绞股蓝根状茎形成的miRNAs分析及GpmiR156与GpmiR166的功能分析

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绞股蓝(Gynostemma pentaphyllum(Thunb.)Makino)是葫芦科绞股蓝属的一种多年生草本植物,因其绞股蓝皂甙的药用价值而被广泛关注。绞股蓝能够越冬的适应性策略是其地上茎向根状茎的转变。本研究选取绞股蓝地上茎向根状茎转变的3个代表性发育阶段,即未膨大的地上茎(Stage 1)、中等膨大的地上茎(Stage 2)和新形成的地下根状茎(Stage 3)进行了miRNAs分析。在此基础上,克隆了两个与根状茎形成相关的关键miRNAs(GpmiR156a/miR166b)基因,通过转化拟南芥及对激素的响应分析探讨它们的生理功能。本研究主要结果如下:(1)通过对3个发育阶段(共9个样品)进行miRNAs测序,共获得281,846,013条cleaned reads,将cleaned reads与已知植物miRNAs数据库对比,总共鉴定出90个已知miRNAs和158个新的miRNAs。在这些miRNAs中,4个已知的miRNAs(GpmiR159/166b/166e/156a)和3个新的miRNAs(Co.25160/47071/59333)在绞股蓝空中茎向根状茎发育转变过程中显著差异表达,其中GpmiR156a、GpmiR159及Co.47071显著上调,GpmiR166b、GpmiR166e、Co.25160和Co.59333显著下调。结合课题组前期的转录组测序,对这7个差异表达的miRNAs进行了靶基因预测,发现miRNA-target调节模块GpmiR166b-GpECH2、GpmiR166e-GpSGT-like、GpmiR156aGpSPL13a/GpSPL6、GpmiR156a/Co.47071-GpRAV-like和GpmiR159-GpMYB29可能在绞股蓝空中茎向根状茎转变中发挥重要作用。同时利用qRT-PCR技术证实了测序数据的可靠性。(2)通过提取绞股蓝总DNA,采用同源克隆的方法克隆得到GpmiR156a和GpmiR166b基因。对两个miRNAs进行生物信息学分析并预测二者的靶基因及其功能。构建GpmiR156a/miR166b植物过表达载体并成功转化拟南芥。GpmiR156a的过表达导致拟南芥叶片数量的增多并产生了更多的分枝,表明GpmiR156a能够促进营养器官茎与叶的发育。然而,GpmiR166b的过表达导致了拟南芥的发育迟缓及花序茎上毛状体数量的增多,表明GpmiR166b在一定程度上抑制营养器官的发育及参与毛状体的发育。(3)以野生型为对照,研究了生长素和赤霉素对过表达GpmiR156a/miR166b株系种子萌发和根系生长的影响。结果发现,随着浓度的升高,生长素和赤霉素均抑制两个转基因株系的萌发,但两种激素对两个转基因株系根系生长的调控方式有所不同。较低浓度的生长素促进GpmiR156a过表达株系根的伸长,但超过一定阈值时则会抑制其根的伸长。而对于GpmiR166b转基因株系,所试不同浓度的生长素均抑制其根系生长。赤霉素对拟南芥根系的调控存在一定阈值。较低浓度的赤霉素处理促进两个转基因株系的根的伸长,但超过一定阈值则会抑制根的伸长。本研究结合miRNAs测序技术与分子生物学技术解析了绞股蓝地上茎向根状茎发育转变过程中miRNAs的调节作用,并重点研究了GpmiR156a和GpmiR166b的生理功能及与激素的互作关系,拓宽了miRNAs对植物生长发育调控机制的认识。
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