油菜发育表达资源:研究油菜花转化过程中基因表达动态的资源

背景

转录组时间序列可用于跟踪基因在发育过程中的表达，从而确定遗传程序的时间、强度和动态。此外，时间序列分析可以揭示基因之间的因果关系，从而了解在发育过程中调节网络是如何重新连接的。由于其对产量的影响，农作物农业利益的发展转变是从营养生长到花生长的转变。我们之前报道了异源多倍体作物花转化过程中全基因组基因表达数据的收集芸苔属植物显著(油籽，OSR)。为了使OSR研究社区能够方便地访问该数据集，我们开发了油菜发育表达资源(ORDER;http://order.jic.ac.uk）.

结果

ORDER使用户能够搜索感兴趣的基因，并绘制冬季和春季各种OSR的花转换过程中的表达模式。我们通过两个案例研究来说明ORDER的效用:第一个研究转录因子之间的相互作用，第二个比较介导OSR和萝卜之间春化反应的基因(萝卜l .)。所有数据均可下载，而作为ORDER基础的通用网站平台(称为AionPlot)可免费公开使用，以促进其他时间序列数据集的传播。

结论

ORDER为OSR研究界提供了一个数据集，该数据集集中在对产量重要的OSR发展时期。AionPlot是构建ORDER的平台，它将允许来自所有领域的研究人员共享相似的时间序列数据集。

芸苔属植物显著(油料强奸;OSR是一种异源多倍体作物，是仅次于大豆的全球第二大种子油来源[1]。从营养生长到花生长的过程是OSR在农业上重要的发育转变。模式植物物种中参与这种转变的基因拟南芥(拟南芥)的特性很好[2]。虽然拟南芥与OSR在同一个分类科(芸苔科)，但在芸苔系中发生了全基因组复制[3.，4，5]，导致拟南芥基因的多个OSR同源物，其中许多被保留下来。确定拟南芥开花时间基因的OSR同源基因是否以及如何在功能上分化是将知识从拟南芥转化为OSR的必要条件。

在之前的研究中，我们发现表达动态的变化，特别是与开花相关的基因的变化，是OSR中复制基因的共同进化途径[6]。这种推断的调控差异通过RNA-Seq对组织样本进行评估，这些样本来自于从顶端到叶片的花转变过程，从而产生了一个全面的OSR转录组时间序列。为芸苔界的研究人员提供探索和挖掘该数据集的方便访问是开发和描述所呈现资源的动机。

表达式数据的存储库[7，8，9但获取的方便性往往有限。为了解决这个问题，查询和分析工具已经可用，可以可视化许多不同的实验和实验设计[10，11，12，13]。这些工具促进了许多不同数据集的元分析，尽管因此，可视化通常被简化了。其他项目的范围更窄，提供单个数据集的前端。“电子荧光象形文字”浏览器显示来自拟南芥不同发育阶段器官的微阵列数据[14]作为图像热图[15]。这提供了一种直观的方法来查询这个大型数据集，尽管以这种方式可以可视化的数据集类型的灵活性为代价。Brassica数据库BRAD是一个储存芸苔作物遗传数据的数据库[16]，而许多植物物种的同源性和基因同源性数据可作为Ensembl Plants数据库的一部分获得[17]。性状和基因型数据可以提交到芸苔属信息门户网站，促进对这些数据的程序化访问，并使元分析能够进行[18]。虽然这些集中存储库存在于芸苔属作物，但我们不知道目前有什么资源或服务适合于时间序列基因表达数据的可视化。

为了以直观的方式查询和可视化转录组时间序列数据集，我们开发了油菜发育表达资源(ORDER;http://order.jic.ac.uk）.数据库目前提供对我们先前报告的数据集的访问[6]，可以很容易地扩展到类似的数据集。利用拟南芥和芸苔属的基因标识符查询数据库，发现所有OSR基因都具有序列相似性，从而可以比较同源物的表达。基于序列的搜索功能也可用，允许使用在ORDER中无法获得同源信息的物种的基因来查询数据库。

为了演示该网站的实用性，本文讨论了两个案例研究。第一种方法使用自适应绘图函数来比较的OSR同源物的表达AGAMOUS-LIKE 24（AGL24),APETALA1（AP1)，鉴定出与基因间拮抗调控关系一致的表达轨迹。第二种方法使用基于序列相似性的搜索函数来比较序列的行为开花地点c（方法)萝卜的同源物(萝卜L.)到OSR中的人。ORDER所基于的平台Aionplot可以免费下载。AionPlot接受任意时间序列数据，允许研究人员设置像ORDER这样的资源，以便用户可以访问和绘制数据集。

实现

该网站使用Bootstrap框架作为用户界面。Bootstrap框架提供了一个干净、清晰的接口，适用于不同的设备。因此，ORDER在电脑和平板电脑上同样可用。网站的响应元素使用Javascript和jQuery，绘图功能使用D3.js库。使用的数据库是MongoDB(版本4.0.6)，服务器代码用Python(版本2.7.5)编写，使用Flask web开发框架。AionPlot作为Docker容器可用。这允许在本地机器上访问实例，以及向公众提供生产实例。AionPlot的源代码(https://github.com/marc-jones/aionplot)和初始化ORDER的数据文件(https://bitbucket.org/marc-jones/order-data-files)在公开可用的存储库中可用。

OSR开发时间序列和ORDER接口

我们用来研究OSR发育过程中基因表达的转录组时间序列[6]为芸苔研究界提供了宝贵的数据资源。该数据集包含花期前、花期中和花期后收集的先端和叶组织的全基因组基因表达数据。虽然我们之前的工作只报道了春季品种的OSR，但我们也收集了欧洲冬季品种的材料，以便研究春化反应。我们将ORDER作为一种资源，允许用户快速方便地搜索该数据集，以研究他们感兴趣的基因的表达动态。

可以使用与拟南芥或芸苔基因的序列相似性来搜索数据集(图2)。1)，或者序列与用户提交的序列相似度(图2)。2）.所选的OSR基因，或与所选同源基因序列相似的OSR基因，作为清单显示在搜索框下方(图2)。1）.选择其中一个OSR基因将绘制相应的表达谱。此外，将鼠标悬停在清单中的每个基因上，就会显示该基因所在的OSR染色体。数据的两个方面可以由用户操纵，以方便两个品种和两个组织之间的比较。在图上同时绘制多个同源物的表达轨迹会降低图的清晰度。为了减轻这种情况，可以切换错误条的绘制，将鼠标悬停在图例中的基因名称上，突出显示该基因在图中的表达轨迹。绘制的时间间隔可以通过位于搜索框下方的滑块进行控制，以生成专注于特定发展时期的绘图。最后，生成的图图、所选基因的cDNA序列和表达值表均可在此页面下载。

ORDER目前包含已发表的拟南芥的同源映射[TAIR10]19]],芸苔属植物oleracea[第43版]17]],芸苔属植物拉伯[BRAD v3.0]16，20.[]和OSR[泛转录组[21基因模型。为了允许用户基于与不同基因模型的同源性进行搜索，ORDER包含了一个使用BLAST算法的搜索工具[22]来识别与用户提交的序列相似的OSR基因(图2)。2）.为了绘制算法识别的基因的表达模式，用户返回到搜索页面并选择与识别的基因对应的复选框。

为了比较使用ORDER和先前出版物确定的结果，确定基因在基因组中的位置是有用的。为了方便起见，ORDER为在Search页面上被选择的基因生成了一个信息表(图2)。3.）.这个表格包含了基因所在的染色体，以及它们在染色体上的起始和结束位置。如果适用，将显示用于查询数据库的基因名称，以及BLAST算法识别的查询基因或序列之间相似的序列身份百分比、序列相似度评分和序列长度。此外，还可以看到通过BLAST算法识别出与所选OSR基因序列相似的其他基因。子表中的行颜色对应于每组基因模型中最匹配的基因模型。如果OSR基因是鉴定出的最佳匹配，或者是最佳匹配的剪接异构体，那么这一行将分别被涂成绿色或橙色。这种颜色也用于搜索页面，以帮助确定最有可能是同源基因的基因输入到搜索框。其他社区资源的链接都集成在这个页面上。OSR基因的名称是一个超链接，使用者可以在OSR基因组的基因组浏览器中找到该基因的位置[23]，而拟南芥和b . oleracea基因名称超链接将用户分别带到拟南芥信息资源或集合植物的相应条目[17，24]。在下面的章节中，我们将通过两个案例研究，展示ORDER在研究OSR中开花时间调控方面的效用。

案例研究1:花整合体之间潜在的调控相互作用

AGL24是一种已知的拟南芥花整合子，在营养分生组织中表达并促进花的转变[25，26]。突变体缺乏AGL24表现出延迟开花，而过度表达基因的品系则是提前开花[25，26]。植物overexpressingAGL24也显示花分生组织向花序芽的部分逆转，表明该基因有助于维持分生组织在花序状态[27]。因此，虽然该基因最初促进花的转变，但随着花的发育，该基因的表达必须下调，以防止花的逆转[27]。这种抑制是由第二个拟南芥花整合子直接介导的，AP1［27，28，29]。

调查调查…的行为AP1和AGL24在OSR中，使用ORDER绘制OSR同源物的表达谱(BnAP1，BnAGL24）.在ORDER中，有8个基因模型与AP1(补充表1）.四份BnAP1在这两个品种的花体顶端的花体转变过程中都有类似的上调(BnAP1。A7b，BnAP1。C6b(无花果。4]，BnAP1。A7a BnAP1。C6a(补充图1),而BnAP1.A2.Random相对于Westar, Tapidor在顶端的上调程度要高得多(补充图1b).比较……的副本BnAP1在不同品种之间表达上调，在时间序列上存在差异，在Westar时间序列的第65天开始表达增加，而在Tapidor时间序列的第72天至第83天开始表达增加。这种差异很好地与品种之间观察到的发育时间的偏移一致(补充图)2）.相比之下，其余三个拷贝的表达水平要低得多，并且对春化处理表现出轻微的表达反应(补充图)3.）.四个BnAGL24在染色体A1、A3、C1和C7上鉴定出基因模型(补充表)1）.这四个基因的表达谱可以分为两种行为。BnAGL24。A3和BnAGL24。C7都在春化处理前高度表达，并在整个处理过程中保持相似的表达水平(图2)。4）.处理后，这两个拷贝下降到相似的水平，尽管相对于Westar, Tapidor的下降速度较慢(图2)。4）.这种表达方式与…的表达方式非常相似AGL24在拟南芥中[27]。另外两个BnAGL24的基因,BnAGL24。A1和BnAGL24。C1，表现出明显不同的行为，在春化处理期间略有增加，然后在处理后迅速增加表达，随后在时间序列的末尾下降(补充图)4）.

为了比较BnAP1和BnAGL24，将两个基因的同源物结合ORDER绘图特征进行可视化。为了清楚起见，这两个表达最强烈BnAP1基因(BnAP1。A7b和BnAP1。C6b)和两个BnAGL24与拟南芥(BnAGL24。A3和BnAGL24。C7)绘制(图2)。4）.春化后表达水平BnAP1。A7b和BnAP1。C6b的表达减少的同时增加BnAGL24。A3和BnAGL24。C7在两个品种的顶端(图2)。4）.这些表达谱与抑制一致BnAGL24同系物的BnAP1拟南芥的研究结果表明[27，28，29]。那表达的水平BnAGL24基因开始减少之前BnAP1在Tapidor中开始增加的基因表明，其他蛋白质也可能在抑制中发挥作用BnAGL24OSR。

案例研究2:比较开花地点c（方法)来自萝卜的同源物

萝卜(萝卜L.)是一种作为根茎作物种植的二倍体植物，与OSR一样，也是芸苔科的一员[30.]。拟南芥基因预计在萝卜基因组中有多个同源物，因为基因组三复制事件存在于芸苔系的进化史中[3.，4，5]也和萝卜共用[30.]。一些证据表明，开花时间途径的某些方面在萝卜和芸苔属物种之间是保守的[31]。特别是三萝卜方法orthologues (RsFLC1，RsFLC2,RsFLC3)，所有这些基因在拟南芥中过度表达时都会抑制开花[32]。的表达式RsFLC1基因也被发现在晚抽苔的萝卜品种中相对于早抽苔的品种更高，这与作用一致方法在拟南芥和芸苔属植物中发挥作用[33]。

为了比较RsFLC与OSR基因相同的基因序列RsFLC1，RsFLC2,RsFLC3使用BLAST搜索功能查询ORDER。在ORDER数据库中确定了18、22和20个BLAST命中RsFLC1，RsFLC2,RsFLC3分别(补充表2）.除了…之外BnFLC拟南芥基因的OSR同源物小麦影响开花1-4和AGL6采用BLAST算法进行识别。然而，BLAST的最高得分为RsFLC1，RsFLC2,RsFLC3都是BnFLC因此，这些基因被视为相应的同源OSR基因(表2)1）.

所有鉴定出的OSR同源物都位于A基因组上，这与萝卜和红萝卜之间更密切的进化关系一致b·拉伯［30.]。有趣的是，三个同源的BnFLC基因似乎在表达动态上出现了分歧。三个基因中的两个(BnFLC。A2和BnFLC。A10)在冷处理前在Tapidor的两种组织中的表达比Westar高(图2)。5）.在冷处理过程中，三种OSR的表达均显著降低方法基因减少，并在寒冷后保持低于开始水平。这与BnFLC由于暴露在寒冷中，基因在表观遗传上沉默，如拟南芥[34]。由于西星是春季品种，因此不需要春化就能开花，表达度高BnFLC。A3在冷处理之前(与在Tapidor中观察到的水平相似)表明这种抑制方法开花不需要基因。的行为BnFLC。A10与另一项研究一致，该研究发现该基因在冬季和春季OSR品种之间存在差异表达[35]。正如在一些拟南芥中观察到的那样方法等位基因(34]，BnFLC基因有时在寒冷后表现出再激活。BnFLC。A3春化处理后，两个品种的表达都部分恢复，而春化处理后的表达也有一定程度的重新激活BnFLC。A2和BnFLC。A10在貘的叶片组织中(图2)。5）.这可能是由于寒冷的时间长短或寒冷的严重程度，不足以导致这些基因完全的表观遗传沉默。或者，这可能是由于这些沉默BnFLC基因是短暂的，就像方法多年生植物的同源物[36]。

自微阵列和RNA测序出现以来，许多研究收集了全基因组范围内的基因表达数据。尽管来自这些研究的数据存储在网上的公共存储库中，但如果不首先进行最低限度的生物信息学来量化基因表达水平，就无法查询到这些数据。ORDER的目标是创建一个芸苔植物社区资源，允许用户轻松搜索感兴趣的OSR基因并绘制表达谱。ORDER提供了两个OSR品种的发展时间序列[6]，可以很容易地扩展到包括更多的数据集。为了演示ORDER在探索转录组时间序列方面的实用性，本文概述了使用该网站的两个示例。该网站的未来发展将以用户反馈为指导，例如，可以将重点放在进一步整合其他芸苔作物资源和改进数据分析工具上。

除了对芸苔属植物基因表达可视化工具的需求外，还缺乏直观传播时间序列数据的方法。ORDER是作为芸苔植物社区的资源呈现的，然而，底层平台AionPlot对用于初始化网站的时间序列数据是不可知的。因此，AionPlot允许为其他时间序列数据集轻松创建网站。

双重搜索功能允许完全访问数据集，允许用户使用序列相似性来搜索拟南芥基因或用户提交的序列。网站的组织是这样的，任何时间序列数据，无论其来源，都可以使用网站代码进行可视化。该网站代码作为AionPlot工具提供给社区。

可用性和需求

项目名称:ORDER:油菜发育表达资源。项目主页:order.jic.ac.uk．操作系统:与平台无关。编程语言:Python和Javascript。其他要求:无。许可证:GNU GPL。非学者使用的任何限制:遵守GNU GPL许可证。

植物生长，样品制备，基因表达定量

芸苔属植物显著简历。西星和芸苔属植物显著简历。Tapidor植物按照Jones等人(2018)描述的方法种植。这两个品种都是在BBCH阶段13和51之间取样的[37]。在播后22、43、64、65、67、69和72 d分别取样Westar植株的第一片真叶和茎尖。除播种后第69天外，在同一时间取样Tapidor组织，并在播种后83天取样额外的时间点，以确保两个品种具有相同的发育时期(BBCH阶段13至51)。制备样品，使用先前发表的方法定量测定基因表达水平[6]。

您可透过以下网址进入订购局网站:http://order.jic.ac.uk．ORDER中提供的转录组数据以与AionPlot兼容的格式从Bitbucket存储库(https://bitbucket.org/marc-jones/order-data-files）.原始读数已保存在NCBI序列读取档案中，编号为PRJNA398789和PRJNA565743。AionPlot的所有代码都可以从GitHub (https://github.com/marc-jones/aionplot)，而Docker镜像则在DockerHub (https://hub.docker.com/r/dmarcjones/aionplot-flaskapp）.

顺序:

油菜发育表达资源

OSR:

油料强奸,芸苔属植物显著

AGL24:

AGAMOUS-LIKE 24

AP1:

APETALA1

方法:

开花地点c

我们感谢JIC信息学组、NBI科学计算基础设施团队和NBI计算和信息服务团队对保护、审计和托管ORDER的帮助。

MJ感谢约翰英尼斯基金会对JIC轮转博士项目和全球挑战研究基金(BBS/OS/GC/200013B)的支持。RW和JI感谢BBSRC研究所生长与发育战略计划(BB/J004588/1)和环境基因(BB/P013511/1)的支持。RM感谢BBSRC的生物相互作用支持作物生产力(BB/J004553/1)和植物健康(BB/P012574/1)研究所战略计划的支持。RM, RW和JI也得到了BBSRC战略长期和更大拨款“BRAVO”(BB/P003095/1)的支持。资助者在研究的设计、数据的收集、分析和解释中没有任何作用。

从属关系

1. 作物遗传学，约翰英尼斯中心，诺里奇研究园，诺里奇，nr47uh，英国

   D. Marc Jones, Nick Pullen, Rachel Wells, Judith A. Irwin和Richard J. Morris

2. 计算和系统生物学，约翰英尼斯中心，诺里奇研究园区，诺里奇，nr47uh，英国

   D. Marc Jones, Tjelvar S. G. Olson, Nick Pullen和Richard J. Morris

贡献

RW、JI和RM构思了这个项目。MJ、RM、JI、RW、NP进行实验设计，RW负责数据收集，NP、MJ、JI协助。MJ执行了所有的转录组生物信息学，编写了主要的网站代码，并制作了所有的Figs。MJ设计并编写了分析和可视化工具。为开发AionPlot软件提供了技术支持。MJ起草了由所有作者策划的手稿。所有作者都为撰写手稿做出了贡献。作者阅读并批准了最后的手稿。

作者的信息

MJ目前的地址是:根特大学VIB植物系统生物学中心，technepark 71, 9052根特，比利时。

相应的作者

对应到理查德·j·莫里斯．

伦理批准并同意参与

不适用。

发表同意书

不适用。

相互竞争的利益

作者宣称他们没有竞争利益。

出版商的注意

施普林格·自然对已出版的地图和机构关系中的管辖权要求保持中立。

开放获取本文遵循知识共享署名4.0国际许可协议，该协议允许以任何媒介或格式使用、共享、改编、分发和复制，只要您适当地注明原作者和来源，提供知识共享许可协议的链接，并注明是否进行了更改。本文中的图像或其他第三方材料包含在文章的知识共享许可协议中，除非在材料的署名中另有说明。如果材料未包含在文章的知识共享许可中，并且您的预期用途不被法律法规允许或超过允许的用途，您将需要直接获得版权所有者的许可。如欲查阅本许可证副本，请浏览http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/．创作共用公共领域免责声明(http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/)适用于本文中提供的数据，除非在数据的信用额度中另有说明。

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