银杏和叶籽银杏microRNA的鉴定与分析

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银杏(Ginkgo biloba L.)系第四纪冰川之后惟一在中国保存下来的的孑遗种子植物。在其漫长的演化历程中,银杏的种子和叶片发生了明显的形态变异。世界上第一株叶籽银杏(Ginkgo biloba var. epiphylla Mak.)是由Shirai于1891年在日本发现的。叶籽银杏系银杏家族中的特异种质,因具有明显的叶生胚珠,而被视为观赏佳品,同时具有重要的科研价值。虽然国内外学者已对叶籽银杏的分类地位和系统进化进行了研究,但对于其发生机制还未有明确的定论。MicroRNAs(miRNAs)通过对靶mRNA直接切割或者抑制其翻译,在转录后水平对基因表达起调控作用,其功能几乎涉及到生长发育、信号转导以及环境响应等生命进程的各个方面。因此,对银杏和叶籽银杏开展miRNA的鉴定与功能研究具有重要的意义,为银杏和叶籽银杏的进化以及叶籽银杏产生叶生胚珠的分子机制研究提供了更广阔的视角。本研究以银杏和叶籽银杏为试验材料,利用高通量测序技术与生物信息学技术相结合的方法,鉴定和分析了银杏和叶籽银杏中的miRNA。主要研究结果如下:(1)用Solexa高通量测序技术构建了银杏和叶籽银杏嫩叶小RNA文库,共获得高质量序列46,191,036条,其中银杏小RNA文库包含24,227,844条,叶籽银杏小RNA文库包含21,963,192条。去接头、去污染后分别在银杏小RNA文库和叶籽银杏小RNA文库中得到23,798,499(3,059,786unique)和21,717,220(2,585,993unique)条clean reads。(2)对小RNA文库中的clean reads进行分析,并进行分类注释。两个文库中小RNA长度多数都在19nt~24nt之间,长度分布峰值在21nt和24nt两处,其中21nt处均能达到60%以上,这与小RNA的典型长度是一致的,其分布特征与其他裸子植物小RNA文库也基本一致,而与一些被子植物的分布特征存在差异,这主要是与其加工生成的DCL酶种类不同。文库中miRNA与siRNA的含量丰富,在银杏中分别达到12.5%和25.85%,在叶籽银杏中分别达到13.73%和29.39%,表明在银杏与叶籽银杏中miRNA的调控有着重要的地位。(3)从银杏小RNA文库中鉴定出2,974,600条植物miRNA同源序列,其中包含20,262条unique reads,它们隶属于444个miRNA家族;经过进一步的复杂分析和严格筛选,共得到银杏保守序列399,039条,这些序列隶属24个miRNA家族的69个保守miRNA成员。从叶籽银杏小RNA文库中鉴定出2,981,348条植物miRNA同源序列,其中包含18,685条unique reads,隶属于391个家族;经筛选后得到叶籽银杏保守序列460,037条,包含28个miRNA家族的82个保守miRNA成员。(4)在所建的银杏及叶籽银杏小RNA文库中共预测到10条新miRNA候选者,其中在叶籽银杏中预测到9条新miRNA候选者,分别为miRn1、miRn2、miRn3、miRn4、miRn5、miRn6、miRn7、miRn8、miRn9、同时发现miRn1*;在银杏中预测到2两条新miRNA候选者,分别为miRn9、miRn10。这10条新miRNA候选者的前体能均形成特征性发卡环结构,长度在20nt~23nt之间,最小折叠自由能(MFE,minimal folding freeenergy)都在-19.5kcal/mol以下,符合miRNA的典型特征。(5)应用miRU算法对银杏及叶籽银杏的miRNA进行靶基因预测,在30个保守miRNA中,共预测到22个保守的miRNA家族中对应的161个靶基因,大多数靶基因为植物转录因子,功能注释显示这些靶基因涉及到植物生长发育和环境响应的各个方面;在10个新miRNA中共发现37个靶基因,这些靶基因中有17个编码功能蛋白,还有20个编码未知功能的蛋白。(6)对银杏和叶籽银杏中miRNA的表达量进行分析发现, MIR156、MIR164、MIR168、MIR169、MIR390、MIR397、MIR399、MIR408、MIR535、MIR1030在叶籽银杏中的表达量要比在银杏中的高,且差异极显著;MIR159、MIR160、MIR394、MIR828在银杏中的表达量要比叶籽银杏中高,且差异极显著。本研究通过对银杏及叶籽银杏miRNA的鉴定与分析,发现在银杏及叶籽银杏中存在数量众多的小RNA,这预示着银杏及叶籽银杏中可能存着复杂的转录后基因表达调控机制。银杏与叶籽银杏miRNA表达模式和水平的不同可能会进一步揭示叶籽银杏叶生胚珠发生的分子机制。
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