MicorRNA调节胡杨抗逆性状的分子机制研究

论文摘要

MicroRNA(miRNA)是广泛存在于真核生物细胞中的小分子RNA调控因子,通常具有21个碱基左右的长度。在基因的转录后调节过程中,miRNA通过对其调控基因(靶基因)的信使RNA (mRNA)进行降解和翻译阻抑行使负调控调节作用。胡杨是生长在我国干旱沙漠地区典型的抗逆木本植物材料,胡杨在耐旱节水和耐盐胁迫方面具有优良的生理性状,是公认的木本植物抗逆分子生物学研究的模式植物。目前,miRNA被广泛报导参与了拟南芥等其它模式植物的抗逆调节过程,然而胡杨的miRNA研究在已知miRNA的数量方面和功能分析方面均滞后于其它模式植物。本研究为了发现胡杨与其它模式植物共有的miRNA以及胡杨特有的miRNA,从整个基因组范围内揭示]miRNA参与胡杨优良抗逆性状的分子调节机制,采用新一代高通量测序和生物信息学分析技术,针对抗旱节水和耐盐胁迫两个方面对胡杨进行了系统的IniRNA基因组学研究。在研究IniRNA调控胡杨耐旱节水性状的分子生物学机制方面,本研究通过使用高通量测序技术发现了197个在胡杨和毛果杨中保守的]miRNA;同时还发现了58个胡杨新的miRNA,它们属于38个基因家族。降解组测序分析发现了在胡杨和毛果杨中保守miRNA的26个靶基因和胡杨新miRNA的21个靶基因,功能注释表明这些靶基因参与了多种生物调节过程,包括具有基因转录调节和外界因子刺激响应等与胡杨耐旱节水性状相关的功能。进一步使用miRNA生物芯片进行表达分析,本研究发现了104个胡杨miRNA能够响应干旱胁迫环境因子的诱导进而表达量升高,而另外27个胡杨miRNA则呈现表达量降低的变化。在研究miRNA调节胡杨耐盐胁迫的分子调节机制方面。本研究利用高通量测序技术,对胡杨在盐胁迫下叶片的小RAN组,降解组和转录组进行了关联和系统地分析。研究结果发现了211种在毛果杨中保守的胡杨miRNA,以及属于93个基因家族的162个胡杨新miRNA。降解组测序分析进一步验证了属于51个胡杨miRNA的112个靶基因。在此基础之上,转录组测序分析发现了15对miRNA和靶基因在盐胁迫下表现出相反的表达变化趋势。在这15对miRNA和靶基因中,9个靶基因参与了生物发育抑制调节过程,并且其中3个靶基因是生长素信号转导途径重要的受体或调控因子。总之,本研究第一次在胡杨中验证了miRNA的存在,并发现了相当数量的保守miRNA口新miRNA。在全基因组范围内发现和筛选出了分别响应干旱胁迫和盐胁迫的miRNA,提供了充分的miRNA靶基因预测和验证数据,以及miRNA和靶基因的表达数据。我们的研究结果揭示了miRNA在胡杨的抗逆分子调节机制中发挥了一定的调控作用,这些研究结果初步构建了研究miRNA调节胡杨抗逆分子机制的理论框架和基因组数据框架。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1.引言
• 1.1.研究意义及材料介绍
• 1.2.MIRNA调控生物基因表达的研究现状
• 1.2.1.miRNA的产生和生理作用机理
• 1.2.2.miRNA在植物和动物中都具有广泛的生理功能
• 1.2.3.目前发现新的miRNA序列的方法
• 1.2.4.发现miRNA的新技术方法
• 1.2.5.预测miRNA靶基因的方法
• 1.3.研究内容、技术路线以及预期成果
• 1.3.1.研究内容
• 1.3.2.技术路线
• 1.3.3.预期成果
• 2.胡杨microRNA的首次发现及靶基因预测分析
• 2.1.材料与方法
• 2.1.1.植物材料及脱水处理
• 2.1.2.总RNA的提取
• 2.1.3.小RNA的分离
• 2.1.4.cDNA文库构建和测序
• 2.1.5.Real-timePCR分析和克隆测序
• 2.1.6.发现胡杨miRNA的生物信息分析流程
• 2.1.7.胡杨中miRNA靶基因的预测
• 2.1.8.植物中miRNA408家族的进化树分析
• 2.2.试验结果
• 2.2.1.胡杨miRNA的克隆
• 2.2.2.胡杨和毛果杨中保守的miRNA
• 2.2.3.胡杨miRNA在脱水胁迫下的基因表达
• 2.2.4.胡杨的miRNA靶基因预测
• 2.2.5.植物miR408家族的进化分析
• 2.3.讨论
• 2.3.1.胡杨的新miRNA与了非生物胁迫调节的关系
• 2.3.2.胡杨受脱水胁迫诱导表达的miRNA与其它生物和非生物胁迫响应过程的联系
• 2.3.3.与毛果杨相比胡杨中的miRNA能够调控更多的抗逆相关基因
• 3.全基因组范围内发现胡杨新MIRNA和干旱胁迫响应MIRNA
• 3.1.试验方法
• 3.1.1.材料处理
• 3.1.2.胡杨的小RNA和降解组高通量测序
• 3.1.3.小RNA测序数据分析
• 3.1.4.降解组测序数据分析
• 3.1.5.miRNA表达分析
• 3.1.6.miRNA的生物芯片表达谱分析
• 3.2.试验结果
• 3.2.1.干旱胁迫下胡杨的生理表现
• 3.2.2.胡杨的小RNA高通量测序
• 3.2.3.在胡杨与毛果杨保守的miRNA
• 3.2.4.胡杨中新的miRNA
• 3.2.5.降解组测序验证胡杨miRNA的靶基因
• 3.2.6.发现胡杨中的mirtron基因
• 3.2.7.干旱胁迫下miRNA以及miRNA家族的基因表达分析
• 3.3.讨论
• 3.3.1.胡杨已知保守miRNA和新miRNA可能具有不同的调节功能
• 3.3.2.胡杨的mirtron基因具有RNA蛋白结合序列
• 3.3.3.降解组测序对于胡杨miRNA靶基因的验证
• 4.响应盐胁迫的胡杨MIRNA和靶基因
• 4.1.试验方法
• 4.1.1.材料处理
• 4.1.2.胡杨的小RNA和降解组高通量测序
• 4.1.3.小RNA测序数据分析
• 4.1.4.降解组测序数据分析
• 4.1.5.miRNA表达分析
• 4.1.6.盐胁迫下胡杨的转录组分析
• 4.2.试验结果
• 4.2.1.盐胁迫下胡杨的小RNA高通量测序
• 4.2.2.在胡杨中与毛果杨同源的miRNA
• 4.2.3.胡杨中新的miRNA
• 4.2.4.胡杨miRNA在盐胁迫处理下的表达分析
• 4.2.5.降解组测序验证盐处理下胡杨的miRNA靶基因
• 4.2.6.盐胁迫下胡杨的转录组研究
• 4.3.讨论
• 4.3.1.盐胁迫下胡杨的miRNA形成机制的复杂性
• 4.3.2.降解组测序对已知miRNA靶基因的验证
• 4.3.3.盐胁迫下表达变化趋势相反的胡杨miRNA和靶基因组合
• 4.3.4.盐胁迫下胡杨miRNA参与生长素信转导、光响应和生物节律控制调节
• 4.3.5.转录组测序对已知盐胁迫响应基因的验证
• 5.结论与展望
• 5.1.结论
• 5.2.独创或新颖之处
• 5.3.展望
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 致谢