基于WGCNA分析，识别与红沼螯虾生长速率相关的候选枢纽基因和关键通路

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Identification of candidate hub genes and key pathways related to growth rate of the red swamp crayfish based on WGCNA analysis

红水蚤生长调控机制研究通过转录组测序发现其鳃、心、肝胰脏等组织中存在大量差异表达基因（DEGs），KEGG富集分析鉴定出Wnt信号通路、自噬相关通路等9条关键代谢通路，PPI网络分析揭示cuticle protein 7-like、ataxin-2 homolog等核心基因与外骨骼发育及生长速率显著相关。

　　

作者：Na Sheng、Yongchuang Li、Yongqing Wang、Zheyan Chen、Xilei Li、Xianji Tao、Jiale Li、Jianbin Feng

中国农业农村事务部淡水水生遗传资源重点实验室，上海海洋大学，上海，201306，中国

摘要

Procambarus clarkii（红沼螯虾）是一种在全球范围内具有重要商业价值的养殖甲壳类物种。其生长特性对养殖经济效益至关重要。然而，目前对于调控P. clarkii生长速率的分子机制仍知之甚少。本研究通过转录组测序和加权基因共表达网络分析（WGCNA），对来自三个全同胞家族的P. clarkii个体的鳃、心脏、肝胰腺、肠道和肌肉组织进行了分析，以识别与生长速率相关的核心基因和关键通路。结果发现：鳃中有906个差异表达基因（DEGs）（95个上调，811个下调），心脏中有1042个DEGs（45个上调，997个下调），肝胰腺中有257个DEGs（80个上调，177个下调），肠道中有691个DEGs（174个上调，517个下调），肌肉中有158个DEGs（30个上调，128个下调）。这些DEGs被归类到101个GO术语中，主要涉及几丁质结合、角质层结构成分、细胞外区域和细胞外空间。基于KEGG富集分析，鉴定出9条关键通路，包括Wnt信号通路、自噬-动物、吞噬体、氨基糖和核苷糖代谢、TGF-β信号通路、药物代谢-其他酶、mTOR信号通路、赖氨酸降解和溶酶体通路。WGCNA分析还识别出一个核心基因模块。通过PPI网络分析，发现了与结构组成相关的核心基因（如cuticle protein 7-like和pro-resilin），以及参与多种细胞过程的基因（如ataxin-2 homolog）。总体而言，这些研究结果为理解P. clarkii的生长速率的分子调控机制提供了宝贵见解。

引言

甲壳类动物是节肢动物门中一个高度多样化和数量庞大的亚门，栖息于全球的陆地、淡水和海洋环境中（Richter等人，2009；Giribet和Edgecombe，2012）。生长特性对甲壳类养殖的经济效益至关重要，尤其是体重和生长速率。生长速率较快、收获体重较大的个体通常具有更高的市场价值，并且生产成本较低（Wang等人，2020）。甲壳类的生长特性是复杂的数量性状，受多个遗传位点和非遗传因素的影响，这些性状可能由一个或多个主要基因控制（Capomaccio等人，2015；Sun等人，2023）。最新研究表明，人们对甲壳类代谢调控机制的理解有所进展，特别是在生理和发育方面，尤其是关于甲壳类高血糖激素（CHH）的作用。此外，抑制蜕皮的激素（MIH）被确定为蜕皮和生长的主要调节因子，同时在促进卵巢成熟中也起着关键作用（Nakatsuji和Sonobe，2004；Chen等人，2020）。 近年来，基于高通量测序的转录组分析已成为研究甲壳类生长和发育分子机制的广泛应用方法（Zhou等人，2024；Chen等人，2024a）。通过加权基因共表达网络分析（WGCNA，一种基于相关性模式揭示共表达基因模块的算法）和蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络，可以识别与生长速率相关的核心基因（Langfelder和Horvath，2008；Biggane等人，2019）。迄今为止，WGCNA和PPI分析已被用于确定与生长（Chen等人，2025）、性别特异性基因表达（Zhao等人，2025）和缺氧应激（Fan等人，2025）相关的潜在核心基因。 Procambarus clarkii原产于墨西哥东北部和美国中南部，于20世纪20年代末引入中国（Yue等人，2010）。由于其显著的繁殖潜力、快速生长能力和环境适应性，P. clarkii在全球养殖经济中占据重要地位，尤其是在中国（Sato等人，2023；FAO，2024；Yue等人，2025）。现有研究表明，不同个体的生长速率存在显著差异（Guo等人，2022）。然而，对于调控P. clarkii不同生长速率的复杂通路和网络的理解仍然不足。本研究旨在通过转录组、WGCNA和PPI网络分析，从生长速率不同的个体中鉴定与生长速率相关的核心基因和关键通路，以揭示其分子调控机制，从而促进P. clarkii生长性状的遗传育种。

伦理声明

本研究中使用的P. clarkii按照中国上海海洋大学机构动物护理和使用委员会（批准编号SHOU-DW-2021-018）批准的指南进行饲养和处置。

样本和生长指数测量

2023年3月，从中国芜湖市的上海海洋大学螯虾养殖场随机选取了三个全同胞家族，每个家族至少包含300只P. clarkii>个体。随后这些家族被饲养在纤维帆布池塘中。

生长特性的表现

测量了12只P. clarkii>个体的体重和体长（见表2）。箱线图展示了不同生长速率组之间的这些指标的分布情况（见图1）。不同生长速率组之间的相对体重增长率（RGR：302.62% vs. 33.80%）和特定体重增长率（SGR：2.31% vs. 0.47%）存在显著差异（p < 0.001）。

RNA-seq概述

研究选择了12只生长速率不同的螯虾，包括6只雌性和3只雄性个体。

讨论

红沼螯虾是全球重要的经济淡水甲壳类物种，其生长速率是直接影响产量和经济效益的关键经济性状（Wu等人，2020）。尽管有许多关于蜕皮和肌肉生长的研究，但生长速率的分子调控机制仍不甚明了。最新研究表明，神经内分泌调控核心基因与生长速率显著相关（Chen等人，2025）。

结论

通过对P. clarkii的鳃、心脏、肝胰腺、肠道和肌肉组织的转录组、WGCNA和PPI网络分析，研究了与其生长速率相关的候选核心基因和关键通路。研究发现，cuticle protein 7-like、ataxin-2 homolog和pro-resilin等核心基因在蜕皮和外骨骼发育中起关键作用，并与生长速率相关。此外，还发现了与氨基酸代谢相关的关键通路。

作者贡献声明

Na Sheng：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学设计、数据分析、概念构思。 Yongchuang Li：撰写 – 审稿与编辑、数据管理、概念构思。 Yongqing Wang：方法学设计。 Zheyan Chen：方法学设计、数据管理。 Xilei Li：撰写 – 审稿与编辑、资金筹集。 Xianji Tao：撰写 – 审稿与编辑、资金筹集。 Jiale Li：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金筹集。 Jianbin Feng：

未引用参考文献

Yang等人，2025

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了国家重点研发计划（2022YFD2400700、2023YFD2401800）、上海市科学技术委员会科技创新计划（23015821300）、合肥市渔业关键科技项目（2025YYKJ-01）以及安徽省水产种业振兴计划（GN2025-18-3888）的支持。

数据可用性

所有转录组原始数据已上传至NGDC BioProject，访问号为PRJCA051319（链接：https://ngdc.cncb.ac.cn/gsa）。