miR164在水稻生长发育中的功能研究

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mi RNA是一类具有调控功能的短链非编码小RNA,能与靶基因mRNA上的特异位点通过碱基互补配对结合,剪切靶mRNA或者抑制其翻译过程。miR164在植物中具有高度的保守性,它的靶基因是NAC转录因子。在双子叶模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中,miR164的调控模式以及分子机理已比较透彻,但是水稻(Oryza sativa L)作为一种重要的粮食作物,miR164在水稻生长发育过程中的功能尚不清晰。本研究通过软件和网站分析,预测mi R164前体二级结构和其靶基因。利用GUS组织染色和荧光定量PCR分析mi R164及其靶基因Os12g0610600的时空表达模式。通过融合ubi启动子过表达miR164前体,以及采用MiRNA Target Mimics和CRISPR-Cas9技术构建miR164表达量下降的植株,然后对于具有稳定可遗传的植株进行一系列的表型观察。在不同的miR164表达水平下,通过比较植株的表型,进而揭示mi R164对水稻生长发育的影响。通过转录组分析,揭示miR164可能参与的调控通路,为后续对miR164的研究提供指导作用。本研究所得结果如下:1.通过生物信息学分析,发现mi R164在水稻基因组中有六个基因座,其成熟体长度均为21nt,并且在序列上是保守的。miR164b前体的二级结构有miRNA前体所具有的发卡结构,成熟体序列位于茎环结构的臂上。构建miR164b基因座的启动子融合GUS基因的植株,结果表明,miR164主要是在成熟茎秆、茎节和叶片中表达量比较高,在花药发育早期的表达量没有成熟期的高。通过qRT-PCR检测miR164成熟体,其主要是在叶片和成熟花药中表达。2.为了研究miR164对水稻生长发育的影响,构建mi R164b前体的过表达植株,得到表达量上调且能够稳定遗传的植株OEmiR164。与野生型ZH11相比,OEmiR164表现出植株矮小,部分叶片发生扭曲,光照和温度的变化可能影响植株该表型的异常程度。过表达植株花粉I2-KI染色率下降,结实率下降,小穗的长度变短,次级枝梗数变少。通过半薄切片观察各时期花药发育情况,发现过表达植株在S6-S13时期的花药结构中,部分相连药室的表皮、内层、中层和绒毡层异常发育,多数花药只有两到三个药室,药室中的生殖细胞正常分裂,可以产生充满淀粉粒的花粉。3.通过对OEmiR164植株进行转录组分析,差异显著基因有498个,其中297个上调基因,201个下调基因。植物激素响应通路分析表明,色氨酸代谢途径中,生长素受体基因,ARF基因和SAUR基因(IAA1,IAA2,IAA17,ARF12,Os10g0510500)具有显著性变化。吲哚乙酸氨基化合成酶基因OsGH3家族在转录组数据分析和幼穗表达量检测中都有提高。差异基因转录因子分析结果表明,ARF家族和NAC转录因子家族都有显著差异。4.采用MiRNA Target Mimics方法得到mi R164表达量下降的稳定可遗传植株,观察发现该植株从S6时期就已经出现了花药的部分药室发育异常,并且发育异常的药室也不能形成可育花粉。利用CRISPR-cas9技术,得到miR164成熟体序列的第七个碱基缺失的植株,而筛选其它碱基缺失突变植株以及其表型观察有待进一步的工作展开。5.通过网站预测mi R164的靶基因,发现Os12g0610600的第三个外显子上具有与mi R164碱基互补配对的序列,其属于NAC转录因子家族,并且在miR164过表达植株和mi R164表达量下降植株(IPS)中,Os12g0610600的表达量变化与miR164呈负相关。构建Os12g0610600启动子融合GUS基因的转基因植株,Os12g0610600主要是在茎秆、茎节、叶片和小穗枝梗中有表达。
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