盐胁迫下大豆根系可塑性发育及miRNA组织特异性表达模式分析

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根系构型是植物根系的重要数量性状之一,很大程度上决定了植物与外界的交互以及根系对水和营养的吸收速率。作为一种性状,根系构型除了受到内源发育信号调控外,也受外界环境因素的影响。根系构型在高等植物生活史的整个阶段不断受基因和环境因素影响而进行调整,具有很高的可塑性。所以,植物激素如IAA和ABA等均在根系构型的发育中起重要作用,但是具体的机制尚不清楚。植物根尖活力是决定根系构型的重要因素,其中分生区和伸长区在根系构型可塑性发育中的作用也各不相同。因此,对根尖组织特异性的组学分析将有助于我们全面了解根尖活力调控的分子网络,对解析根系构型及可塑性发育分子机理具有重要的意义。  本研究以大豆根系为实验对象,对其在盐胁迫下的根系构型进行分析鉴定。发现随着盐浓度的增加,主根伸长和侧根发生都受到了明显抑制。对根尖分生区和伸长区生长素和脱落酸浓度的分析,发现盐胁迫下脱落酸在分生区和伸长区的含量均升高,而生长素在分生区浓度有所降低。  为了解析盐胁迫下大豆根系根尖组织特异性响应逆境及根可塑性发育调控的分子机制,我们选取根尖分生区和伸长区的材料进行了microRNA(miRNA)转录组的分析。共鉴定了高置信度的59个已知miRNA,42个未知miRNA,共计101个。其中分生区鉴定到44个,27个表达在盐胁迫前后有明显变化;伸长区鉴定到85个,其中57个表达对盐胁迫响应。这些miRNA在分生区和伸长区均有各自不同的响应盐胁迫模式,通过聚类分析可以找到30个代表性节点,也即30个代表性的调节模式。随后对这些miRNA进行了靶基因预测,按照靶基因功能,将它们统合到盐胁迫下根系构型发育的基因-激素调控网络中。实验发现30个节点中的15个可能与该调控网络有关,其中与生长素相关的有2个,与细胞分裂素相关有4个,与脱落酸相关的有4个,与根系和盐胁迫相关的5个。这些节点可能通过激素信号互作及与对盐胁迫响应信号共同调控根系构型可塑性发育。  依据大豆根系在盐胁迫下分生区和伸长区的激素变化,本次实验首先提出了大豆萌发初期受盐胁迫影响而采取的“保分裂、抑生长”策略模型。同时,本次实验中鉴定到许多参与激素和其它根系构型相关的大豆miRNA的靶基因在大豆中的功能尚未见报道;还鉴定到一批参与IAA和ABA信号互作的靶基因。这些发现增加了我们对大豆根尖响应盐胁迫重塑根的生长和发育分子机制的了解,也为深入研究大豆对盐胁迫的响应和根可塑性发育提供新的研究方向。本研究也是首次在组织特异性水平上对参与对大豆根尖对逆境胁迫响应的miRNA转录组进行全面分析,这些结果也将使人们认识植物根系在逆境下的可塑性发育的表观遗传学调控机制在植物适应逆境中的重要作用。
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