科研论文丨真迈测序平台助力外源补钙对罗氏沼虾蜕皮影响机制的相关研究
时间:
2024-06-14
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文章梗概


近日,湖州学院生命科学学院浙江省水产资源保护与开发重点实验室在 Aquaculture IF 4.5发表题为Changes in molting frequency and expression patterns of molting-related genes in Macrobrachium rosenbergii with exogenous calcium supplement in water 的研究成果。为研究外源补钙对罗氏沼虾(Macrobrachium rosenbergii)脱皮的影响,该研究采用25 mg/L、85 mg/L、145 mg/L和205 mg/L梯度钙浓度的水对罗氏沼虾进行培养试验。结果表明,145 mg/L浓度组的累积脱皮率最高。145 mg/L浓度组在脱皮前和脱皮后均表现出较高的脱皮相关酶(谷氨酰胺合成酶、β- n -乙酰氨基葡萄糖酶和几丁质酶)活性。145 mg/L组与对照组相比,外骨骼外表皮密度增大,鞘内增厚,上皮细胞形态呈柱状;基于GenoLab M高通量测序平台的转录组测序结果显示,一些差异基因在溶酶体和钙信号等通路中显著富集。同时,145 mg/L剂量组脱皮相关基因维甲酸X受体、蜕皮激素受体、钙调磷酸酶等基因的表达水平显著升高。在205 mg/L浓度下,罗氏沼虾Na+/K+ ATP酶α亚基的表达受到抑制,影响其蜕皮。综上所述,在水中适量补充钙可以促进罗氏沼虾的蜕皮和外骨骼矿化。该研究为甲壳类水产养殖中外源补钙提供了理论依据。


背景介绍

蜕皮是甲壳类海洋生物生命周期中重要的生理过程,对甲壳类海洋生物的生长发育、繁殖和肢体再生具有重要作用。这一过程的特点是一系列形态学变化,主要包括蜕皮期间(C)、蜕皮前(D)、蜕皮(E)和蜕皮后(AB)阶段。甲壳类动物的外骨骼主要由碳酸钙组成,钙的来源是食物、水和体内储存。然而,饲料中的钙含量不能满足甲壳类动物蜕皮的需要。因此,在水中添加外源钙已成为甲壳类水产养殖的普遍做法。人们普遍认为,在水中适量补充外源钙可以促进甲壳类脱壳。但目前外源钙补充对甲壳类动物蜕皮影响的分子机制尚不清楚。


*以下为该研究成果解读

结果概要

01 转录组揭示不同钙浓度下肝胰脏基因表达

为了阐明不同钙浓度下罗氏沼虾换壳的遗传调控机制,该研究对罗氏沼虾肝胰腺样本进行了RNA-seq分析。差异分析表明, 145 mg/L组大多数差异基因上调(图1B)。145 mg/L组 VS 25 mg/L组、85 mg/L组 VS 145 mg/L组中鉴定的差异基因数量大约是85 mg/L组 VS 25 mg/L组、205 mg/L组 VS 25 mg/L组、145 mg/L组 VS 205 mg/L组比较中鉴定的差异基因数量的2倍(图1C)。在5个比较组中,共有18、19、17、24和22个KEGG通路被显著富集,如MAPK信号通路(ko04010)和Wnt信号通路(ko04310)。代谢途径(ko01100)是两两比较中检测到的共有通路,除145 mg/L组和205 mg/L组比较外,4组均检测到溶酶体信号通路。有趣的是,钙信号通路(ko04020)和溶酶体通路(ko04142)在85 mg/L组和145 mg/L组的比较中被显著富集(图1D),钙信号通路在205 mg/L组和25 mg/L组的比较中也被显著富集。

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图1 两两比较罗氏沼虾4组间差异表达基因的数量


02 转录组揭示外源补钙对虾蜕皮调控关键基因

为了进一步筛选出蜕皮调控的关键候选基因,该研究对溶酶体和钙信号通路中的差异基因进行了筛选和聚类(图2A)。聚类分析表明,145 mg/L组与其他组相比具有特定的基因表达模式,205 mg/L组的基因表达趋势与对照组相似。145 mg/L组鞘磷脂磷酸二酯酶、组织蛋白酶D、组织蛋白酶L、组织蛋白酶B单钙转运蛋白和腺嘌呤核苷酸转位酶等基因的表达水平在中上调,而外源性类固醇调节样蛋白的表达受到抑制。溶酶体途径中的ERP抑制蜕皮激素的产生。此外,鞘磷脂磷酸二酯酶、组织蛋白酶D、组织蛋白酶L、组织蛋白酶B等基因位于溶酶体通路的关键节点,其表达水平上调会调节溶酶体中的钙通道(图3)。

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图2 钙调控罗氏沼虾蜕皮的遗传途径概述




为了揭示4组的基因表达动态,使用TCseq对所有差异进行表达趋势分析,并根据4组的基因表达趋势选择两个聚类(图3B)。聚类1显示1461个差异基因聚集在一起,145 mg/ L组基因表达量最高。KEGG富集分析表明,差异基因在“氧化磷酸化”(ko00190)中显著富集。随着钙浓度的升高,簇2整体呈上升趋势。KEGG富集分析显示,基因主要富集于“Rap1信号通路”(ko04015)和“FoxO信号通路”(ko04068)。

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图3 参与溶酶体和钙信号通路的差异基因热图





结论

1. 本文研究了不同钙浓度水中罗氏沼虾蜕皮频率、蜕皮相关酶、外骨骼矿化和转录调控的变化。研究发现,适量的外源补钙可以促进罗氏沼虾的蜕皮和外骨骼矿化;

2. RNA-seq分析表明,适当的钙浓度可抑制蜕皮抑制激素(MIH)和 fushitarazu factor 1 (ftz-f1) 的表达水平,从而介导MIH信号通路下游基因的表达,影响罗氏沼虾的蜕皮过程;

3. 水中钙含量过高会抑制ATPase alpha subunit (atpa) 的表达,影响罗氏沼虾的蜕皮。这些发现有助于理解钙调控罗氏沼虾蜕皮的分子机制。


参考文献

Ding, Li, et al. "Changes in molting frequency and expression patterns of molting-related genes in Macrobrachium rosenbergii with exogenous calcium supplement in water." Aquaculture 586 (2024): 740761.


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