質(zhì)和土壤種群之間的差異。此外，通過代謝組和轉(zhuǎn)錄組的研究，發(fā)現(xiàn)糖代謝的促進(jìn)有助于野生大麥對進(jìn)化坡(Tabigha)Terra Rossa土壤的土壤適應(yīng)，而苯丙烷/苯酰胺生物合成和免疫信號通路的增強(qiáng)使野生大麥能夠后期適應(yīng)進(jìn)化坡(Tabigha)的潮濕、富含真菌和細(xì)菌的Basalt土壤?？傊?，野生大麥在對比土壤的土壤適應(yīng)性可能在表觀基因組、轉(zhuǎn)錄組和代謝組水平上都受到調(diào)控。另外，研究中發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵基因以及抗真菌代謝物可以作為提高栽培大麥和其他谷類作物非生物和生物耐受性的重要遺傳資源，以確保糧食可持續(xù)生產(chǎn)和糧食安全。
產(chǎn)品介紹
轉(zhuǎn)錄組測序(RNA-seq）能夠?qū)悠啡我鈺r間點或任意條件下的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測序，獲取某一狀態(tài)下所能轉(zhuǎn)錄出來的所有mRNA的信息，擁有√確到單個核苷酸的分辨率。能夠動態(tài)反映基因轉(zhuǎn)錄水平，同時鑒定和定量稀有轉(zhuǎn)錄本和正常轉(zhuǎn)錄本，并且提供樣品特異的轉(zhuǎn)錄本序列結(jié)構(gòu)信息。目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于動植物發(fā)育調(diào)控、環(huán)境適應(yīng)、免疫互作、基因定位、物種遺傳進(jìn)化及腫瘤與遺傳病檢測等。
代謝組學(xué)（meta-bolomics）是對不同生物體、組織或細(xì)胞所有小分子代謝物進(jìn)行分離、定性和定量分析，并尋找代謝物變化規(guī)律或差異與生理、病理、表型變化的相對關(guān)系，進(jìn)而解析生物學(xué)問題。
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