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通路熱圖 | 解密轉錄組+代謝組文章中最高頻分析內容
#1
解密轉錄組+代謝組高頻分析內容
通路熱圖是在轉錄組+代謝組研究文章中高頻出現的一張圖片。
我們前期匯總一個轉錄組+代謝組文章的高頻分析內容時發現，通路熱圖以絕對優勢成為轉錄組+代謝組文章中最高頻的分析內容。其中，在46篇文章中，有38篇展示了通路熱圖這一分析內容。
除了以轉錄組+代謝組整體數據分析為基礎的文章里高頻出現通路熱圖之外，在一些高分的新基因挖掘轉錄組+代謝組文章中也頻繁出現。
（Xiaoshuang Li et al.The Plant Journal，2022）
（WANG Xue-feng et al .Journal of Integrative Agriculture，2022）
#2
看懂通路熱圖
通路熱圖是由通路關系和熱圖組合在一起的復合分析圖片展示形式。
通路熱圖包含三大信息：
基因與代謝物的上下游關系及調控網絡；
代謝物的表達量信息；
基因的表達量信息。
1. 基因與代謝物的上下游關系及調控網絡
由結構基因和代謝物組合形成。兩個代謝物中間為代謝物合成酶基因，上游代謝物為下游代謝物的底物，下游代謝物為上游代謝物的產物。代謝物間的上下游關系及基因與代謝物的調控關系可以通過文獻檢索獲得，或者通過KEGG數據庫獲得。
2.基因的表達量信息
項目中檢出的有差異表達的基因表達量信息以熱圖的形式體現在圖片里。以下圖為例，PAL基因上面有一個4*3的小格子，小格子橫坐標為樣本信息，縱坐標為檢出的有差異的基因信息。顏色越紅代表基因表達量越高，顏色越藍代表基因表達量越低。
3. 代謝物的表達量信息
項目中檢出的有差異表達的代謝物表達量信息以熱圖的形式體現在圖片里。以下圖為例，Querecctin-3-O-glucoside基因上面有4個小格子，小格子橫坐標為樣本信息。顏色越紅代表代謝物表達量越高，顏色越藍代表代謝物表達量越低。一般會在圖注里標注表達量的范圍顏色標準和樣本的排列信息，如下圖右下角圖例展示。
（Shao Dongnan et al. Int J Mol Sci, 2022）.
不同文章展示的通路熱圖一般是在上文介紹的基礎上有一些改變，如下圖所示，用紅綠色展示了基因的上下調關系，并未直接標出基因的表達情況。
(Peisen?Su,et?al.International?Journal?of?Biological?Macromolecules，2022)
還有一些通路熱圖只展示了基因的表達信息或者代謝物的表達信息，如下圖，只展示了基因的表達信息。
（Qian M,et al.Front. Plant Sci.，2022）
#3
通路熱圖為什么這么高頻
通路熱圖在轉錄組+代謝組文章中高頻出現的原因在于，我們希望通過轉錄組+代謝組的技術手段去研究脅迫，品質色澤，生長發育過程中的變化機理或者脅迫機制。拿到多組學數據之后，我們需要找到哪些基因或者代謝物差異比較大，或者通路富集程度比較強，那么這些差異可以反映出我們材料的差異。所以轉錄組+代謝組多組學文章的最后通常會落腳到幾個富集比較顯著的通路。而通路熱圖，既可以展示通過組學數據篩選出來的富集通路，又可以展示基因與代謝物的表達量，還能講多組學的數據完美聯合起來，這也是多組學中通路熱圖如此高頻的原因了。
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，通路熱圖也是高頻出現的，他們的目的不是去展示最終通路的差異變化，而是希望通過從這些變化比較大通路里找到一些正對照的基因，通過與這些正對照基因進行相關性的共表達分析或者同源分析去挖掘一些新基因或者新的轉錄因子，以便進行后續的基因功能的研究。如下圖展示，MP 文章中通路熱圖應用。
(Li Y et al., Molecular Plant,2020）
#4
繪制通路熱圖需要準備的數據
繪制通路熱圖需要準備3部分數據：
1. 基因與代謝物的上下游信息及調控網絡
這部分數據可以來源于轉錄組+代謝組聯合分析的共注釋通路。通過轉錄組或者代謝組的富集分析確定了與研究相關的通路之后，找到關聯分析中該通路名稱(ko0**)的通路圖，
在通路圖文件夾下面對應表格，打開表格后，展示了每個通路注釋到的基因ID，代謝物ID等。這些信息為后續的基因及代謝物的表達量信息提供了基因，代謝物來源。
2. 基因的表達量信息
基因的表達量信息如下表展示，每列為一個樣本，每行對應一個基因，每個單元格為某個樣本對應基因的表達量。具體展示的基因來源于上述通路里展示的基因ID。轉錄組的數據一般會對FPKM值方法標準化（Z-score）后進行繪圖。
3. 代謝物的表達量信息
代謝物的表達量信息如下表展示，每列為一個樣本，每行對應一個代謝物，每個單元格為某個樣本對應代謝物的表達量。具體展示的代謝物為上述通路里展示的代謝物ID。代謝組的數據一般以原始相對含量進行縮放后繪制熱圖，可以選擇UV(Unit Variance Scaling)方法縮放處理。UV公式如下：
拿到繪制通路熱圖的數據之后，下面是如何把數據展現成圖片，通路熱圖本身復雜性的限制，目前沒有R包或者現成的工具能直接上傳數據，導出圖片。不過我們可以通過PS或者PPT的形式去繪制熱圖，那么下一期，我們手把手教你繪制轉錄組+代謝組高頻圖-通路熱圖。
參考文獻：
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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