玉米赤霉素响应的编码RNA和长链非编码RNA研究

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植物激素赤霉素调控种子萌发、株型建成、花器官发育等众多生物学过程。第一次“绿色革命”选育的半矮秆品种,其矮生性状归应于赤霉素合成与信号通路的改变。因此,围绕植物激素赤霉素开展相关研究,具有重要的理论与应用意义。赤霉素响应的编码RNA和长链非编码RNA的研究已经在甜瓜、葡萄、杨树等植物中开展,但对于玉米等重要禾谷类作物赤霉素编码RNA和长链非编码RNA的研究报道较少。基于此,本文开展了玉米赤霉素响应的编码RNA和长链非编码RNA研究。本研究以核背景为Mo17的高世代回交群体(BC5)中的株高正常植株(记为野生型WT)和矮秆植株(记为D11)为实验材料。用水(作为对照)、不同浓度赤霉素GA3溶液(10-4M、10-5 M、10-6 M)处理WT、D11。结果表明,与水处理相比,不同浓度赤霉素处理的WT、D11的第2叶鞘长均显著增加。根据赤霉素处理的结果,本研究取样水处理、10-4 M GA3处理的WT、D11的第2叶鞘,构建链特异性去核糖体文库,进行高通量测序,发掘玉米赤霉素响应的编码RNA和长链非编码RNA,并开展相关功能研究工作。1、赤霉素响应的编码RNA:与水处理相比,赤霉素处理的WT中有390个基因差异表达,其中271个上调、119个下调。差异表达的基因与囊泡转运、次生代谢产物生物合成等相关。与水处理相比,赤霉素处理的D11中有6995个基因差异表达,其中2686上调、4309个下调。差异表达的基因与质体、次生代谢产物生物合成等相关。在差异表达的基因中,存在11个赤霉素通路相关的基因,包括1个编码CPS酶的基因、2个编码KS酶的基因、1个编码KO酶的基因、4个编码GA2ox酶的基因、1个编码赤霉素受体GID1的基因、2个编码赤霉素信号负向调节因子DELLA的基因。WT、D11共同检测到的差异表达基因有213个,其中一致上调的有38个,一致下调的有56个。共表达分析表明,213个差异表达的基因构成了复杂的调控网络。2、赤霉素响应的长链非编码RNA:WT水处理、WT赤霉素处理、D11水处理、D11赤霉素处理中分别发掘到10247、9948、10444、8359个lncRNA。其中,超过88%的lncRNA属于基因间lncRNA,约9%的lncRNA是由反义链转录产生,剩下的lncRNA为正义链转录产生。与水处理相比,赤霉素处理的WT中有21个lncRNA差异表达,其中11个上调、10个下调。差异表达lncRNA的顺式靶基因有14个。与水处理相比,赤霉素处理的D11中有428个lncRNA差异表达,其中172个上调、256个下调。差异表达lncRNA的反式靶基因有13个、顺式靶基因有206个(111个位于lncRNA上游、95个位于lncRNA下游)。其中一个靶基因编码赤霉素代谢的酶GA2ox6,该靶基因对应的lncRNA为TCONS00031061,LncRNATCONS00031061 和靶基因 GA2ox6 均位于玉米第 6 染色体,相距208bp。WT、D11共同检测到的差异表达lncRNA有4个,分别为TCONS00107636、TCONS00025659、TCONS00044580、TCONS00064738。其中,长度为 2809 bp TCONS00025659的序列与B73参考基因组序列完全一致,未发现任何序列变异。通过RT-PCR结合序列测定,对TCONS00025659的可靠性进行了验证。在TCONS00025659上游1.5 kb处,存在3个赤霉素响应原件。TCONS000256599在玉米根、叶片、叶鞘、籽粒中均表达。根据TCONS000256599序列设计特异性DNA探针,进行原位杂交。在根尖细胞中,可以检测到绿色荧光信号。进行DAPI细胞核染色实验,亦为后续TCONS00025659定位提供参考。TCONS00025659序列与玉米Gypsy/DIRS1类逆转座子序列具有较高相似性,lncRNA TCONS00025659可能来源于玉米逆转座子。本研究所得结果不仅有助于丰富对赤霉素调控网络的认识,也可以为后续的研究工作提供可能的赤霉素响应编码RNA和长链非编码RNA靶点。
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