彭 廷,文慧麗,趙亞帆,王博博,金玉蔓,孫紅正,趙全志
(河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心,河南省水稻生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,河南 鄭州 450002)
植物在其生命周期中常受到生物脅迫和非生物脅迫的影響。其中,干旱和鹽脅迫經(jīng)常發(fā)生,對作物的生長、發(fā)育及產(chǎn)量造成不利影響[1-2]。植物處于高濃度鹽離子或者干旱脅迫環(huán)境下,會同時(shí)受到滲透脅迫、離子脅迫和氧化脅迫,最終引起細(xì)胞凋亡,甚至造成植株死亡。miRNA是一類長度為18~24 nt的非編碼小分子RNA,通過切割或者翻譯抑制負(fù)調(diào)控下游靶基因的表達(dá)[3-5]。作為植物級聯(lián)調(diào)控的上游,miRNA在植物生長的各個階段發(fā)揮重要調(diào)節(jié)功能[6]。近年來,植物miRNA在感受逆境脅迫并產(chǎn)生適應(yīng)性的過程中發(fā)揮重要調(diào)控作用,有關(guān)植物miRNA響應(yīng)干旱脅迫和鹽脅迫的報(bào)道越來越多[7-13]。其中,miR169負(fù)調(diào)控植物對干旱脅迫的耐受程度[14],miR159是植物應(yīng)答干旱脅迫的上游調(diào)控因子[13],煙草miR160在受到干旱脅迫后表達(dá)量下調(diào),而其靶基因的表達(dá)量上調(diào),從而提高了轉(zhuǎn)基因煙草對干旱的耐受性,miR167在擬南芥干旱處理下表達(dá)量上調(diào),miR164、miR528、miR444、miR319、miR397等一些保守miRNA的表達(dá)量在植物受到干旱或者高鹽脅迫下發(fā)生一定程度的誘導(dǎo)或者下調(diào)[15-18]。
然而,前人對于植物miRNA響應(yīng)非生物脅迫的研究多集中在采用大規(guī)模測序的手段對脅迫處理下特定時(shí)間點(diǎn)的研究;另外,對單個響應(yīng)非生物脅迫的miRNA研究大部分是針對單一脅迫處理下miRNA表達(dá)量及靶基因變化情況,而對不同脅迫處理下不同miRNA隨時(shí)間變化情況的研究比較少,且miRNA及靶基因在植物不同組織表達(dá)情況的報(bào)道較少。目前,研究miRNA表達(dá)常用的方法有Northern雜交,微陣列(Microarray),半定量RT-PCR和實(shí)時(shí)定量PCR(qRT-PCR)等。其中,qRT-PCR檢測基因表達(dá)的靈敏度高、快捷、高效,已經(jīng)成為檢測基因表達(dá)量的重要方法之一。為篩選出更多與鹽脅迫、干旱脅迫相關(guān)的miRNA,本研究采用定量PCR的方式對水稻10個保守miRNA及其靶基因在鹽脅迫和干旱脅迫處理下不同時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)模式及miRNA與靶基因的相關(guān)性進(jìn)行分析,以期為研究植物對逆境脅迫的響應(yīng)和適應(yīng)性及分子設(shè)計(jì)育種提供理論依據(jù)。
供試水稻品種為粳稻品種日本晴(OryzasativaL. ssp.japonica),選取飽滿一致的種子進(jìn)行試驗(yàn)。首先種子用15%雙氧水進(jìn)行表面消毒10 min,蒸餾水沖洗5~6次;然后在28 ℃恒溫培養(yǎng)箱黑暗培養(yǎng)48 h,選取露白種子單粒放置于96孔PCR板中,之后幼苗培養(yǎng)于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱,14 h光照,10 h黑暗。3 d更換一次營養(yǎng)液,14 d幼苗用于鹽(200 mmol/L NaCl)和干旱(20%PEG)處理。
1.2.1 植物總RNA提取 分別于脅迫后0,3,6,12,24,48 h選取對照(未作處理的水稻)、200 mmol/L NaCl 和20%PEG處理幼苗的根和地上部樣品,并立即置于液氮中,-80 ℃保存。總RNA的提取用RNA提取試劑盒(TransGen Biotech,Tranzol Plant,ET1201-01)。
1.2.2 反轉(zhuǎn)錄 使用HiFi-MMLV cDNA Kit(康為世紀(jì),CW0744A)反轉(zhuǎn)錄成cDNA。用于檢測miRNA表達(dá)量的cDNA,采用Stem-loop的方法進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,所用引物為miRNA特異反向引物與內(nèi)參反向引物,引物序列詳見表1。用于miRNA靶基因反轉(zhuǎn)錄的引物為試劑盒自帶PrimerMix,反轉(zhuǎn)錄體系為20 μL。
表1 miRNA和靶基因表達(dá)量鑒定所用引物及序列 Tab.1 Primers used in miRNA and its target(s)
表1(續(xù))
1.2.3 miRNA及靶基因表達(dá)量分析 將反轉(zhuǎn)錄后的cDNA稀釋20倍,10個水稻保守miRNA分別為miR156、miR159、miR160、miR164、miR167、miR169、miR171、miR319、miR398、miR1848,用于實(shí)時(shí)熒光定量PCR測定。20 μL反應(yīng)體系:5 μL模板、10 μL UltraSYBR mixture、1 μL正向引物、1 μL反向引物和3 μL水,以β-actin為內(nèi)參基因。miRNA定量采用Stem-loop方法進(jìn)行,所用引物為miRNA正向引物與通用引物stem-loop_U。靶基因定量引物為該基因的正向引物與反向引物。實(shí)時(shí)熒光定量PCR在CFX 96 Real Time System上進(jìn)行,反應(yīng)程序?yàn)椋?5 ℃預(yù)變性10 min;95 ℃變性30 s,60 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,40個循環(huán)。所有樣品均設(shè)置3次重復(fù),相對表達(dá)量用2-ΔΔCt方法計(jì)算,引物詳見表1。
1.2.4 數(shù)據(jù)分析 試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行整理和分析,相關(guān)性和顯著性借助SPSS 20.0進(jìn)行分析,利用MultiExperimentViewer(MeV)-version 4.8.1 進(jìn)行Heatmap作圖。
從圖1可以看出,NaCl和PEG處理后與對照相比,水稻幼苗均出現(xiàn)葉片萎蔫,且NaCl和PEG處理相比,脅迫處理24 h后NaCl處理的表型較PEG處理更為嚴(yán)重。
圖1 NaCl(A)和PEG(B)處理24 h后水稻幼苗表型 Fig.1 Phenotypes of rice seedlings at 24 h under NaCl (A) and PEG (B) treatments
miRNA定量結(jié)果表明,與對照相比,10個miRNA(miR156、miR159、miR160、miR164、miR167、miR169、miR171、miR319、miR398、miR1848)NaCl處理后,根部除miR159、miR319、miR398和miR1848在3 h以及miR319在24 h的表達(dá)量下調(diào)外,所有miRNA在其他時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)量都呈上調(diào)趨勢(圖2-A)。進(jìn)一步分析表明,根部miRNA的表達(dá)量隨處理時(shí)間的延長分為4類:(Ⅰ)miR167表達(dá)量在處理24 h后出現(xiàn)峰值,且表達(dá)量比對照提高了7.24倍;(Ⅱ)miR164表達(dá)量上調(diào),在處理6 h后出現(xiàn)峰值;(Ⅲ)miR156、miR159、miR160、miR171、miR169這一類miRNA的表達(dá)量先下調(diào)后上調(diào),在處理12 h后出現(xiàn)峰值,且miR160表達(dá)量增加幅度最大,比0 h提高8.3倍;(Ⅳ)miR319、miR398和miR1848,分別在NaCl處理后6 h和24 h表達(dá)量達(dá)到最高。這一類miRNA的表達(dá)量先下調(diào)后上調(diào)再下調(diào),且下調(diào)的谷底出現(xiàn)在處理后3 h。
與根部miRNA表達(dá)量情況不同的是,NaCl處理后地上部大多數(shù)miRNA的表達(dá)量呈下調(diào)趨勢(圖2-B)。在處理后6 h,所有miRNA的表達(dá)量與對照相比均下調(diào)。進(jìn)一步分析表明,地上部miRNA的表達(dá)量隨處理時(shí)間的延長分為4類:(Ⅰ)miR156和miR160的表達(dá)量除在處理后12 h明顯上調(diào)之外,與對照相比,其余時(shí)間點(diǎn)均呈下調(diào)趨勢。(Ⅱ)miR159、miR164、miR169、miR171、miR398的表達(dá)量在處理后的大部分時(shí)間呈下調(diào)趨勢,其中miR159和miR398在處理6 h后表達(dá)量下調(diào)最為顯著,分別為對照的3.00%和5.00%;(Ⅲ)miR167的表達(dá)量在處理后在3 h表達(dá)量下調(diào)最為顯著,12 h后表達(dá)量穩(wěn)定上調(diào),在24 h出現(xiàn)峰值;(Ⅳ)miR319和miR1848的表達(dá)量基本呈先下降后上升的趨勢,且在處理后48 h出現(xiàn)峰值。
圖2 根(A)和地上部(B)miRNA的表達(dá)量隨NaCl處理時(shí)間的變化趨勢 Fig.2 Expression patterns analysis of different miRNAs in root (A) and shoot (B) under NaCl treatment
從圖3可以看出,PEG處理后,無論是根部還是地上部,miRNA的表達(dá)量大部分呈下降趨勢,但是具體表達(dá)情況,根部與地上部的表達(dá)量又有所不同(圖3-A)。進(jìn)一步分析表明,根部miRNA的表達(dá)量隨處理時(shí)間的延長可以分為5類:(Ⅰ)miR164的表達(dá)量除在處理后6 h明顯上調(diào)之外,其他時(shí)間點(diǎn)均下調(diào);(Ⅱ)miR159和miR160的表達(dá)量可分為一類,其表達(dá)量在處理后6 h和48 h有所上調(diào),其他時(shí)間點(diǎn)均表現(xiàn)為下調(diào);(Ⅲ)miR169的表達(dá)量除在處理后6 h略有上調(diào)之外,其余時(shí)間點(diǎn)均下調(diào);(Ⅳ)miR398在處理后12 h略有上調(diào),其余時(shí)間點(diǎn)均下調(diào)。(Ⅴ)miR156、miR167、miR171、miR319、miR1848的表達(dá)量在處理后的所有時(shí)間點(diǎn)均下調(diào)。
PEG處理后地上部miRNA的表達(dá)量與根部的略有不同(圖3-B),具體表現(xiàn)為地上部的miRNA表達(dá)量隨處理時(shí)間的延長可以分為4類:(Ⅰ)miR156、miR159、miR160、miR164和miR171可分為一大類,其表達(dá)量在處理后的所有時(shí)間點(diǎn)均表現(xiàn)為下調(diào);(Ⅱ)miR398的表達(dá)量在處理后的24 h和48 h略有上調(diào);(Ⅲ)miR169和miR319的表達(dá)量在處理48 h后顯著上調(diào),分別上調(diào)至對照的4.45,5.40倍;(Ⅳ)miR167和miR1848的表達(dá)量呈現(xiàn)波動性變化,在處理后6,24,48 h上調(diào),且在處理后的24,48 h時(shí)達(dá)到峰值。
圖3 根(A)和地上部(B)miRNA的表達(dá)量隨PEG處理時(shí)間的變化趨勢 Fig.3 Expression patterns analysis of different miRNAs in root (A) and shoot (B) under PEG treatment
從圖4可以看出,大多數(shù)miRNA靶基因的表達(dá)量隨處理時(shí)間的延長呈上調(diào)趨勢。對根部miRNA靶基因的表達(dá)量進(jìn)一步分析表明,不同靶基因的表達(dá)量變化趨勢不盡一致(圖4-A)。具體可以分為4類:(Ⅰ)OsOMTN6的表達(dá)量下調(diào)趨勢明顯,且波谷出現(xiàn)在處理后24 h;(Ⅱ)OsARF8的表達(dá)量與對照相比也呈現(xiàn)下調(diào)趨勢,但波谷出現(xiàn)的時(shí)間為處理后3 h,其余時(shí)間點(diǎn)無明顯變化;(Ⅲ)OsARF16、OsARF18、OsSPL13、OsSPL14、OsSOD2、OsGAMYB、OsNF-YA可以聚為一類,且其表達(dá)量呈現(xiàn)波動性變化,除OsGAMYB的表達(dá)量一直下調(diào)外,其他基因的表達(dá)量在處理后均有上調(diào)的時(shí)間點(diǎn),其中OsSPL13、OsSPL14、OsSOD2、OsNF-YA的峰值出現(xiàn)在處理后12 h;(Ⅳ)OsCYP51G3、OsGRAS、OsPCF5和OsPCF6因其在根部的表達(dá)量太低,未能檢測到。
圖4-B結(jié)果表明,地上部miRNA靶基因的表達(dá)量隨處理時(shí)間的延長可以分為4類:(Ⅰ)OsARF16的表達(dá)量除在處理后3 h下調(diào)外,其余時(shí)間點(diǎn)均上調(diào),上調(diào)的峰值出現(xiàn)在脅迫后12 h,上調(diào)倍數(shù)達(dá)到36倍;(Ⅱ)OsSOD2、OsARF18、OsGAMYB3個靶基因的表達(dá)量隨處理時(shí)間的延長基本上呈現(xiàn)遞增趨勢,峰值出現(xiàn)在脅迫后48 h,其中OsSOD2上調(diào)趨勢明顯,上調(diào)倍數(shù)達(dá)6.06倍;(Ⅲ)OsSPL13、OsSPL14、OsOMTN6、OsARF8、OsNF-YA的表達(dá)量在脅迫之后呈現(xiàn)波動變化;(Ⅳ)OsCYP51G3、OsGRAS、OsPCF5、OsPCF6的表達(dá)量在地上部表達(dá)量過低,均未檢測到。
圖4 根(A)和地上部(B)miRNA靶基因的表達(dá)量隨NaCl處理時(shí)間的變化趨勢 Fig.4 Expression patterns analysis of miRNA targets in root(A) and shoot (B) under NaCl treatment
從圖5-A可以看出,PEG處理后miRNA靶基因的表達(dá)量隨處理時(shí)間的延長大致可以分為3大類:(Ⅰ)OsSPL13、OsSPL14、OsSOD2的表達(dá)量在處理后3 h出現(xiàn)波谷,處理后6 h開始出現(xiàn)上調(diào);(Ⅱ)OsARF16、OsARF18、OsOMTN6、OsARF8、OsGAMYB、OsNF-YA的表達(dá)量在處理后,與對照相比呈現(xiàn)下調(diào)趨勢或基本保持不變。(Ⅲ)與NaCl脅迫下根部類似,OsCYP51G3、OsGRAS、OsPCF5、OsPCF6因其表達(dá)量太低未檢測到。
通過對PEG處理下地上部miRNA靶基因表達(dá)量分析,其表達(dá)量隨處理時(shí)間的延長大致可以分為5類(圖5-B):(Ⅰ)OsARF16的表達(dá)量在處理后48 h內(nèi)一直呈上調(diào)趨勢,且峰值出現(xiàn)在脅迫后12 h,是對照的6.77倍;(Ⅱ)OsSPL13和OsSOD2的表達(dá)量峰值都出現(xiàn)在48 h。其中OsSPL13表達(dá)量在48 h之前,除6 h和24 h略微升高外,其他時(shí)間略低于對照。OsSOD2的表達(dá)量在處理后48 h內(nèi)呈現(xiàn)波動性變化,其中大部分時(shí)間點(diǎn)表達(dá)量高于對照,且峰值都出現(xiàn)在處理后48 h;(Ⅲ)OsARF8和OsOMTN6的表達(dá)量在處理后表達(dá)量一直處于下調(diào)狀態(tài),且OsOMTN6在脅迫后的6,24 h下調(diào)幅度較大;(Ⅳ)OsARF18、OsSPL14、OsGAMYB、OsNF-YA的表達(dá)量在處理后3 h出現(xiàn)上調(diào),且出現(xiàn)峰值,之后隨著處理時(shí)間的增加出現(xiàn)不同程度的下調(diào),其中OsARF18和OsGAMYB的表達(dá)量在脅迫后48 h再次上調(diào);(Ⅴ)OsCYP51G3、OsGRAS、OsPCF5和OsPCF6因其在地上部的表達(dá)量太低,未能檢測到。
圖5 根(A)和地上部(B)miRNA靶基因的表達(dá)量隨PEG處理時(shí)間的變化趨勢分析 Fig.5 Expression patterns analysis of miRNA targets in root(A) and shoot (B) under PEG treatment
本研究利用SPSS 20.0對NaCl和PEG處理后miRNA與靶基因的表達(dá)量進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果表明,NaCl脅迫處理下,根部miR156的表達(dá)量與其靶基因OsSPL13、OsSPL14的表達(dá)量存在顯著正相關(guān)關(guān)系,miR159和miR160的表達(dá)量與其靶基因OsGAMYB和OsARF16表達(dá)量之間也存在顯著正相關(guān)關(guān)系,而其他miRNA的表達(dá)量與靶基因的表達(dá)量相關(guān)性不顯著;地上部miR160的表達(dá)量與其靶基因OsARF16的表達(dá)量存在顯著正相關(guān)關(guān)系,而其他miRNA的表達(dá)量與其靶基因的表達(dá)量相關(guān)性不顯著。PEG處理下,根部miR169表達(dá)量與其靶基因OsNF-YA表達(dá)量之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,而其他miRNA的表達(dá)量與其靶基因的表達(dá)量相關(guān)性不顯著;而地上部所有檢測的miRNA與其靶基因的表達(dá)量之間的相關(guān)性均不顯著(表2)。
表2 miRNA表達(dá)量與靶基因表達(dá)量的相關(guān)性分析 Tab.2 Correlation coefficient analysis of expressions between miRNA and its target(s)
注:*、**.差異達(dá)到顯著和極顯著。
Note:*and**.Significant at 5% and 1% probability levels,respectively.
植物miRNA在多種逆境脅迫下均有響應(yīng),且在感受植物逆境脅迫之后做出的適應(yīng)性調(diào)整過程中發(fā)揮重要作用。本研究利用實(shí)時(shí)定量PCR的方法,對10個miRNA在水稻幼苗鹽和干旱脅迫不同時(shí)間段的表達(dá)模式進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)這10個miRNA均參與了水稻幼苗對鹽和干旱脅迫的響應(yīng)。NaCl脅迫處理下,大部分miRNA在根部的表達(dá)量在多數(shù)時(shí)間點(diǎn)呈上調(diào)趨勢,說明NaCl脅迫誘導(dǎo)這10個miRNA在根部的表達(dá)。PEG脅迫處理后,除地上部在脅迫后期miR167、miR169、miR319和miR1848表達(dá)量上調(diào)之外,其余大部分miRNA的表達(dá)量都呈下調(diào)趨勢。說明這10個miRNA不僅能參與NaCl脅迫調(diào)控,還參與到干旱脅迫的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中,但其調(diào)控機(jī)制可能存在差異。
miRNA在鹽和干旱脅迫下的表達(dá)模式存在差異,同時(shí)在相同脅迫下根部與地上部的表達(dá)量又有所不同,并且隨著脅迫時(shí)間的延長,單一miRNA的表達(dá)量也是呈現(xiàn)時(shí)序性表達(dá)。miR156在受到干旱脅迫中表達(dá)量下調(diào)[19],這與本研究中miR156的表達(dá)量在PEG脅迫下根部與地上部表達(dá)量均下調(diào)是一致的。而在NaCl脅迫處理下,無論是根部或者是地上部,miR156的表達(dá)量隨處理時(shí)間的延長,既有下調(diào),也有上調(diào)。miR167在受到PEG脅迫處理后,在根部表現(xiàn)為下調(diào)表達(dá),在地上部以及NaCl脅迫處理后隨脅迫時(shí)間的增加表現(xiàn)為時(shí)序性變化,而在煙草干旱脅迫下的48,72 h,miR167的表達(dá)量上調(diào)[20],在玉米中的表達(dá)量在干旱處理后24 h是下調(diào)表達(dá),而在處理后48,72 h上調(diào)表達(dá)[21]。說明miRNA的表達(dá)存在明顯的組織特異性和時(shí)序性。因此,在研究miRNA對環(huán)境響應(yīng)的試驗(yàn)中,應(yīng)考慮miRNA在環(huán)境響應(yīng)中的時(shí)序性特征,單一測定某一時(shí)間點(diǎn)miRNA的表達(dá)量進(jìn)而得出miRNA對環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律是不科學(xué)的。
本研究所篩選的10個與鹽和干旱脅迫相關(guān)的miRNA,除miR398的靶基因編碼超氧化物歧化酶蛋白和miR1848靶基因編碼鈍葉醇14α-脫甲基酶蛋白基因外,其余8個miRNA的靶基因均為轉(zhuǎn)錄因子。已有研究認(rèn)為,miR156通過負(fù)調(diào)控靶基因SPLs調(diào)節(jié)葉和芽的發(fā)育及生長階段的轉(zhuǎn)換[22],miR160、miR164、miR167則是通過ARFs家族和NAC等轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控一些生理過程[23-25]。本研究發(fā)現(xiàn),miR156、miR160、miR164、miR167及其靶基因在受到鹽脅迫和干旱處理后表達(dá)量無論在根部還是在地上部均存在顯著變化,且出現(xiàn)差異的時(shí)間點(diǎn)不同說明這些miRNAs與靶基因也參與到植物脅迫響應(yīng)中。miR169通過負(fù)調(diào)控其靶基因NF-YA家族轉(zhuǎn)錄因子參與到調(diào)控植物對干旱的耐受程度通路[26-27],miR171很可能參與干旱信號通路[28],miR398在植物抵御氧化脅迫中起著舉足輕重的作用[29],miR1848在油菜素內(nèi)酯介導(dǎo)的種子發(fā)育及鹽脅迫方面發(fā)揮重要作用[30],在鹽和干旱脅迫處理后這3個miRNA的表達(dá)量也存在時(shí)序性變化,且這些miRNA在響應(yīng)鹽和干旱脅迫中發(fā)揮重要的功能。
植物miRNA通過近似完美匹配其靶基因的方式,在轉(zhuǎn)錄后水平上切割或者在翻譯水平上抑制其靶基因的表達(dá),進(jìn)而對下游的代謝通路起到重要的調(diào)控作用[3-4]。本研究中miRNA的表達(dá)量與其靶基因表達(dá)量之間的關(guān)系有正相關(guān)、負(fù)相關(guān)、不相關(guān),說明miRNA與靶基因共同調(diào)控植物逆境脅迫的復(fù)雜性[31]。在miRNA與下游靶基因的對應(yīng)關(guān)系中,單一miRNA可能調(diào)控多個下游靶基因,這些靶基因可能含有相似的結(jié)構(gòu)域[32],也可能是隸屬不同家族的蛋白[33];同時(shí)一個靶基因也會受到不同miRNA的調(diào)控[34],以及miRNA與靶基因之間存在的反饋調(diào)節(jié)關(guān)系[35],增加了研究miRNA與靶基因共同調(diào)控植物逆境脅迫的難度。未來研究應(yīng)集中在深入地研究這些響應(yīng)植物逆境脅迫的miRNA如何發(fā)揮調(diào)控作用及其之間的相互關(guān)系和調(diào)控網(wǎng)絡(luò),以便更好地利用這些miRNA,通過相應(yīng)的生物技術(shù)手段應(yīng)用于作物育種和生產(chǎn)實(shí)踐。
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