使用插补的多组学数据进行单交预测：以油菜为例的研究

《Genome》：Single-cross prediction with imputed multiomic data: a case study in rapeseed

大豆种子蛋白浓度受基因型和环境影响，本研究发现西部大豆较东部蛋白浓度低1%-5%。通过RNA测序和生物信息学分析，揭示西部大豆在半胱氨酸/甲硫氨酸代谢通路中存在差异表达基因，如DNA甲基转移酶1（DNMT1）和植物硫氧还蛋白合成酶（PCO-3），并发现脂氧合酶（LOX7/9）在西部大豆中显著上调，可能与应对干旱低温环境相关。研究结果为制定地域化大豆育种策略提供理论依据。

　　大豆（Glycine max）作为一种重要的经济作物，其种子的组成对农业生产和食品工业具有重要意义。种子中蛋白质和油脂的含量不仅影响大豆的营养价值，还直接关系到其作为饲料、食品原料和工业原料的市场价值。长期以来，科学家们注意到加拿大西部种植的大豆种子蛋白含量普遍低于东部种植的大豆，这一现象引发了对大豆种子组成受环境因素影响的广泛研究。本文通过基因表达分析，探讨了这种差异的潜在分子机制，并揭示了基因表达模式如何反映大豆在不同地理区域的生长适应性。

### 大豆种子的组成与重要性

大豆种子的组成是植物生长环境和基因型共同作用的结果，其中蛋白质和油脂是种子中最主要的成分。根据研究，大豆种子通常含有约20%的油脂、40%的蛋白质、35%的碳水化合物和5%的灰分（Liu, 1997）。这种组成不仅决定了大豆的营养价值，还对种子的储存特性、加工性能以及在不同用途中的表现产生影响。例如，蛋白质含量高的种子通常更适合用于食品加工，而油脂含量高的种子则更适用于油料生产。

然而，种子的组成并非固定不变，它受到多种环境因素的调控，如气候条件、土壤肥力、水分供应等。这种复杂的调控机制使得大豆种子的组成在不同地区表现出显著差异。在加拿大，东部和西部大豆种植区的环境条件存在明显不同，包括温度、湿度、降水模式以及生长周期的长短。这些差异可能对种子中蛋白质和油脂的积累产生深远影响。

### 大豆蛋白含量的地理差异

近年来，加拿大西部大豆种植区（如曼尼托巴省和萨斯喀彻温省）的大豆种子蛋白含量持续低于东部种植区（如安大略省和魁北克省），即使是在相同基因型的大豆品种中，这一趋势依然存在（Ort et al., 2022; Cober et al., 2023）。2023年的数据显示，东部大豆的平均种子蛋白含量为43.9%，而西部大豆仅为40.0%（Wang, 2023）。这一差异可能与生长环境的复杂性有关，例如，西部地区通常具有较低的温度、较少的降水以及较长的日照时间，这些条件可能影响种子的发育过程和养分积累。

值得注意的是，尽管西部大豆的蛋白含量较低，但其种子蛋白质量较高，尤其是在11S与7S蛋白的比例方面（Cober et al., 2023）。这表明，蛋白含量的降低并不一定意味着营养质量的下降，而是可能与大豆的代谢调控和蛋白质合成机制有关。这种现象为理解大豆种子组成的变化提供了新的视角。

### 研究方法与数据来源

为了深入探讨大豆种子组成差异的分子机制，研究团队选取了五个具有不同种子蛋白含量的大豆品种，并在四个不同的加拿大种植区域（东部的渥太华和西部的莫登、布兰登、萨斯卡通）进行了种植实验。实验中，研究人员在R5阶段（种子填充期）采集了三个重复的豆荚样本，并通过液氮快速冷冻保存，随后在-80°C下进行RNA提取。RNA提取完成后，研究人员使用多种方法对RNA样品进行了质量评估，包括NanoDrop? 2000光谱仪、1%琼脂糖凝胶电泳以及Agilent的TapeStation 4200和2100 Bioanalyzer。只有RIN值高于4.5且Q30评分超过36的样品才被用于后续分析。

在RNA-测序过程中，研究团队采用了Illumina HiSeq 4000平台，通过对RNA进行配对末端测序，构建了cDNA文库。测序数据随后经过一系列生物信息学分析，包括使用dupRadar评估序列重复率、edgeR进行读数计数数据的标准化处理，以及使用QualiMap和Preseq进行读数分布和重复性分析。为了进一步揭示基因表达模式，研究团队还使用了RSeQC工具对测序数据进行了质量评估。

在基因表达差异分析中，研究团队使用了DESeq2和ashr工具，通过负二项分布广义线性模型（GLM）和Wald统计方法，筛选出具有显著表达差异的基因（调整后的p值<0.05，|log2FC|≥1.5）。最终，研究团队从35个RNA-测序文库中筛选出了25个差异表达基因集，并通过Upset图进行交叉比较，识别出至少在6个基因集中共同表达的基因。这些基因被用于后续的功能分析，包括基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路的富集分析。

### 差异表达基因的富集分析

通过对差异表达基因进行GO和KEGG通路分析，研究团队发现了一些关键的代谢通路和生物过程可能与大豆种子蛋白含量的差异有关。其中，半胱氨酸和蛋氨酸代谢通路（gmx00270）是被显著富集的通路之一。该通路中，一些基因在西部大豆中表现出显著的上调或下调，这些变化可能影响种子中蛋氨酸和半胱氨酸的合成和代谢，从而间接影响蛋白质的积累。

在西部大豆中，某些基因如Glyma.04G187600（DNMT1）表现出显著的上调，而另一些基因如Glyma.17G158100（ACS-3）则表现出显著的下调。DNMT1是一种甲基转移酶，参与S-腺苷蛋氨酸（SAM）向DNA中的胞嘧啶甲基化反应，这一过程可能影响蛋氨酸的代谢路径。而ACS-3则参与乙烯生物合成过程，其表达的降低可能表明西部大豆在乙烯合成方面存在一定的限制，这可能与环境条件如较低的温度和较少的降水有关。

此外，研究团队还发现了一些与硫代谢相关的基因，如Glyma.08G355900和Glyma.06G139300，它们在西部大豆中表现出显著的下调。这些基因可能与硫的利用和储存有关，而硫是半胱氨酸和蛋氨酸合成的重要元素。因此，西部大豆中硫代谢相关基因的表达变化可能影响种子中这些关键氨基酸的含量，从而影响蛋白质的合成和积累。

### 脂肪代谢与种子组成

除了半胱氨酸和蛋氨酸代谢，脂肪代谢也是影响大豆种子组成的重要因素。研究团队发现，某些脂肪氧化相关的基因在西部大豆中表现出显著的上调，如Glyma.13G347800（LOX7）和Glyma.07G034800（LOX9）。这些基因编码的脂氧合酶（lipoxygenases）参与了亚油酸（linoleate）向9(S)-羟基十八碳二烯酸（9(S)-HPODE）的氧化反应，这一过程可能影响种子中脂肪的结构和稳定性。

脂氧合酶的上调可能与西部大豆在低水分和低温环境下的适应机制有关。在低水分条件下，植物可能通过增加脂肪氧化来提高膜的稳定性，以应对环境压力。这种机制在植物的抗旱性和低温适应性中具有重要意义。此外，研究团队还发现了一些与蜡合成和角质层发育相关的基因在西部大豆中表现出显著的上调，这可能与植物对干旱环境的适应有关。

### 基因表达与环境适应性

通过分析不同种植区域的环境数据，研究团队发现，西部种植区的平均温度比东部种植区低4.9°C，相对湿度低5.2%，且降水较少（最高可达东部种植区的53%）。这些环境差异可能通过影响基因表达来调控大豆种子的组成。例如，温度较低可能促进某些与冷胁迫响应相关的基因表达，如Glyma.09G072000（ERF017）和Glyma.15G207700（PCO-3），这些基因的表达变化可能反映了大豆在不同环境下的适应性策略。

此外，研究团队还发现，某些基因如Glyma.12G197400（TPS14）在西部大豆中表现出显著的下调。TPS14编码的萜烯合成酶可能参与蜡合成和角质层发育，这些过程在干旱条件下尤为重要。因此，TPS14的表达变化可能与西部大豆在低水分环境下的生长适应性有关。

### 基因表达模式的多样性

研究团队通过主成分分析（PCA）对RNA-测序数据进行了可视化分析，发现不同品种的大豆在基因表达模式上存在一定的差异。例如，Ottawa（东部）的样本在两年中表现出较高的聚集性，而Saskatoon（西部）的样本则表现出较大的表达波动，尤其是在某些品种中。这种表达模式的多样性可能反映了不同品种在面对环境变化时的基因表达响应机制存在差异。

此外，研究团队还发现，某些基因如Glyma.04G187600（DNMT1）和Glyma.15G207700（PCO-3）在多个基因集中表现出一致的表达变化，这可能表明这些基因在大豆种子组成调控中具有重要的作用。通过进一步的功能分析，研究团队发现这些基因可能与蛋氨酸的代谢路径、乙烯的合成与分解以及硫代谢密切相关。

### 研究的科学意义与应用价值

本研究的结果为大豆育种和农业实践提供了重要的科学依据。通过识别出影响种子蛋白含量的基因，研究团队为未来的基因组选择（marker-assisted selection）提供了潜在的候选基因。这些基因可能用于开发适应不同环境条件的大豆品种，从而提高大豆的产量和质量。

此外，研究团队还发现，某些基因如Glyma.17G158100（ACS-3）和Glyma.08G355900（硫相关基因）的表达变化可能与环境中的硫供应有关。这为未来的农业管理提供了新的思路，即通过调整土壤中的硫含量，可能可以改善大豆种子的蛋白含量。

### 结论与展望

本研究揭示了大豆种子蛋白含量差异的潜在分子机制，表明环境因素可能通过调控基因表达来影响种子的组成。这些发现不仅有助于理解大豆在不同地理区域的生长适应性，还为未来的育种和农业实践提供了重要的参考。通过进一步研究这些基因的功能和调控机制，科学家们有望开发出更适应不同环境条件的大豆品种，从而提高大豆的产量和质量，满足不断增长的农业需求。

此外，研究团队还强调了农业规划和育种策略的重要性。在面对气候变化、人口增长和资源紧张等挑战时，理解大豆对环境的响应机制对于保障粮食安全和农业可持续发展具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨这些基因在不同环境条件下的具体作用，以及它们如何影响大豆的生长和发育过程。通过整合基因组学、代谢组学和环境数据，科学家们可以更全面地理解大豆种子组成的调控机制，为农业生产和作物改良提供更精准的科学支持。