TalncR3017作为ceRNA介导miR408调节冬小麦低温应答

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低温是影响作物生长发育并限制产量的主要非生物胁迫之一。高寒地区农作物很难安全越冬,而东农冬麦1号(Dn1)是首例可在黑龙江省高寒地区安全越冬的冬小麦。因此,研究其耐寒机制尤为重要。已知miRNA参与植物的许多逆境胁迫应答,miR408可介导植物对环境响应。LncRNA是植物正常生长发育过程不可或缺的一类非编码RNA,可作为竞争性内源RNA(competing endogenous RNAs,cceRNA),竞争性结合miRNA共同调控靶基因的表达参与胁迫应答。我们前期RNA数据库分析发现,不同温度下Dn1中的miR408和lnc R3017差异表达显著,两者如何协调参与小麦抗寒应答,有待深入研究。本研究以Dn1为材料,首先预测得到TalncR3017可以作为cceRNA与m RNA竞争性结合TamiR408,限制TamiR408的功能;而后取大田连续10 d自然降温至5℃、-10℃、-25℃的Dn1叶片和分蘖节,测定TamiR408、TalncR3017和TaCLP(Chemocyanin-like protein)的基因表达模式,并从Dn1中克隆tae-pre-miR408和TalncR3017基因,在拟南芥中过表达;同时构建TalncR3017点突变和miR408沉默载体转入拟南芥作为互补实验,以探讨TalncR3017-TamiR408-TaCLP响应冷冻胁迫的分子机制,为小麦抗寒分子育种提供新思路。实验结果如下:(1)生物信息学分析显示,冬小麦tae-pre-miR408拥有典型的茎环结构,成熟体保守性良好。TamiR408靶基因预测为TaCLP,TaCLP长度为126个氨基酸,含有plantacyanin结构域,是phytocyanin家族成员;TalncR3017长度为397 bp,被预测为TamiR408的cceRNA,可吸附TamiR408。(2)在5℃、-10℃和-25℃时对冬小麦叶片和分蘖节中的TamiR408、TaCLP和TalncR3017进行表达模式分析:叶片中,随温度降低,TamiR408的表达量先显著下降后变化不显著;TaCLP的表达量逐渐升高,且与TamiR408的表达趋势相反;TalncR3017的表达量显著下降后变化不显著。在分蘖节中,TamiR408、TaCLP和TalncR3017均呈现先降后升的趋势。外源ABA可对Dn1冷冻胁迫下TamiR408、TalncR3017和TaCLP的表达水平产生显著影响,与对照组相比,外源ABA使叶片中TalncR3017和TamiR408在5℃时的表达受到抑制,TaCLP则受到诱导,且三者都在-10℃达到峰值,而后骤降;在分蘖节中,与对照相比,外源ABA使三者在5℃时的表达规律同叶片,但三者的表达峰值都在-25℃。(3)分别构建tae-pre-miR408和TalncR3017基因过表达载体,以及将TalncR3017和TamiR408互作区域突变的过表达mlnc R3017的载体和miR408沉默载体,分别转入拟南芥,获得T2代阳性植株。对阳性植株进行4℃8 h→-10℃6 h→常温恢复3 d的处理,表型观察发现,过表达miR408的拟南芥最抗寒,过表达TalncR3017的拟南芥抗寒性较野生型差,而沉默miR408的拟南芥抗寒性最差。检测miR408、miR408靶基因以及氧化胁迫相关基因的表达模式,与野生型相比,过表达TamiR408后,其表达上调100倍左右;沉默后,下降至野生型的0.2倍左右。MiR408通过下调其靶基因以提高拟南芥氧化胁迫相关基因的表达水平。过表达TalncR3017拟南芥中显示其可以通过吸附miR408而增加其靶基因的表达量。将其与miRNA结合位点突变后,miR408靶基因的表达水平无明显改变,证明TalncR3017充当cceRNA来调控miR408的表达。综上,本实验初步证明了Dn1中TamiR408参与冷冻胁迫,并可被TalncR3017调控进一步调控靶基因TaCLP的表达,从而影响其他氧化胁迫基因的表达。本实验对TalncR3017-TamiR408-TaCLP模块调节小麦应答冷冻胁迫的分子机制提供了新见解。
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