miR393调控生长素受体GmTIR1/AFB2及其在大豆结瘤中的功能研究

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生长素在植物生长发育及响应逆境胁迫过程中发挥重要作用,尤其在主根生长和侧根发生过程中具有调控功能。目前对生长素调控根发生发育的分子机制已有较深入的认识,但对生长素及信号响应在豆科植物根瘤发生发育过程中的作用机制的认识仍不清楚。本研究以大豆microRNA393(miR393)及其作为生长素受体的靶基因为研究对象,对生长素信号通路在根瘤发生发育过程中的调控机制进行研究。结果表明根组织细胞特异的生长素响应对根瘤发生发育的调控尤为重要,而且miR393主要通过靶基因GmTIR1基因家族成员调控大豆根瘤的发生及发育过程。  首先,对大豆miR393的11个家族成员进行了序列及表达模式分析。qPCR基因表达检测结果显示miR393的表达在根瘤菌侵染24小时内并不受诱导,但在侵染10天后表达水平明显增高,相比于miR393a和miR393h/i/j/k,miR393c/d/e/f/g的表达一直维持在较低水平。组织化学染色结果表明miR393a表达较强,而且在根瘤形成和发育过程中呈组成型表达模式;miR393d表达水平较弱,在根瘤原基处无表达,但在生长10天的根瘤的类菌体区外围的薄壁组织中特异表达。过表达miR393d可显著降低大豆毛状根根瘤数目,而敲除miR393家族成员则可显著增加结瘤数目,说明miR393在调节根瘤发生数目过程中发挥负调控功能。  通过生物信息学分析在大豆中共预测到7个miR393靶基因,它们均为生长素受体TIR1和AFB2家族基因。基因进化分析结果表明,预测到的4个TIR1家族基因及3个AFB2家族基因均为拟南芥TIR1/AFB2的直系同源基因,分别命名为GmTIR1A/B/C/D和GmAFB2A/B/C,并选取代表基因成员开展了后续研究。组织化学染色研究结果表明,GmAFB2A在各组织中的基因表达水平较高,呈组成型表达模式;Gm TIR1C基因表达水平较弱,但在根瘤发生过程中,呈组织特异的表达模式。通过RNAi的方法敲除GmTIR1/AFB2基因家族成员后,大豆毛状根根瘤发生数目显著降低。过表达GmTIR1A和GmTIR1C可显著增加大豆毛状根结瘤数目,而过表达GmAFB2A基因后,根瘤发生数目无明显变化,说明在大豆中GmTIR1很可能在介导生长素信号通路调节大豆结瘤过程中发挥主要功能。  过表达不能被miR393切割的突变型GmTIR1A(mGmTIR1A)基因后,大豆毛状根结瘤数目并没有进一步增加;而过表达突变型GmTIR1C(mGm TIR1C)的毛状根产生的根瘤数目进一步增加。该结果说明GmTIR1A通过不依赖于miR393的生长素信号通路对根瘤发生数目进行调控,而GmTIR1C在根瘤发生过程中的功能受到miR393的调控。  通过对miR393家族基因及其代表靶基因在大豆根瘤数目调控中的功能研究,明确了组织细胞特异的生长素响应及其表观遗传学调控在大豆结瘤过程中的重要作用。这些结果为深入解析生长素介导的大豆根瘤发生发育调控的分子机理奠定了基础。
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