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通路热图 | 解密转录组+代谢组文章中最高频分析内容

迈维代谢

2023.2.16

解密转录组+代谢组高频分析内容

通路热图是在转录组+代谢组研究文章中高频出现的一张图片。

我们前期汇总一个转录组+代谢组文章的高频分析内容时发现，通路热图以绝对优势成为转录组+代谢组文章中最高频的分析内容。其中，在46篇文章中，有38篇展示了通路热图这一分析内容。

除了以转录组+代谢组整体数据分析为基础的文章里高频出现通路热图之外，在一些高分的新基因挖掘转录组+代谢组文章中也频繁出现。

（Xiaoshuang Li et al.The Plant Journal，2022）

（WANG Xue-feng et al .Journal of Integrative Agriculture，2022）

看懂通路热图

通路热图是由通路关系和热图组合在一起的复合分析图片展示形式。

通路热图包含三大信息：

基因与代谢物的上下游关系及调控网络；

代谢物的表达量信息；

基因的表达量信息。

1. 基因与代谢物的上下游关系及调控网络

由结构基因和代谢物组合形成。两个代谢物中间为代谢物合成酶基因，上游代谢物为下游代谢物的底物，下游代谢物为上游代谢物的产物。代谢物间的上下游关系及基因与代谢物的调控关系可以通过文献检索获得，或者通过KEGG数据库获得。

2.基因的表达量信息

项目中检出的有差异表达的基因表达量信息以热图的形式体现在图片里。以下图为例，PAL基因上面有一个4*3的小格子，小格子横坐标为样本信息，纵坐标为检出的有差异的基因信息。颜色越红代表基因表达量越高，颜色越蓝代表基因表达量越低。

3. 代谢物的表达量信息

项目中检出的有差异表达的代谢物表达量信息以热图的形式体现在图片里。以下图为例，Querecctin-3-O-glucoside基因上面有4个小格子，小格子横坐标为样本信息。颜色越红代表代谢物表达量越高，颜色越蓝代表代谢物表达量越低。一般会在图注里标注表达量的范围颜色标准和样本的排列信息，如下图右下角图例展示。

（Shao Dongnan et al. Int J Mol Sci, 2022）.

不同文章展示的通路热图一般是在上文介绍的基础上有一些改变，如下图所示，用红绿色展示了基因的上下调关系，并未直接标出基因的表达情况。

(Peisen Su,et al.International Journal of Biological Macromolecules，2022)

还有一些通路热图只展示了基因的表达信息或者代谢物的表达信息，如下图，只展示了基因的表达信息。

（Qian M,et al.Front. Plant Sci.，2022）

通路热图为什么这么高频

通路热图在转录组+代谢组文章中高频出现的原因在于，我们希望通过转录组+代谢组的技术手段去研究胁迫，品质色泽，生长发育过程中的变化机理或者胁迫机制。拿到多组学数据之后，我们需要找到哪些基因或者代谢物差异比较大，或者通路富集程度比较强，那么这些差异可以反映出我们材料的差异。所以转录组+代谢组多组学文章的最后通常会落脚到几个富集比较显著的通路。而通路热图，既可以展示通过组学数据筛选出来的富集通路，又可以展示基因与代谢物的表达量，还能讲多组学的数据完美联合起来，这也是多组学中通路热图如此高频的原因了。

The DEGs enriched in the terpenoid backbone synthesis pathway mainly encode HMCGR, mvaK2, MVD, DHDDS, GGPS, chlP, and SPS (Supplementary Table 4, Figure 5A). The DEGs enriched in the monoterpene biosynthesis pathway mainly encode E4.2.3.15, E4.2.3.111, CYP76F14and TPS1 (Supplementary Table 4, Figure 5B). The DEGs enriched in the diterpene biosynthesis pathway mainly encode CYP701, KAO, GA3ox, and GA2ox (Supplementary Table 4, Figure 5C). The DEGs enriched in ubiquinone and other terpenoid quinone biosynthesis pathways mainly encode 4CL, TAT, HPD, E2.1.1.95, COQ2, COQ6, ABC4, and wrbA (Supplementary Table 4, Figure 5D). The DEGs enriched in the lysine biosynthesis pathway mainly encode lysC, dapA, dapB, and lysA (Supplementary Figure 3 and Table 4). The DEGs enriched in the phenylalanine, tyrosine and tryptophan biosynthesis pathway mainly encode trpA, trpB, aroDE, aroK, aroL, trpE, ADT, PDT, GOT1, TAT, and TYRAAT (Supplementary Figure 4 and Table 4). The DEGs enriched in the phenylalanine metabolic pathway mainly encode GOT1, TAT, HPD, and E3.5.1.4 (Supplementary Figure 5 and Table 4).

(Dong Y et al,Front. Plant Sci.2022)

在一些高分的新基因挖掘及基因功能研究的文章中，通路热图也是高频出现的，他们的目的不是去展示最终通路的差异变化，而是希望通过从这些变化比较大通路里找到一些正对照的基因，通过与这些正对照基因进行相关性的共表达分析或者同源分析去挖掘一些新基因或者新的转录因子，以便进行后续的基因功能的研究。如下图展示，MP 文章中通路热图应用。

(Li Y et al., Molecular Plant,2020）

绘制通路热图需要准备的数据

绘制通路热图需要准备3部分数据：

1. 基因与代谢物的上下游信息及调控网络

这部分数据可以来源于转录组+代谢组联合分析的共注释通路。通过转录组或者代谢组的富集分析确定了与研究相关的通路之后，找到关联分析中该通路名称(ko0**)的通路图，点击网络版链接即可以得到基因，代谢物网络关系。将鼠标箭头指向有颜色填充的方框处可以得到注释到某个酶基因上本项目基因的ID信息，如下图通路图里蓝框展示的基因ID信息。将鼠标箭头指向有颜色填充的原点处，可以得到代谢物的C号，圆点处显示了代谢物的名称。

在通路图文件夹下面对应表格，打开表格后，展示了每个通路注释到的基因ID，代谢物ID等。这些信息为后续的基因及代谢物的表达量信息提供了基因，代谢物来源。

2. 基因的表达量信息

基因的表达量信息如下表展示，每列为一个样本，每行对应一个基因，每个单元格为某个样本对应基因的表达量。具体展示的基因来源于上述通路里展示的基因ID。转录组的数据一般会对FPKM值方法标准化（Z-score）后进行绘图。

3. 代谢物的表达量信息

代谢物的表达量信息如下表展示，每列为一个样本，每行对应一个代谢物，每个单元格为某个样本对应代谢物的表达量。具体展示的代谢物为上述通路里展示的代谢物ID。代谢组的数据一般以原始相对含量进行缩放后绘制热图，可以选择UV(Unit Variance Scaling)方法缩放处理。UV公式如下：

拿到绘制通路热图的数据之后，下面是如何把数据展现成图片，通路热图本身复杂性的限制，目前没有R包或者现成的工具能直接上传数据，导出图片。不过我们可以通过PS或者PPT的形式去绘制热图，那么下一期，我们手把手教你绘制转录组+代谢组高频图-通路热图。

参考文献：

1.Qian Minjie,Wu Hongxia,Yang Chengkun et al. Mangifera indicaRNA-Seq reveals the key pathways and genes involved in the light-regulated flavonoids biosynthesis in mango ( L.) peel.[J] .Front Plant Sci, 2022, 13: 1119384.

2.WANG Xue-feng, SHAO Dong-nan, LIANG Qian et al. A 2-bp frameshift deletion at GhDR encoding a B-BOX protein co-segregatiing with dwarf-red phenotype in Gossypium hirsutum L.[J] .Journal of Integrative Agriculture，2022: undefined.

3.Shao Dongnan,Liang Qian,Wang Xuefeng et al. Gossypium hirsutumComparative Metabolome and Transcriptome Analysis of Anthocyanin Biosynthesis in White and Pink Petals of Cotton ( L.).[J] .Int J Mol Sci, 2022, 23: undefined.

4.Xiaoshuang Li , Ruirui Yang Yuqing Liang et al.The ScAPD1-like gene from the desert moss Syntrichia caninervis enhances resistance to Verticillium dahliae via phenylpropanoid gene regulation，The Plant Journal，2022: undefined.

5.Peisen Su , Chao Sui, Shuhan Wang et al.Genome-wide evolutionary analysis of AUX/IAA gene family in wheat identifies a novel gene TaIAA15-1A regulating flowering time by interacting with ARF，International Journal of Biological Macromolecules，2022: undefined.

6.Li Y , Chen Y , Zhou L , et al. MicroTom Metabolic Network: Rewiring Tomato Metabolic Regulatory Network throughout the Growth Cycle[J]. 分子植物：英文版, 2020, 13(8):16.

7.Dong Y, Qin Q, Zhong G, Mu Z, Cai Y,Wang X, Xie H and Zhang S (2023) Integrated transcriptomic and metabolomic analyses revealed the molecular mechanism of terpenoid formation for salicylic acid resistance in Pulsatilla chinensis callus.Front. Plant Sci. 13:1054317.doi: 10.3389/fpls.2022.1054317

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