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miRNA是生物体内源性长度约为21~25个核苷酸的非编码小RNA,在转录后水平上对目标基因的表达进行负调控,是生物体内新发现的极其重要的调控因子。植物miRNA在调控生长和发育、以及植物对环境刺激及激素反应等多个过程中扮演着关键性的角色。
植物果实富含糖类、多种无机盐、维生素等营养物质,是人类重要的营养和食物来源。单性结实果实是子房不经授粉和/或受精发育成的无籽果实,是鲜食或加工果实的优良特征,具有重要的应用价值。农业生产上通常采用喷施外源激素的方式获得单性结实果实,但存在实施困难、增加成本、抑制开花、降低产量、以及产生畸形果实等缺点,同时容易造成化学污染。而基因工程技术是获得单性结实果实理想的手段,可以克服化学试剂处理的缺点,具有潜在的广泛应用前景。但目前对于果实发育起始和单性结实的分子机制了解甚少,极大地限制了基因工程单性结实育种工作的开展,所以对植物开花及座果分子机理的深入研究具有重要意义。
生长素是非常重要的植物激素,与开花及单性结实具有紧密联系,是农业生产上获得单性结实果实普遍采用的植物激素。在拟南芥中研究显示,生长素反应因子ARF8对花成熟和果实形成具有重要的调控作用,ARF8基因突变引起果实单性结实。而miR167通过控制ARF6和ARF8表达从而调控拟南芥雌蕊和雄蕊的发育,增强miR167表达引起植物矮化和减产,表明miR167在植物生长发育、座果、果实发育和成熟过程中可能具有重要的功能。
由于拟南芥缺乏果实发育和成熟的典型特征,所以拟南芥的研究结果不能很好地揭示miR167及其靶基因ARF8在果实发育和成熟过程中的生物学功能。番茄是研究鲜果发育和成熟的模式植物,在果实发育过程中伴随着许多结构、生理生化的改变。因此,本文在番茄中研究Sly-miR167的功能,以及Sly-miR167和Sl-ARF8对果实发育起始的影响,对揭示座果及单性结实的分子机制具有重要意义。主要研究结果如下:
1、超表达Sl-ARF8基因导致番茄发生不依赖于授粉的果实发育起始,引发单性结实现象,且果实体积偏小、畸形、干瘪,揭示Sl-ARF8基因对番茄座果、单性结实及果实发育过程具有重要的调控作用。
2、在番茄中超表达Sl-ARF8的转录本变异剪切形式Sl-ARF8[-5 bp],未引发果实单性结实现象,且座果、果实发育和成熟过程与野生型对照基本一致,表明Sl-ARF8[-5 bp]截短蛋白不是番茄果实发育起始及单性结实形成的调控因子。
3、通过生物信息学方法对番茄基因组序列分析发现,Sly-miR167在番茄基因组中存在3个基因座。本研究克隆了3条具有茎环结构特征的Sly-miR167前体序列,即pre-SlymiR167a、b和c;并通过5RACE RT-PCR技术证实,Sly-miR167在番茄体内介导其靶基因Sl-ARF6和Sl-ARF8的转录本发生剪切降解。
4、Sly-miR167的表达模式分析显示,茎中只有本底水平表达、根中温和表达、叶片和果实中表达较强、花中丰度最强;在雄蕊和子房中的积累远高于花瓣和萼片;在花后8天的果实到绿熟期只有本底水平表达,而在转色期丰度迅速提高,随后表达下调。Sly-miR167在番茄不同组织和器官中较大的差异表达特征表明,Sly-miR167对番茄植株生长和发育、花器官形成、雄蕊和子房的发育、以及果实成熟过程可能具有重要的调控功能。
5、Sly-miR167和Sl-ARF8在不同发育时期子房中的表达特征显示,Sl-ARF8在花蕾期和花完全开放时期均表达较弱,而在花后4天表达迅速增强;然而,Sly-miR167从花蕾期到花完全开放期均保持很高丰度,而在花后4天的表达显著下调,表明Sly-miR167可能通过调控Sl-ARF8的表达参与番茄座果过程和单性结实的调控。
6、通过5RACE RT-PCR技术确定了Sly-miR167a的转录起始位点,生物信息学方法预测其上游约2500 bp的DNA序列为Sly-miR167a的启动子区域。尽管该启动子序列含有3个乙烯反应元件和2个生长素反应元件,但在乙烯或生长素处理的番茄幼苗中,成熟Sly-miR167丰度没有变化,表明Sly-miR167a基因座在幼苗中可能不转录,而幼苗中的成熟Sly-miR167可能来自于Sly-miR167b和/或Sly-miR167c基因座的转录产物,推测Sly-miR167的3个基因座具有不同的时空表达特征。
7、构建植物超表达载体pGreenⅡ::pre-SlymiR167a,并转化番茄。对转基因植株进行分子鉴定表明,Sly-miR167a和Sly-miR167c基因座发生了共抑制,导致成熟Sly-miR167丰度降低、以及靶基因Sl-ARF6和Sl-ARF8的转录本增加。Sly-miR167表达下调引起植株增高,并且引起不依赖于授粉的果实发育起始,导致产生萼片增大的单性结实果实,表明Sly-miR167参与调控番茄植株生长发育、以及座果过程和单性结实。