03月02 水稻信息網(wǎng)（RIGW）：一個全面的秈稻基因組生物信息學(xué)平臺

英文名：Rice ?Information ?GateWay ?(RIGW): ?a ?comprehensive bioinformatics platform for indica rice genomes

中文名：水稻信息網(wǎng)（RIGW）：一個全面的秈稻基因組生物信息學(xué)平臺

發(fā)表雜志：MOLECULAR PLANT

影響因子：8.827

 

Oryza sativa subsp.秈稻和O. sativa subsp. 粳稻是亞洲栽培稻的兩個亞種，其中秈稻的種植面積更廣，遺傳多樣性也更高。在過去的幾年，水稻注釋項目數(shù)據(jù)庫（RAP-DB）（Ohyanagi等，2006）和密歇根州立大學(xué)水稻基因組注釋項目（MSU-RGAP）（Ouyang等，2007）是兩個受歡迎的數(shù)據(jù)庫， 基于粳稻品種Nipponbare（國際水稻基因組測序項目，2005）的統(tǒng)一參考基因組的基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。北京基因組研究所的水稻信息系統(tǒng)（BGI-RIS）（Zhao等，2004）是秈稻栽培品種93-11的可用資源，但由于缺乏高質(zhì)量的秈稻參考基因組，其應(yīng)用受到限制。 為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，研究人員構(gòu)建了一個綜合全面的平臺：Rice Information GateWay（RIGW，http://rice.hzau.edu.cn/），提供基因組學(xué)，轉(zhuǎn)錄組學(xué)，蛋白質(zhì) – 蛋白質(zhì)相互作用（PPIs），代謝網(wǎng)絡(luò)，代謝物和計算工具，以最新的秈稻珍山97（ZS97）和明恢63（MH63）（Zhang et al.，2016）為參考基因組。RIGW通過直觀的Web的界面，為水稻研究提供豐富的基因組學(xué)和其他組學(xué)數(shù)據(jù)。
RIGW在Linux操作系統(tǒng)和Apache Tomcat Web服務(wù)器（http://tomcat.apache.org/）中實(shí)現(xiàn)。 所有的基因組數(shù)據(jù)，注釋，同系物，基因表達(dá)，PPIs，代謝物和文獻(xiàn)存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫（http://www.mysql.com/）中。 圖1A顯示了RIGW中的體系結(jié)構(gòu)，一些有代表性的資源和計算工具。

圖A RIGW體系結(jié)構(gòu)

RIGW上部署GBrowse（https://github.com/GMOD/GBrowse）用于ZS97和MH63基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的可視化（圖1B），分別選擇了包括基因注釋和標(biāo)記葉子、圓錐花序以及芽中的RNA-sequencing。

圖B GBrowse

另外，為ZS97，MH63和Nipponbare基因組之間的比較分析提供了Gbrowse_synteny工具（圖1C），所有位于同一染色體區(qū)域的相應(yīng)注釋可以很容易的并行顯示出來（每個基因組都可以設(shè)置為參考）。

圖C Gbrowse_synteny工具

研究人員開發(fā)了一個靈活的查詢界面來高效地檢索和圖形化顯示各種數(shù)據(jù)。 例如，提供關(guān)鍵詞的搜索引擎，用戶輸入關(guān)鍵詞（例如基因位點(diǎn)，基因功能）就可以鏈接到詳細(xì)頁面（例如基因位置，基因結(jié)構(gòu)，可變剪接，其他品種水稻中的同源物， 核苷酸和氨基酸序列，基因表達(dá)水平等）。 此外， Gene Ontology（Harris等，2004），InterPro域信息，預(yù)測亞細(xì)胞定位和蛋白質(zhì) – 蛋白質(zhì)相互作用以及外部數(shù)據(jù)庫鏈接在可以獲得的情況下都列在搜索結(jié)果中（圖1D）。 提供局部序列比對搜索工具（BLAST）作為堿基序列的搜索引擎，可以查找在秈稻ZS97，MH63，93-11和粳稻日本晴中的同源序列，比對結(jié)果通過圖形和文本的格式呈現(xiàn)。

圖D 搜索結(jié)果展示

在補(bǔ)充表1和RIGW主頁中列出了ZS97和MH63基因組特征。研究人員根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，在不同品種水稻中手動收集了2000多個克隆的基因，和2500多個具有詳細(xì)注釋信息的水稻代謝物。利用CREP（http://crep.ncpgr.cn/）的數(shù)據(jù)，研究人員建立了一個友好的網(wǎng)絡(luò)界面，用于查詢和顯示ZS97，MH63及其雜種汕優(yōu)63（SY63）生命周期中39個組織的基因表達(dá)水平。對于給定的基因，可獲得的所有組織表達(dá)量信息，這極大地促進(jìn)了其表達(dá)模式的研究。由于全基因組PPI網(wǎng)絡(luò)對研究整體細(xì)胞反應(yīng)非常有用，研究人員從公共數(shù)據(jù)庫收集了1,871,563個非冗余水稻PPIs（其中929個為實(shí)驗(yàn)確定的PPIs），包括PRIN（Gu et al.，2011）， RiceNet（Lee等，2015）以及RIGW中的相關(guān)文獻(xiàn)。用戶可以在PPI搜索頁面上提交一個或多個ZS97 / MH63 / Nipponbare的基因ID，查詢相互作用的蛋白質(zhì)，可以幫助揭示不同種類不同功能蛋白質(zhì)之間的關(guān)系。查詢蛋白及其互作用Cytoscape（http://www.cytoscape.org/）可視化軟件，不同顏色的點(diǎn)表示不同途徑分類（圖1E）。此外，所有日本晴，ZS97和MH63的PPIs都可以從“下載”模塊下載。

圖E Cytoscape可視化顯示蛋白互作網(wǎng)絡(luò)圖

KEGG代謝通路圖是表示代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)信息的圖表，每張圖都匯總了已發(fā)表文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（Kanehisa等，2012）。 基于KEGG Orthology（KO）組，研究人員獲得了ZS97和MH63基因組中的KEGG同源序列，以及它們的代謝途徑。 ZS97和MH63的代謝通路包括四個類別（代謝，遺傳信息處理，環(huán)境信息處理和細(xì)胞過程），每個類別包含許多途徑。 當(dāng)選擇特定的途徑時，在ZS97和MH63中KEGG同源序列的酶/蛋白質(zhì)用綠色標(biāo)出（圖1F）。

圖F KEGG代謝通路圖

在RIGW中集成了一系列計算工具，用于比較水稻和其他植物的進(jìn)化、功能分析。 OrthoMCL（Li等人，2003）被用于鑒定植物基因組中的同源物，包括擬南芥，短柄草，玉米，葡萄和高粱。研究人員可以通過OrthoMCL（e值：1e-5）來鑒定假定的同源序列和相應(yīng)的邏輯關(guān)系，并獲得水稻和上述植物中產(chǎn)生緊密相關(guān)蛋白質(zhì)的不連續(xù)簇，共鑒定了48,515個假定的直系同源組，并保存在RIGW中，可以從“下載”模塊獲得。研究人員通過MCscanX（Wang et al.，2012）確定了在染色體中的同源基因?qū)Γ╡值<1e-10），以及同源基因座以顯示ZS97和MH63基因組中的部分復(fù)制區(qū)域（圖1G）。研究人員還提供了基因ID轉(zhuǎn)換工具來轉(zhuǎn)換ZS97，MH63，93-11和日本晴之間的直系同源基因ID。此外，該平臺還提供KEGG / GO富集，GO分類工具，可進(jìn)行功能富集分析。

圖G ?OrthoMCL植物基因組中的同源物鑒定

為了方便不同水稻品種的基因編輯，研究人員整合了CRISPR-P 2.0（Liu et al.，2017）用于設(shè)計各種規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)（CRISPR）—Cas系統(tǒng)的指導(dǎo)性RNA序列，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1H所示。

圖H CRISPR-P 2.0基因編輯工具

最后，RIGW還提供了一個文本挖掘工具，用戶可通過基因名稱或關(guān)鍵詞搜索獲得的27,831個水稻相關(guān)文獻(xiàn)，文獻(xiàn)來源于PubMed（圖1I）。

圖I 文本挖掘工具

總而言之，研究人員建立了一個全面的生物信息學(xué)平臺RIGW，提供可在GBrowse視圖下查看的ZS97和MH63基因組以及其他組學(xué)數(shù)據(jù)。 RIGW還提供了秈稻，粳稻和其他植物的同源染色體。 并且為用戶提供了友好的網(wǎng)頁界面來顯示水稻中預(yù)測的PPIs，ZS97 / MH63的代謝途徑，CRISPR-Cas單引導(dǎo)RNA設(shè)計工具，和GO富集。 此外，所有的基因組序列和注釋都可以自由訪問，同時，還提供與其他公共數(shù)據(jù)庫的有效鏈接。研究人員即將整合更多的可用資源，并通過新的工具擴(kuò)展其功能，使RIGW成為一個綜合的生物信息學(xué)平臺，為水稻研究人員服務(wù)。 RIGW免費(fèi)使用網(wǎng)址是http://rice.hzau.edu.cn/。

百邁客數(shù)據(jù)庫搭建業(yè)務(wù)

構(gòu)樹數(shù)據(jù)庫（papyrifera.biocloud.net）

大豆數(shù)據(jù)庫（soybean-resources.cn）

草業(yè)數(shù)據(jù)庫（grassgene.biocloud.net）

參考文獻(xiàn)：
Song J.-M., Lei Y., Shu C.-C., Ding Y., Xing F., Liu H., Wang J., Xie W.,Zhang J., and Chen L.-L. (2017). Rice Information GateWay (RIGW): A Comprehensive Bioinformatics Platform for Indica Rice Genomes. Mol. Plant. doi: 10.1016/j.molp.2017.10.003.

轉(zhuǎn)錄調(diào)控事業(yè)部 賴娟娟 | 文案
吳戈宇 | 審核
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