擬南芥花粉管與柱頭互作的乙醇代謝耦合模型

擬南芥花粉管與柱頭互作的乙醇代謝耦合模型

陶璐，岳訓*

(山東農業大學信息科學與工程學院，山東 泰安 271018)

摘要：依據擬南芥公開的代謝途徑數據庫，構建了基于酶與酶的擬南芥代謝網絡模型。利用擬南芥花粉管與柱頭互作過程中的轉錄組數據，挖掘出花粉管與柱頭在互作過程中的特異表達基因，進一步將特異表達的酶基因匹配到已構建的擬南芥代謝網絡中，根據網絡拓撲模型中的節點(酶)之間的共表達關聯性，最后給出了一個擬南芥花粉管與柱頭互作的乙醇代謝耦合模型。

關鍵詞：擬南芥；授粉；代謝網絡

中圖分類號：Q942文獻標志碼：A

收稿日期：2014-11-26;修回日期：2015-01-09.

基金項目：國家社會科學

作者簡介：種樂熹，男，碩士研究生，研究方向：生物信息學；E-mail：chong_lx@163.com.

doi:10.3969/j.issn.1672-5565.2015.01.10

Ethanol metabolism coupling model betweenArabidopsispollen tube and stigma

TAO Lu, YUE Xun*

(CollegeofInformationSciencesandEngineering,ShandongAgriculturalUniversity,TaianShandong271018，China)

Abstract：According to the public database of Arabidopsis metabolism pathway, this paper constructed a metabolism correlation networks model based on enzymes correlation. Transcriptional expression data of the interaction between Arabidopsis pollen tub and stigma were used to mine significant differentially expressed genes. The significant differentially expressed genes that encoded enzymes were mapped to the enzyme correlation networks model. According to the co-regulation and inter-regulation model of the co-expressed enzymes in the consecutive steps for metabolic routes, we proposed an ethanol metabolism coupling model between Arabidopsis pollen tube and stigma.

Keywords：Arabidopsis; Pollination; Enzyme correlation networks model

傳粉與受精是植物產生種子的基礎，也是植物進行有性生殖的關鍵所在。植物雌雄配子體互作是植物生殖與發育生物學研究領域重要和熱點問題之一[1]。傳粉與受精的效率和質量直接關系到作物產量的高低。系統地闡明植物花粉管與柱頭互作的機制，對提高作物產量具有重要意義[2]。

花粉管在雌蕊組織內的導向性生長是雌雄配子體相互作用的重要階段之一[3]。與植物其他器官不同，花粉管以極性而非擴散性方式生長。花粉管可以在體外簡單培養基中生長[4]，而當其在雌蕊體內生長時，雌蕊提供其快速生長所需的物質。在過去的20多年中，為了探究植物花粉管與柱頭在授粉過程中的調控機理，科學家們對此進行了大量的研究[5-6]。但是，授粉過程中雌雄配子體互作的分子調控機制細節仍然不是很清楚[7]。

隨著擬南芥(Arabidopsis thaliana)等植物基因組全序列測定的完成，在后基因組學與蛋白質組學時代，轉錄組、蛋白組等組學技術的應用和從計算系統生物學水平上系統深入開展雌雄配子體互作調控網絡的研究，已成為植物生殖與發育生物學研究領域的重要發展趨勢。

本文從計算系統生物學水平上對擬南芥花粉管在柱頭引導組織中導向生長過程中的互作機制進行探究，依據擬南芥公開的代謝途徑數據庫，構建了基于酶與酶的擬南芥代謝網絡模型。然后利用擬南芥花粉管和柱頭互作過程中的轉錄表達數據，挖掘互作過程中的特異表達的基因，進一步將特異表達基因編碼的酶匹配到已構建的代謝互作網絡中，根據網絡拓撲結構中的節點關聯性，發現柱頭組織可以通過產生的乙醇參與到花粉管TCA循環中，間接為花粉管在柱頭組織中的快速生長提供能量和營養物質。最后給出了一個擬南芥花粉管與柱頭互作的乙醇代謝耦合模型。

1材料、數據及方法

1.1擬南芥柱頭數據

Boavida利用擬南芥ATH1的全基因組陣列, 比較了野生型未授粉柱頭與授粉后0.5H，3.5H和8H柱頭的表達譜，得到了擬南芥Affymetrix ATH1寡核苷酸微陣列芯片數據[8]。本文以這組芯片數據為基礎，通過數據分析等方法對擬南芥花粉管與柱頭的互作機制進行分析(NCBI基因綜合數據庫編號：GSE27281)。

1.2擬南芥花粉管數據

采用Qin et al.研究獲得的包括干花粉粒、未萌發花粉、離體培養0.5H和4H的花粉、萌發的花粉和在柱頭中生長的花粉管等的芯片數據[9](NCBI基因綜合數據庫編號：GSE17343)。

1.3擬南芥代謝網絡的構建

構建擬南芥代謝網絡需按照以下七步進行：

(1)從擬南芥代謝途徑數據庫(http://www. Arabidopsis. org/biocyc/)中下載源數據文件(TXT格式)。文件中包含有540個代謝途徑，7 127個酶，3 418個生化反應，3 323個化合物等內容。

(2)源數據文件中的內容并不是都對構建代謝網絡有效，所有先將擬南芥代謝途徑數據文件(包括代謝途徑、反應酶、相關基因、反應式和各種化合物)導入Oracle數據庫，做數據預處理。

(3)代謝網絡模型構建規則的確定。如圖1所示，如果在酶1的催化下反應生成了底物A和B，底物A或者底物B又經過酶2的催化反應生成了底物C，那么酶1和酶2就建立起了關聯。代謝物反應式是確定酶與酶是否存在聯系的依據。在代謝網絡模型中，網絡拓撲中的一個節點就代表一個酶，一條邊代表兩個節點(酶)之間存在關聯。

圖1　代謝網絡模型構建規則

(4)在確定了代謝網絡構建規則的基礎上，利用Oracle數據庫和SQL(結構化查詢語言)對源文件處理。首先從源數據文件中提取出存在的反應關系式以及相對應催化反應關系式的酶。然后利用SQL語句，將反應關系式中的反應物與催化該反應的酶進行一一對應，同時將反應關系式中的生成物與催化該反應的酶進行一一對應。

(5)剔除上述兩組數據中含有小分子(H+, NADH, NADP, NADPH, NH3, ATP, ADP, AMP, NAD, CoA, O2, CO2, Glu 和pyrophosphate)的反應物或生成物記錄。由于這些小分子通常是作為細胞電子轉移的媒介，與代謝過程作用不大。如不剔除，會增加所構建網絡的負擔，對進一步的網絡拓撲分析造成一定的干擾。

(6)利用Oracle數據庫平臺和SQL語句，在代謝網絡構建規則的基礎上構建酶與酶一一對應的關系。完成構建網絡前的必需數據預處理準備。

(7)將上一步中已經處理準備好的酶與酶一一對應的數據導入生物分子網絡分析軟件Cytoscape。最后，擬南芥代謝網絡模型在Cytoscape平臺上直觀呈現出來[10]。如圖2(a)所示。

1.4基因本體分析

基因本體(Gene ontology, GO)是一個在生物信息學領域中廣泛使用的本體。它主要包括三個分支：細胞組件、分子功能和生物過程[11]。本文使用的生物網絡基因本體分析工具是軟件Cytoscape中的一個插件(BiNGO 2.3)[12]，用來識別過表達基因的P值在5×10-5水平上的功能團。

1.5差異基因

那些在至少一個生物學過程中特異表達，并且野生型和實驗體差異倍數大于等于2，錯誤反現率小于等于1×10-10的基因，被認為是差異基因。利用差異基因進行GO分析，可以大致確定差異基因的生物功能。

1.6擬南芥花粉管和柱頭的差異基因編碼酶的子網絡的構建

從擬南芥代謝途徑數據庫(http://www.arabidopsis.org/biocyc/)中下載代謝途徑(pathway)的源數據文件。文件中包含有酶編號和基因編號等內容。將文件導入到Oracle數據庫中，利用SQL語句找到擬南芥花粉管和柱頭中差異基因編碼的酶。在擬南芥代謝網絡模型中將擬南芥花粉管和柱頭在授粉過程中特異表達基因編碼的酶表示出來。如圖2(b, c)，分別是擬南芥花粉管和柱頭在授粉過程中特意表達的基因編碼酶在已構建的擬南芥代謝網絡中的標記，圖2(d, e)分別是擬南芥花粉管和柱頭在授粉過程中特意表達的基因編碼的酶所構成的子網絡模型。

圖2　擬南芥花粉管和柱頭代謝網絡拓撲

注：(a) 擬南芥代謝網絡模型；(b) 突出顯示的是擬南芥花粉管在授粉過程中特意表達的基因所編碼的酶在已構建的擬南芥代謝網絡中的標記；(c) 突出顯示的是擬南芥柱頭在授粉過程中特意表達的基因所編碼的酶在已構建的擬南芥代謝網絡中的標記；(d) 擬南芥花粉管在授粉過程中特意表達的基因所編碼的酶所構成的子網絡模型；(e) 擬南芥花粉管在授粉過程中特意表達的基因所編碼的酶所構成的子網絡模型.

Notes:(a) The metabolic network model of Arabidopsis; (b) The enzymes encoded by differentially expressed genes in pollen tube during the process of pollination were highlighted in the metabolic network model of Arabidopsis; (c) The enzymes encoded by differentially expressed genes in stigma during the process of pollination were highlighted in the metabolic network model of Arabidopsis; (d) The sub-network constructed by the enzymes which encoded by differentially expressed genes in pollen tube; (e) The sub-network constructed by the enzymes which encoded by differentially expressed genes in stigma.

2結果與分析

2.1擬南芥花粉管和柱頭的差異基因

在擬南芥花粉管中找到1 121個差異基因，在擬南芥柱頭中找到了1 468個差異基因，這些差異基因在授粉過程中的表達水平都比較顯著。而后，利用生物網絡基因本體分析工具(BiNGO 2.3)[12]，分析擬南芥花粉管和柱頭的差異基因，發現大部分的差異基因都富集在幾個分類類別中，如“代謝過程”，“生物合成過程”，“細胞壁修復”，“株型細胞壁松弛”和“細菌應對防御”。

2.3擬南芥花粉管中乙醇二級代謝和TCA代謝途徑上酶基因的特異表達

通過對擬南芥花粉管和柱頭數據的分析，發現了一些編碼催化連續反應的共表達酶的特意表達基因。

擬南芥授粉花粉管中乙醇二級代謝(如圖3)：(1)AT5G63620 編碼乙醇脫氫酶(alcohol dehydrogenase)(EC:1.1.1.1)，催化乙醇(ethanol)轉化為乙醛(acetaldehyde)；(2)AT1G54100 編碼乙醛脫氫酶(aldehyde dehydrogenase)(EC:1.2.1.3)，催化乙醛(acetaldehyde)轉化為醋酸鹽(acetate)；(3)AT5G36880 編碼乙酰輔酶A合成酶(acetyl-CoA synthetase)(EC:6.2.1.1)，催化醋酸鹽(acetate)轉化為乙酰輔酶( acetyl-CoA)。

擬南芥授粉花粉管中TCA循環代謝(如圖4)：(1)AT2G17130 編碼異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase)(NAD+)(EC:1.1.1.41)，催化檸檬酸脫氫酶(D-threo-isocitrate)轉化為2-氧戊二酸鹽(2-oxoglutarate)；(2)AT5G65750和AT3G55410編碼2-氧戊二酸鹽脫氫酶E1 (2-oxoglutarate dehydrogenase E1)(EC 1.2.4.2)，催化2-氧戊二酸鹽(2-oxoglutarate)轉化為琥珀酰輔酶A(succinyl-CoA)；(3)AT5G08300 編碼琥珀酰輔酶A合成酶 (Succinyl-CoA synthetase)(EC 6.2.1.5)，催化琥珀酰輔酶A (Succinyl-CoA)轉化為琥珀酸鹽(succinate)；(4)AT5G66760編碼琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase (ubiquinone) flavoprotein subunit)(EC 1.3.5.1)，催化琥珀酸鹽(Succinate)轉化為延胡索酸鹽(Fumarate)。

如上數據都表明：在擬南芥花粉管中，乙醇通過二級代謝可參與到TCA循環代謝途徑中，促進花粉管中ATP產量的提高，為花粉管在柱頭引導組織中極性、快速生長提供能量和物質保障。

2.4擬南芥柱頭中糖酵解代謝途徑上酶基因的特異表達

花粉管是目前所知的生長的最快的植物細胞。而這種快速的生長模式，就需要大量的能量和物質做基礎[13]。為了滿足快速生長花粉管的細胞需求，柱頭中大量的蛋白質合成、生化反應等代謝途徑被激活，為花粉管的快速生長提供充足的物質和能量[14]。利用多組學網絡分析的方法同樣發現，在擬南芥授粉的柱頭中，所編碼共表達酶的基因、糖酵解的連續反應以及與能產生高能營養(乙醇)的關鍵酶的轉錄表達水平都呈現出明顯升高趨勢。如圖5所示。

圖3　擬南芥花粉管中乙醇二級代謝

圖4　擬南芥花粉管中 TCA循環代謝途徑

(1)兩個擬南芥基因(AT1G20950和AT4G04040)編碼6-磷酸果糖轉磷酸酶(fructose-6-phosphate 1-phosphotransferase) (EC 2.7.1.90)。催化6-磷酸果糖轉磷酸酶(fructose-6-phosphate 1-phosphotransferase)轉化為果糖(fructose-1)和磷酸(6-bisphosphate)，作為糖酵解(glycolysis IV)代謝途徑的最開始反應。

(2)在糖酵解代謝的第二步中，多組學網絡分析表明在擬南芥中沒有編碼果糖二磷酸醛縮酶(fructose-bisphosphate aldolase) (EC 4.1.2.13)的差異基因，果糖二磷酸醛縮酶可以催化果糖(fructose-1)、二磷酸(fructose-1)轉化為3-磷酸甘油醛(D-glyceraldehyde 3-phosphate)。本文推斷果糖二磷酸醛縮酶(fructose-bisphosphate aldolase)可能是起因于被稱為“自噬行為”的細胞降解過程。

(3)兩個擬南芥基因(AT1G16300 和 AT1G79530)編碼甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase) (GAPDH) (EC 1.2.1.12)，催化D-3-磷酸甘油醛(D-glyceraldehyde 3-phosphate)轉化為1,3-二磷酸-D-甘油酸(1,3-bisphospho-D-glycerate)。

(4)磷酸甘油酸激酶(Phosphoglycerate kinase) (EC 2.7.2.3)，催化1,3-二磷酸-D-甘油酸(1,3-bisphospho-D-glycerate)轉化為3-磷酸-D-甘油酸(3-phospho-D-glycerate)。重要的是，擬南芥的柱頭中并沒有發現編碼磷酸甘油酸激酶的基因。而后，通過重新查找這些基因的源數據庫，結果與分析發現結論一致。

(5)AT1G09780編碼2,3-二磷酸甘油酸依賴性磷酸甘油酸變位酶(2,3-bisphosphoglycerate-dependent phosphoglycerate mutase) (EC 5.4.2.1)，催化3-磷酸-D-甘油酸(3-phospho-D-glycerate)轉化為2-磷酸-D-甘油酸(2-phospho-D-glycerate)。

(6)AT1G74030編碼烯醇酶(enolase) (EC 4.2.1.11)，催化2-磷酸-D-甘油酸(2-phospho-D-glycerate)轉化為磷酸烯醇丙酮酸鹽(phosphoenolpyruvate)。

(7)丙酮酸激酶(pyruvate kinase) (PKM2) (EC 2.7.1.40)，催化磷酸烯醇丙酮酸鹽(phosphoenolpyruvate)轉化為丙酮酸鹽(pyruvate)，是糖酵解反應最后的一個步驟。

有趣的是，在分析過程中發現了幾個能產生高能營養物質(乙醇)的關鍵酶。首先三個擬南芥基因(AT1G04040, AT3G17790 和 AT3G52820)編碼了酸性磷酸酶(acid phosphatase) (EC 3.1.3.2)催化磷酸單酯(phosphate monoester)轉化為乙醇(ethanol)。其次，兩個擬南芥基因編碼了甘油磷酸二脂酶(glycerophosphodiester phosphodiesterase) (EC 3.1.4.46)，催化甘油磷酸二脂酶(glycerophosphodiester)轉化為乙醇(ethanol)。

圖5　擬南芥柱頭中的糖酵解代謝

3討論

通過上面的數據分析表明：當授粉后的花粉管在柱頭分泌區的細胞外基質中生長時，柱頭可能確實能被激活許多代謝活動，為花粉管生長提供能量和所需物質。例如，糖酵解相關的代謝途徑被激活：糖分轉化為丙酮酸，丙酮酸被進一步代謝為高能營養物質乙醇，柱頭組織中的乙醇又被轉運到極性、快速生長的花粉管中，參與到花粉管的TCA循環代謝途徑，產生能量和營養物質。

根據上述分析，本文提出了擬南芥花粉管與柱頭互作的乙醇耦合模型(如圖6)。

圖6　擬南芥花粉管與柱頭互作的乙醇代謝耦合模型

花粉萌發和花粉管的快速生長是一個需要大量能量和物質的生物過程。特別是某些代謝途徑，如細胞質溶質的糖酵解代謝等，這些代謝過程中產生的丙酮酸脫氫酶、TCA(檸檬酸)循環、乙醇等都對花粉管的生長有著非常重要的作用。

(1)當花粉管在柱頭的引導組織中生長延長時，花粉管的延長觸發了柱頭引導組織中糖酵解產生的能量的轉移，激活了糖類物質轉化為丙酮酸鹽。

(2)丙酮酸鹽進一步代謝為能被花粉管吸收利用的高能營養物質乙醇。

(3)在花粉管中乙醇通過II級降解，進一步代謝為乙酰輔酶A(acetyl-CoA)。

(4)乙酰輔酶A(acetyl-CoA)參與到花粉管的TCA循環匯總，促進了ATP產量的增加，從而為花粉管的快速生長提供了能量保證。

綜上，在擬南芥花粉管和柱頭的互作生物學問題背景下，從計算系統生物學水平上，以擬南芥花粉管和柱頭代謝組學數據為基礎，運用多組學網絡分析方法，構建了擬南芥代謝互作網絡模型，進一步挖掘擬南芥花粉管和柱頭在授粉過程中特異表達的基因，根據網絡拓撲中的節點關聯性和代謝互作網絡的實際生物學問題，發現擬南芥花粉管中的乙醇和柱頭中糖酵解代謝產生的被轉運到花粉管中的乙醇可以參與到花粉管TCA循環代謝途徑中，為花粉管在柱頭引導組織中快速、極性生長所需要的能量和營養物質提供了保障。最后，本文建立了擬南芥花粉管和柱頭互作的乙醇代謝耦合模型。

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*通信作者：胡德華，男，教授，博士生導師，研究方向：生物信息學;E-mail：hudehua2000@163.com.