Identification of Cold-related Co-expression Modules in Cotton Cotyledon by WGCNA

doi:10.13304/j.nykjdb.2020.0783

Abstract

Abstract:

Weighted gene co-expression network analysis （WGCNA） is substantially used to identify gene modules related to the trait of interest in multi-sample transcriptome data. Transcriptome data of Xinluzhong 16 and Xinluzhong 32 were assessed to prospect molecular mechanisms under 4 ℃ stress to study the mechnism of cotton’s response to cold stress. Ultimately， the co-expression matrix containing 22 083 expressed genes was fabricated after the genes of low expression level were filtered. And them WGCNA identified 9 modules， among them 2 modules remarkably linked with cold resistance such as brown positively associated with 9 and 12 h， while blue positively associated with 0， 1 and 3 h. KEGG and GO enrichment perusal were evaluated on these 2 modules which could be enriched with GO terms， i.?e. modulation of stress response. Hub genes were screened by estimating gene connectivity in their corresponding networks which might play key roles in abiotic stress resistance. Above results would assist in understanding the regulatory mechanism of cold tolerance in cotton.

Key words: weighted gene co-expression network analysis, cotton, cold stress, transcriptome

摘要：

权重基因共表达网络分析（weighted gene co-expression network analysis， WGCNA）是系统生物学的一种研究方法，在多样本转录组数据中挖掘与目标性状相关的基因模块应用较广泛。为深入探究棉花应对冷害胁迫的分子机制，以4 ℃低温处理不同时间点的2个棉花品种（新陆中16和新陆中32）幼苗子叶转录组数据为基础，过滤低表达量基因，最终利用筛选的22 083个表达的基因来构建共表达矩阵，得到9个共表达模块，其中2个为抗冷相关特异性模块（Blue模块与低温处理0、1和3 h时间点正相关，Brown模块与低温处理9和12 h时间点正相关）。GO和KEGG富集分析表明，特异性模块可以富集到对刺激反应的调节（GO：0048583）、对胁迫反应的调节（GO：0080134）、对油菜素类固醇的反应（GO：0009741）等抗逆相关通路。通过计算模块内基因的连通性挖掘网络中的核心基因，功能注释表明这些基因可能在棉花抗冷过程中发挥着重要作用。该结果为进一步研究棉花抗冷调控机理提供数据支持。

关键词: 权重基因共表达网络分析, 棉花, 冷害胁迫, 转录组

CLC Number:

Yuqing ZHOU, Yongfei YANG, Changwei GE, Qian SHEN, Siping ZHANG, Shaodong LIU, Huijuan MA, Jing CHEN, Ruihua LIU, Shicong LI, Xinhua ZHAO, Cundong LI, Chaoyou PANG. Identification of Cold-related Co-expression Modules in Cotton Cotyledon by WGCNA[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2022, 24(4): 52-62.

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Figures/Tables 13

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基因 ID Gene ID	正向引物 Forward primer （5'-3'）	反向引物 Reverse primer（5'-3'）
Gh_A11G0969	GAAGGCATTCCACCTGACCAAC	CTTGACCTTCTTCTTCTTGTGCTTG
Gh_A05G1931	TGCCCAATGGTGGAAAACCACT	CGGCTCATGCAGAACCCTTCAA
Gh_D13G0160	CGAACATGATGCCAACCGATGC	TGCAATCGAGCTTCCGTAGGTG
Gh_A13G2112	CCACAAGAGTTTCCCTACGGGC	CGTGGTTTCTTGGTCGGCAATG
Gh_A05G0483	GCCGAGTGTGAGGATTATGCCA	TTCTTGACGGGACAACTTGGGG
Gh_A12G2357	CGTGGCAGCTATAGCACTGA	TTCTGAAAGTCTCCGCCACC
Gh_D09G1773	AATAGGGCTACCGAGGCTGGTT	AGCCCTCCCGTTGTAAAACACC
Gh_D05G2642	GCAGCAACCCCAAAATCCCAAC	CCACATCCCCGTATTCAGCACC
Gh_A05G1554	GCCTCAAGAGGAGGTGATCG	GCTGCTGCTATCTGATCGGT
Gh_D05G0600	AAGGGCTTACGTCCGCACAAAT	GCACTTGAAGTATGCCCTCGGA
Gh_A13G0138	AGGGTGCATGTCCTAAGGGTGA	GACCTCGGTGAAGGCATAGCAG

基因 ID Gene ID	正向引物 Forward primer （5'-3'）	反向引物 Reverse primer（5'-3'）
Gh_A11G0969	GAAGGCATTCCACCTGACCAAC	CTTGACCTTCTTCTTCTTGTGCTTG
Gh_A05G1931	TGCCCAATGGTGGAAAACCACT	CGGCTCATGCAGAACCCTTCAA
Gh_D13G0160	CGAACATGATGCCAACCGATGC	TGCAATCGAGCTTCCGTAGGTG
Gh_A13G2112	CCACAAGAGTTTCCCTACGGGC	CGTGGTTTCTTGGTCGGCAATG
Gh_A05G0483	GCCGAGTGTGAGGATTATGCCA	TTCTTGACGGGACAACTTGGGG
Gh_A12G2357	CGTGGCAGCTATAGCACTGA	TTCTGAAAGTCTCCGCCACC
Gh_D09G1773	AATAGGGCTACCGAGGCTGGTT	AGCCCTCCCGTTGTAAAACACC
Gh_D05G2642	GCAGCAACCCCAAAATCCCAAC	CCACATCCCCGTATTCAGCACC
Gh_A05G1554	GCCTCAAGAGGAGGTGATCG	GCTGCTGCTATCTGATCGGT
Gh_D05G0600	AAGGGCTTACGTCCGCACAAAT	GCACTTGAAGTATGCCCTCGGA
Gh_A13G0138	AGGGTGCATGTCCTAAGGGTGA	GACCTCGGTGAAGGCATAGCAG

模块 Module	GO条目 GO term	基因本体 Ontology	描述 Description	基因数目 Genes No.	P值 P value
蓝色 Blue	GO：0048583	P	对刺激反应的调节Regulation of response to stimulus	538	0.001 08
	GO：0080134	P	对胁迫反应的调节Regulation of response to stress	282	0.000 45
	GO：0031347P	P	对防御反应的调节Regulation of defense response	216	0.000 15
	GO：0009738	P	脱落酸激活的信号通路 Abscisic acid-activated signaling pathway	216	0.000 32
	GO：0010200	P	对几丁质的反应Response to chitin	166	0.000 15
	GO：0009741	P	对油菜素类固醇的反应Response to brassinosteroid	114	0.001 47
	GO：0003700	F	转录因子活性，特异性DNA序列结合 Transcription factor activity， sequence-specific DNA binding	1 275	0.000 68
	GO：0005623	C	细胞Cell	12 853	1.05e-06
	GO：0043227	C	膜结合细胞器Membrane-bounded organelle	10 326	7.51e-06

模块 Module	GO条目 GO term	基因本体 Ontology	描述 Description	基因数目 Genes No.	P值 P value
蓝色 Blue	GO：0048583	P	对刺激反应的调节Regulation of response to stimulus	538	0.001 08
	GO：0080134	P	对胁迫反应的调节Regulation of response to stress	282	0.000 45
	GO：0031347P	P	对防御反应的调节Regulation of defense response	216	0.000 15
	GO：0009738	P	脱落酸激活的信号通路 Abscisic acid-activated signaling pathway	216	0.000 32
	GO：0010200	P	对几丁质的反应Response to chitin	166	0.000 15
	GO：0009741	P	对油菜素类固醇的反应Response to brassinosteroid	114	0.001 47
	GO：0003700	F	转录因子活性，特异性DNA序列结合 Transcription factor activity， sequence-specific DNA binding	1 275	0.000 68
	GO：0005623	C	细胞Cell	12 853	1.05e-06
	GO：0043227	C	膜结合细胞器Membrane-bounded organelle	10 326	7.51e-06

模块 Module	核心基因编号 Hub gene ID	模块内连通性 Connectivity	拟南芥同源基因编号 Homologous gene ID in A. thaliana	基因功能 Gene function
蓝色Blue	Gh_A05G1931	4 300.865	AT4G08950	磷酸盐反应1家族蛋白 Phosphate-responsive 1 family protein
	Gh_D13G0160	4 218.162	AT2G40140	锌指（C₃H型）蛋白家族 Zinc finger （C₃H-type） family protein
	Gh_A13G2112	3 944.263	AT1G27730	耐盐锌指Salt tolerance zinc finger
	Gh_A05G0483	3 864.472	AT1G80840	WRKY DNA结合蛋白40 WRKY DNA-binding protein 40
	Gh_A12G2357	3 096.27	AT5G51990	C重复结合因子4 C-repeat-binding factor 4
棕色 Brown	Gh_D09G1773	628.545	AT3G49530	含有NAC结构域的蛋白质62 NAC domain containing protein 62
	Gh_D05G2642	601.582	AT3G56400	WRKY DNA结合蛋白70 WRKY DNA-binding protein 70
	Gh_A05G1554	557.708	AT1G20440	低温调节47 Cold-regulated 47
	Gh_D05G0600	550.86	AT1G80840	WRKY DNA结合蛋白40 WRKY DNA-binding protein 40
	Gh_A13G0138	517.077	AT2G40140	锌指（C₃H型）蛋白家族 Zinc finger （C₃H-type） family protein 图8　核心基因的表达模式 Fig.8　Expression pattern of hub genes 图9　核心基因的 RT－qPCR 验证 Fig.9　qRT－PCR validation of hub genes