基于一种高效的CRISPR/Cas9技术初步研究拟南芥miR396的功能

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miR396是植物体内一类高度保守的内源性非编码单链小RNA,在转录或转录后水平对靶基因的表达发挥调控作用,参与植物的生长发育、形态建成、激素应答以及生物与非生物胁迫等多种生理生化反应。为初步探讨AtmiR396对拟南芥生长发育的影响,本文以哥伦比亚野生型拟南芥以及利用CRISPR/Cas9基因定点编辑技术所获得的AtmiR396纯合突变体为研究对象,通过观测表型、测定抗氧化酶的活性、比较miR396的靶基因GRFs以及CKXs基因的表达、分析差异表达基因(DEGs)以初步确定拟南芥AtmiR396的功能。主要研究内容与结果如下:1.根据AtmiR396a和AtmiR396b序列分别设计2个sgRNA,经PCR扩增目的片段大小在500-750 bp之间,与预期扩增长度592 bp大小相一致。Bsa1酶切pHDE-mCherry质粒,质粒线性化,可与目的片段组装成重组质粒pHDE-mCherry-AtmiR396。重组质粒转化DH5α感受态细胞,菌液PCR鉴定结果显示,目标条带大小位于500-750 bp之间,与预期大小相符。提取重组质粒进行质粒PCR鉴定,条带大小符合预期,初步判定pHDE-mCherry-AtmiR396表达载体构建成功。经测序比对,目的片段序列与预期序列相一致,证明pHDE-mCherry-AtmiR396表达载体构建成功。2.重组质粒pHDE-mCherry-AtmiR396转化农杆菌GV3103感受态细胞,通过菌液PCR鉴定,条带大小在500-750 bp之间,符合预期大小,经测序验证工程菌构建成功,可用于转化拟南芥。3.筛选转化后带有荧光标记的拟南芥T0代种子,种植培育得到T1代植株,提取基因组进行AtmiR396基因敲除鉴定以及Cas9基因检测,结果表明AtmiR396a与AtmiR396b被大片段敲除,获得纯合突变体,进一步挑选不带荧光的T1代种子,种植培育得到T2代植株,经PCR以及测序验证,外源转化元件被成功分离,获得可稳定遗传的AtmiR396纯合突变体。4.对AtmiR396a突变体与野生型幼苗进行为期连续10天的跟踪观测,发现AtmiR396a突变体根长明显长于野生型,且生长发育期较野生型提前,经显微观察,发现野生型植株的根尖成熟区几乎无根毛,而AtmiR396a突变体根尖成熟区的根毛长且浓密。AtmiR396b纯合突变体与野生型的表观在整个生长周期无明显差异。5.AtmiR396a突变体幼苗的SOD、POD、CAT以及PPO的活性相较于野生型均明显升高,说明AtmiR396a突变体幼苗能清除植物体内因受外界环境影响而产生的活性氧,对环境的适应性好,表现出更好的活力与生长势。6.对AtmiR396a介导的靶基因GRFs进行基因表达差异研究,发现编辑AtmiR396a基因后,GRF1、GRF3、GRF7、GRF9的表达量上升,GRF4和GRF8的表达量下降,GRF2的表达量差异不显著。其中GRF3相对差异最大,结合前人研究结果,初步确定AtmiR396主要通过调控GRF3影响拟南芥根的生长。同时发现编辑AtmiR396a基因后,CKX3、CKX4的表达量降低,CKX7的表达量差异不显著,AtmiR396a可影响CKXs的表达。7.通过转录组测序,可得在拟南芥AtmiR396a突变体的根部共有1461个差异表达基因,其中上调基因1082个,下调基因379个。AtmiR396a突变体和野生型拟南芥根部的差异表达基因热图分析显示两者的聚类存在明显差异。对拟南芥AtmiR396a突变体根部的差异表达基因进行GO和KEGG富集分析,可得AtmiR396a主要以跨膜运输的方式传递信号,并通过信号转导以及激素应答影响植物根部的生长,且拟南芥生长发育幼期,AtmiR396a突变体根部的差异表达主要与赤霉素相关。
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