水稻幼苗应答非生物胁迫及植物激素的mRNA可变剪切分析

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水稻(Oryza sativa L.)是全世界半数以上人口的主要粮食作物。然而随着气候环境的不断变化,各种非生物胁迫对水稻的生长发育和产量造成巨大影响。可变剪切(Alternative Splicing,AS)是重要的转录后调控方式之一,广泛提高了转录组和蛋白质组水平的复杂度,在植物发育和逆境胁迫响应方面起到重要作用。本研究利用NCBI的SRA公共数据库中的转录组数据,对水稻品种日本晴的幼茎和根在多种非生物胁迫(镉、低温、淹水、渗透和干旱)以及植物激素(茉莉酸和脱落酸)处理下各时间点的可变剪切事件模式进行鉴定与比较分析,以筛选出响应非生物胁迫和植物激素处理的重要差异可变剪切基因,同时挖掘水稻不同组织各胁迫处理间可变剪切调控的联系与区别。主要研究结果如下:1.对水稻幼茎和根在不同非生物胁迫和植物激素处理下发生的可变剪切事件进行鉴定,共鉴定到外显子跳跃、内含子保留、可变5’端剪切位点、可变3’端剪切位点和互斥外显子这五种可变剪切类型。其中,内含子保留类型在各胁迫处理下发生的频率均最高,同时发现外显子跳跃类型的比例在低温胁迫下的根和干旱胁迫及低温胁迫下的幼茎中随着胁迫时间的延长而发生显著变化。在极低浓度镉、低浓度镉、高浓度镉、低温、淹水、渗透、干旱、JA以及ABA处理下的幼茎中分别鉴定到359、415、962、1163、997、939、1324、742和1039个差异可变剪切基因,根中分别鉴定到453、364、1016、1612、642、988、783、586和1126个差异可变剪切基因。一些差异可变剪切基因在不同非生物胁迫之间、植物激素处理之间以及水稻不同组织之间存在特异性剪切。2.对各种胁迫下的差异可变剪切基因进行GO富集分析,发现差异基因在多数胁迫下均显著富集到RNA结合、核酸结合、RNA剪切、RNA加工和m RNA加工等功能。同时,DNA修复、应答损伤、低温响应和无义介导的m RNA衰变等功能也在一些胁迫下被显著富集。KEGG富集分析显示,差异基因主要参与剪切体、植物昼夜节律以及m RNA监测等途径。3.在各种胁迫和激素处理下有一些基因同时发生差异表达和差异可变剪切,我们对这些基因进行转录因子注释,在所有胁迫下共鉴定到158个TFs,其中Os LSD1、Os Hsf A6a、Osb ZIP12、Os CCA1、Os Myb1R、Os WRKY30、Os Hsf A2d、Os BLR1、Os RLI1、Os HAP2E和Os TGA3等与植物非生物胁迫和生长发育密切相关的TFs在多个胁迫和植物激素处理下均表现差异可变剪切和差异表达。而这类同时发生差异表达和差异可变剪切的基因数目较少,暗示各种环境条件在转录和剪切水平对植物基因表达的调控,需要对这两个水平结合研究才能较全面揭示植物对环境胁迫的应答。4.对各种胁迫下水稻幼茎和根中同时发生差异表达和差异可变剪切的基因进行蛋白质互作网络(PPI)的构建,并筛选了位于网络核心位置的基因作为各胁迫情况下的关键性调控基因。我们发现各胁迫PPI网络的关键基因虽然有所不同,但它们大部分都与逆境胁迫、昼夜节律以及生长发育相关。其中,干旱胁迫下幼茎的PPI网络相较于其它情况要更加复杂,我们对该PPI网络进一步分离得到了4个子网络,这些子网络与光合作用、植物胁迫耐受性、细胞自噬和剪切调控过程相关,表明可变剪切在响应干旱胁迫时具有重要调控作用。5.对各种胁迫处理和正常条件下各时间段的SR剪切因子进行表达量和差异可变剪切分析,发现在所有时间点下SCL28、SC25和RS2Z39表达量均较低,而RSZ23表达量均较高。SR33和SR32在各胁迫和正常发育下幼茎中的表达量均高于根中的表达量。而SR33、SC32和RSZ21a等在胁迫后多个时间点发生差异可变剪切事件,但是表达量并没有显著变化。说明剪切因子不仅通过表达量的变化,同时也通过自身的可变剪切来调控下游靶基因的表达。
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