胡杨异形叶发育的miRNA调控机制研究

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胡杨是我国西北干旱、半干旱荒漠地带重要的木本植物,对维护当地的生态环境平衡起着重要作用。在长期应对极端自然环境的过程中,胡杨的叶片形成了多种形态的特征,叶片的形态特征是胡杨不同生长阶段的外在表现形式。植物在生长过程中普遍都要经历不同的阶段,生长阶段过渡过程中不同表型特征的转变在空间和时间上协同发生,相互影响,保证了植物的自身生长和下一代的繁殖。MicroRNA(miRNA)是一类长度约为22nt的内源性非编码RNA,一般具有高度序列保守性、表达时序性和组织特异性,广泛参与基因转录后调控。近年来的研究表明,miR156和miR172,及SBP/SPL转录因子家族,在草本植物和木本植物的幼年和成年组织中差异性地表达,并在多种植物中参与发育阶段转变的调控,这使得在植物中研究发育阶段转变的潜在分子机制成为可能。本研究以内蒙古自治区四子王旗和新疆维吾尔自治区尉犁县两地的胡杨叶片为研究材料,通过高通量测序技术挖掘不同形态叶片中miRNA的表达特征,通过差异miRNA的鉴定、靶基因的预测,以及两个地点miRNA表达的对照分析,对miRNA参与胡杨发育阶段转变过程中的机制进行研究。本研究取得的研究成果如下:(1)通过高通量测序,在内蒙胡杨sRNA数据库中鉴定出87个已知miRNA(knownmiRNA),预测出 80 个新的 miRNA(novelmiRNA)。在新疆胡杨 sRNA 数据库中鉴定出129个已知miRNA,预测出62个新的miRNA。差异表达分析,在内蒙胡杨的条形叶和阔卵形叶中鉴定出52个差异表达的miRNA,其中包括29个已知miRNA以及23个新的miRNA。在新疆胡杨的异形叶中鉴定出25个差异表达的miRNA,其中包括17个已知miRNA以及8个新的miRNA。其中miR156a-5p,miR157a-5p,miR164a,miR399a和miR827在内蒙和新疆两地的条形叶和阔卵形叶中均差异表达。通过降解组测序鉴定出511个靶基因。(2)对新疆胡杨整树和单枝维度上异形叶中miRNA的表达模式进行对比发现,表现出差异性的miRNA除了 miR164、miR167、miR166和miR396之外,多是一些研究基础较差的 miRNA 和 novel miRNA 如 miR6457、miR8607、miR7767、miR5230、miR5139、miR7831、miR8155、novel1、novel41、novel31、novel54 等。(3)对内蒙和新疆两地发现的miRNA进行比较发现,两地的miRNA具有较大差异,仅有45个miRNA(39个已知miRNA和6个novel miRNA)在两次测序中重复出现。主要包括miR1447、miR156/157、miR159、、miR160、miR162、miR164、miR165、miR166、miR167、miR168、miR170、miR171、miR172、miR2111、miR2912、miR319、miR3627、miR390、miR393、miR394、miR395、miR396、miR399、miR403、miR472、miR473、miR477、miR482、miR6445、miR6457、miR827、和 miR858 等家族。这些重复出现的大多是功能非常重要的,植物正常生长必不可少的miRNA。(4)通过不同地域(内蒙和新疆)间miRNA表达模式的比较,以及整树和单枝维度上异形叶中miRNA表达模式的比较分析,筛选出了一批差异表达的miRNA,对这些miRNA靶基因的预测以及靶基因功能的富集分析发现,大部分miRNA都参与植物激素的响应路径。(5)将peu-MIR172a转入到拟南芥中,转基因植株中miR172a前体与成熟体的表达量均显著高于野生型植株。转基因拟南芥幼年期明显缩短,叶片变小,开花提前。本研究以胡杨异形叶为实验材料,研究miRNA参与胡杨发育阶段转换的调控过程,并以内蒙和新疆两个地理位置相隔较远、立地环境差异较大的胡杨个体互为对照,分析结果不仅揭示了发育阶段转换过程中miRNA调控的保守性,还体现出了不同环境下miRNA表达的差异性,对揭示木本植物发育阶段转换过程的分子调控机理提供了重要参考和依据。
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