孔雷,朱向向,王屹瑋,謝小芳,江昌俊,李葉云
安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥,230036
MicroRNAs(miRNAs)是內(nèi)源性單鏈非編碼小 RNA,在動物和植物中主要是在促進(jìn)靶向 mRNA的剪切或翻譯抑制中起著重要的調(diào)節(jié)作用[1]。miR164家族是植物中廣泛存在的一類保守microRNA,近年來,關(guān)于miR164家族成員參與植物抗逆脅迫的報(bào)道越來越多[2]。miR164的表達(dá)具有組織及發(fā)育階段特異性,在植物細(xì)胞生長、組織發(fā)育、器官形成中起著重要的調(diào)控作用[3-4]。在擬南芥中,miR164在根部和花中的表達(dá)量比在葉片中的高[5]。在擬南芥和煙草花器官、分生組織以及原形成層中有miR164表達(dá),且表達(dá)量較高[6]。在逆境脅迫條件下,植物miR164響應(yīng)逆境脅迫,并且可能作為調(diào)控分子在防御系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[3]。在非生物脅迫條件下,機(jī)械損傷會抑制毛果楊miR164的表達(dá)[7],鹽脅迫和干旱脅迫處理會抑制甜楊幼苗 miR164的表達(dá)[8]。
植物 miR164調(diào)控的靶基因?qū)儆谥参颪AC(NAM,ATAF1/2 和 CUC2)轉(zhuǎn)錄因子[3]。NAC轉(zhuǎn)錄因子是一個植物特有的轉(zhuǎn)錄因子家族[9-10]??偟膩碚f,NAC蛋白的N端有由150個保守氨基酸組成的NAC結(jié)構(gòu)域,C端有一個多樣化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域[11]。近年來,NAC蛋白因其在植物生長發(fā)育和對環(huán)境適應(yīng)的過程中發(fā)揮著多重作用而被深入研究[12]。NAC轉(zhuǎn)錄因子可以由轉(zhuǎn)錄水平上的某些順式作用元件和反式作用因子、轉(zhuǎn)錄后水平的 miRNA以及包括磷酸化、蛋白降解和二聚化的翻譯后調(diào)節(jié)水平調(diào)控[13]。許多NAC蛋白在非生物脅迫反應(yīng)中發(fā)揮作用[14]。擬南芥ANAC019、055和072響應(yīng)干旱、鹽和ABA等非生物脅迫[15],擬南芥NAC轉(zhuǎn)錄因子LOV1響應(yīng)冷脅迫[16]。過表達(dá)水稻SNAC1顯著提高轉(zhuǎn)基因水稻的抗旱性[17]。
研究表明,擬南芥 miR164家族(ath-miR164a、b和c)調(diào)控 5個 NAC轉(zhuǎn)錄因子基因(CUC1,CUC2,NACl,at5g07680,和at5g61430)的mRNA的降解是植物器官邊界建成、側(cè)根的產(chǎn)生、營養(yǎng)和花器官的形成以及與年齡相關(guān)的細(xì)胞死亡所需的[5,18-19]。小麥miR164和其靶基因 NAC(miR164-NAC)對干旱脅迫的響應(yīng)呈負(fù)相關(guān)[20]。胡楊peu-miR164通過負(fù)調(diào)控PeNAC070來提高對干旱脅迫和鹽脅迫的耐受力[21]。
近年來,在茶樹抗逆分子機(jī)理研究中,茶樹中2個NAC轉(zhuǎn)錄因子獲得克隆,并響應(yīng)溫度脅迫[22],茶樹 miR164a也報(bào)道響應(yīng)低溫脅迫[23-24]。但是茶樹miR164a與NAC轉(zhuǎn)錄因子家族中哪一個成員(miR164-NAC)存在調(diào)控關(guān)系以及如何響應(yīng)逆境脅迫尚不清楚。本研究根據(jù)低溫脅迫下茶樹小RNA高通量測序結(jié)果獲得的茶樹miR164a,進(jìn)行前體序列的克隆與分析;通過茶樹降解組測序獲得 miR164a靶基因,利用 RLM-5′RACE加以驗(yàn)證,并對靶基因進(jìn)行克隆與序列分析。探討茶樹miR164a及其靶基因在茶樹不同葉位、高溫脅迫和低溫脅迫中的表達(dá)模式,為揭示茶樹miR164a-NAC在茶樹生長發(fā)育、抗逆性中的作用提供一定的理論依據(jù)。
以盆栽1年生無性系茶樹品種舒茶早(C.sinensiscv.Shuchazao)為試驗(yàn)材料,溫度脅迫試驗(yàn)在人工氣候室中進(jìn)行[25]。選取芽、第1葉、第3葉、第5葉、第7葉,高溫脅迫處理溫度為白天38℃,晚上28℃,處理0、1、2、3、4 d(以處理0 d為對照);低溫脅迫處理溫度為 4℃,處理 0、3、6、12、24 h(以處理0 h為對照),在各個時間點(diǎn)采集相同位置的葉片混樣,并迅速放入液氮中,儲存在-80℃冰箱備用[25]。
試驗(yàn)材料經(jīng)液氮研磨后,使用 miRcute miRNA提取分離試劑盒(TIANGEN,北京)提取茶樹總RNA。用核酸定量儀測定總RNA樣品的濃度、純度,用 1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測提取的總RNA樣品完整性,儲存在-80℃冰箱備用[25]。總 RNA反轉(zhuǎn)錄為 cDNA利用PrimeScriptTM 1st Strand cDNA Synthesis Kit(TaKaRa,大連)試劑盒。
使用植物MiniBEST Plant Genomic DNA Extraction Kit提取分離試劑盒(TaKaRa,大連)提取茶樹基因組 DNA,根據(jù)從本實(shí)驗(yàn)室茶樹低溫miRNA高通量測序數(shù)據(jù)中得到的茶樹miR164a的前體基因序列:TCTAGATTCGT CGAACAGTAGGTGGGCAGCTCCTTGTTGG AGAAGCAGGGCACGTGCAAAAAGCTAAT GCTAGTAAGTTTTGTGTACGTGCTCCCCT TCTCCAACACGGGTTCCCTCACTCCCTCG ATTGCGAGCTC,用Primer 5軟件設(shè)計(jì)其特異性引物(表1)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。利用RNAfold web server在線軟件(http://rna. tbi. univie.ac.at/cgi-bin/RNAWeb Suite/RNAfold.cgi)對 miR164a的前體序列進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測[26]。
降解組測序和預(yù)測工作由聯(lián)川生物公司(LC Bio Tech,杭州)完成,步驟如下:首先將測序獲得的原始數(shù)據(jù)通過一系列數(shù)據(jù)處理得到可用于后續(xù)分析的可比對測序序列,然后將可比對序列與測序物種茶樹的 cDNA數(shù)據(jù)庫序列比對生成降解組密度文件(Degradome density file),通過Targetfinder靶基因預(yù)測軟件預(yù)測出與測序物種茶樹小RNA序列配對的靶基因mRNA序列,最后將預(yù)測的miRNA對應(yīng)的靶基因和生成降解組密度文件中的 mRNA進(jìn)行結(jié)合運(yùn)算,找出共同具有的mRNA,該mRNA即為miRNA的靶基因,并給出降解組的峰值分類和分值,并對產(chǎn)生的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行作圖(t-plots)[2]。
從降解組測序數(shù)據(jù)中獲知 gi319875685(NAC21/22)為miR164a的靶基因,根據(jù)從茶樹轉(zhuǎn)錄組中獲得的 gi319875685(NAC21/22)的基因序列片段,用 EditSeq和 MegAlign軟件查詢 ORF框,根據(jù)其 ORF兩端的序列設(shè)計(jì)RT-PCR引物(表1),測序驗(yàn)證該序列的準(zhǔn)確性。將獲得的cDNA序列在NCBI中進(jìn)行BLASTn比對分析,結(jié)果顯示與公開的茶樹CsNAC1基因序列(GenBank:JN857066.1)相一致。
依據(jù)CsNAC1的 cDNA序列用 Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)用于RLM-5′RACE的引物(表1),RLM-5′RACE 試驗(yàn)參照 5′-Full RACE試劑盒(TaKaRa,大連)說明書進(jìn)行,將擴(kuò)增出的特異產(chǎn)物進(jìn)行克隆測序[2]。
用 EditSeq分析氨基酸序列。從 NCBI(https://blast.ncbi.nlm. nih.gov/Blast.cgi)得到保守結(jié)構(gòu)域,在 NCBI數(shù)據(jù)庫中分別用BLASTn和 BLASTx進(jìn)行核酸序列及氨基酸序列比對分析,用 MAFFT version 7( https://mafft.cbrc.jp/alignment/server/index.html)比對蛋白質(zhì)的同源性序列,擬南芥、水稻 NAC家族轉(zhuǎn)錄因子基因序列的獲得以及NAC結(jié)構(gòu)域和 miR164結(jié)合區(qū)域的確認(rèn)參照文獻(xiàn)[21,27],將序列用ClustalX比對后,利用MEGA 6.06軟件并通過鄰接(Neighborjoining)算法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹[25]。
根據(jù)從本實(shí)驗(yàn)室茶樹低溫miRNA高通量測序數(shù)據(jù)中獲得的茶樹 miR164a成熟序列設(shè)計(jì)具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)錄引物,應(yīng)用PrimerSelect軟件設(shè)計(jì) miRNA上游引物[28]。利用 PrimeScriptTMRT reagent kit(TaKaRa,大連)進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄反應(yīng)。熒光定量實(shí)驗(yàn)參照SYBR Premix Ex TaqTMII試劑盒(TaKaRa,大連)說明書進(jìn)行。pc-3p-222和CsEF-1α分別作為茶樹 miR164a qRT-PCR和靶基因CsNAC1qRT-PCR的內(nèi)參基因[29-30]。采用CFX96TMReal-Time PCR Detection System擴(kuò)增儀檢測,每個樣品3次生物學(xué)重復(fù)。驗(yàn)證目標(biāo)基因和內(nèi)參基因的擴(kuò)增效率和擴(kuò)增范圍,采用法進(jìn)行相對表達(dá)量的計(jì)算[25]。
表1 引物序列Table 1 Primer sequences
從本實(shí)驗(yàn)室茶樹低溫 miRNA高通量測序數(shù)據(jù)中得到茶樹miR164a的前體序列,以茶樹總DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增驗(yàn)證,結(jié)果表明兩者序列完全一致,其長度為 126 bp(圖1)。Csn-miR164a前體序列的GC含量是53.97%,最小折疊自由能(Minimal folding free energies,MFE)為-65.60 kcal·mol-1,最小折疊自由能指數(shù)(Minimal folding free energies index,MEFi)為 0.96,MEFi大于 0.85,符合miRNA前體的特點(diǎn)[31]。RNAfold分析結(jié)果顯示,Csn-miR164a前體序列可折疊成較為典型的二級結(jié)構(gòu),其成熟片段位于前體結(jié)構(gòu)的5′端莖結(jié)構(gòu)上(圖2),其成熟序列為:5′-UGGAGAAGCAGGGCACGUGCA-3′,21 bp,與miRbase 21數(shù)據(jù)庫中擬南芥、水稻和煙草等22個物種的miR164a成熟序列相一致。
將預(yù)測的Csn-miRNA164a對應(yīng)的靶基因和生成降解組密度文件中的 mRNA進(jìn)行結(jié)合運(yùn)算,找出共同具有的mRNA(Gi319875685)。對產(chǎn)生的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行作圖(Target plot,t-plot),Alignment Score(Target finder的打分)為2、Alignment Range(配對作用位點(diǎn))為631~651、Cleaveage Site(剪切位點(diǎn))為 642、Category(分型)為 0、P-value(P值)為0.003 95、Rep_Norm_reads(匹配多位點(diǎn)迚行位點(diǎn)歸一化后的reads)為18.667。
在t-plot圖中,miRNA剪切靶基因mRNA的位點(diǎn)用箭頭標(biāo)出,降解組測序預(yù)測的miR164a剪切位點(diǎn)位于靶基因mRNA的第642位核苷酸上(圖3)。
利用RLM-5′RACE對降解組測序預(yù)測的茶樹 miR164a靶基因進(jìn)行驗(yàn)證,擴(kuò)增出單一目的條帶(圖4),大小約為 231 bp,與預(yù)期的一致。為了準(zhǔn)確驗(yàn)證靶基因的裂解位點(diǎn),挑取10個陽性克隆單菌落測序,測序結(jié)果全部顯示茶樹miR164a對靶基因的mRNA進(jìn)行單一剪切,與 miR164a結(jié)合的區(qū)域?yàn)?′-AGCAAGUGCCCUGCUUCUCCA-3′ , 剪切位點(diǎn)位于miRNA/target mRNA結(jié)合區(qū)域的第10位核苷酸上,第10位和第11位堿基之間,與降解組測序結(jié)果一致(圖5)。
圖1 Csn-miR164a前體序列的克隆電泳圖Fig. 1 Electrophoresis results of Csn-MIR164a cloning
圖2 Csn-miR164a前體二級結(jié)構(gòu)預(yù)測Fig. 2 Predicted secondary stem-loop structure of Csn-MIR164a
圖3 利用降解組測序技術(shù)獲得茶樹miR164a靶基因的t-plot圖Fig. 3 Target plots (t-plots) of miR164a target confirmed by degradome sequencing in Camellia sinensis
從茶樹轉(zhuǎn)錄組中獲取個i319875685 mRNA序列,NCBI BLASTx比對顯示它具有完整的開放閱讀框(ORF)。設(shè)計(jì)引物擴(kuò)增驗(yàn)證其全長 ORF,PCR結(jié)果顯示擴(kuò)增出的條帶大小與預(yù)期目的片段大小基本一致,約1 000 bp(圖6)。測序后,BLASTn分析表明,該序列與NCBI登錄的一個茶樹NAC1基因(登錄號:JN857066.1)的同源性達(dá)到99%。而與文獻(xiàn)報(bào)道的兩個茶樹NAC蛋白的同源性性分別只有30.26%和29.23%。該序列ORF長度為912 bp,編碼 303個氨基酸。保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測如圖7所示,CsNAC1中的第 33位至第 109位氨基酸序列為 NAM 超家族的保守結(jié)構(gòu)域,這是NAC主要的特征功能域。
在NCBI數(shù)據(jù)庫中對CsNAC1氨基酸序列進(jìn)行 BLASTx比對,結(jié)果顯示它與木豆(XP_020223961.1)的NAC21/22氨基酸序列相似性最高,為 73%,與毛果楊(XP_002310688.1)、野生大豆(KHN26800.1)的NAC相似性分別為72%、71%。
用MAFFT version 7對擬南芥、水稻和茶樹3種植物的14條NAC家族轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行蛋白質(zhì)序列分析,如圖8所示,這14條NAC家族轉(zhuǎn)錄因子的N端均有NAC結(jié)構(gòu)域的5個亞結(jié)構(gòu)域A—E,C端含有miR164的結(jié)合區(qū)域[21,27]。
選取20種不同植物中的NAC21/22構(gòu)建進(jìn)化樹分析,結(jié)果顯示,茶樹CsNAC1與藜麥(Chenopodium quinoa)NAC21/22的親緣關(guān)系最近(圖9)。
圖4 RLM-5′RACE擴(kuò)增產(chǎn)物Fig. 4 PCR Production of RLM-5′RACE
圖5 miR164a靶基因裂解位點(diǎn)的驗(yàn)證Fig. 5 Identification of cleavage sites of miR164a target
圖6 茶樹CsNAC1 ORF擴(kuò)增產(chǎn)物電泳圖Fig. 6 The PCR product of CsNAC1 ORF in tea plant
圖7 CsNAC1的保守結(jié)構(gòu)域Fig. 7 Conserved domain of CsNAC1 protein
圖8 茶樹、擬南芥和水稻miR164靶基因NAC的多序列比對Fig. 8 Multi-sequence alignments of the miR164 NAC target genes in tea plant, rice and Arabidopsis thaliana
圖9 茶樹CsNAC1的進(jìn)化樹分析Fig. 9 Phylogenetic tree analysis of CsNAC1
2.4.1 茶樹Csn-miR164a和CsNAC1在不同葉位中的表達(dá)分析
通過熒光定量PCR,檢測了Csn-miR164a及其靶基因CsNAC1在茶樹不同葉位的表達(dá)情況(圖10)。結(jié)果顯示,Csn-miR164a和CsNAC1在茶樹不同葉位的表達(dá)存在差異,Csn-miR164a在芽中的表達(dá)量最高,而靶基因CsNAC1在芽中的表達(dá)量最低。隨著葉片的發(fā)育,Csn-miR164a隨著葉位的降低表達(dá)量依次降低,在第7葉位(老葉)的表達(dá)量最低,僅為芽的47%。CsNAC1的表達(dá)量隨葉位的降低表達(dá)量逐漸增高,在第7葉位表達(dá)量最高,是芽的8倍??梢?,Csn-miR164a隨著葉片的衰老表達(dá)量下降,而CsNAC1與Csn-miR164a呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),隨著葉片的衰老表達(dá)量增加。
2.4.2Csn-miR164a和CsNAC1對高溫脅迫的響應(yīng)
從圖11可以看出,高溫誘導(dǎo)茶樹miR164a及其靶基因CsNAC1的表達(dá)。在脅迫處理的第1天高溫誘導(dǎo)miR164a的表達(dá)顯著下調(diào),表達(dá)量為對照(0 d)的 58%,靶基因CsNAC1的表達(dá)量顯著上調(diào),相對表達(dá)量是對照的3.5倍。miR164a表達(dá)量都在高溫脅迫處理的第4天達(dá)到最低,僅為對照的 46%,靶基因CsNAC1在第4天的表達(dá)量最高,是對照的6.6倍。在高溫脅迫處理下茶樹 miR164a的表達(dá)量隨脅迫處理時間的增加呈下調(diào)趨勢,而靶基因CsNAC1的表達(dá)量呈上調(diào)趨勢。茶樹在高溫脅迫處理下,靶基因CsNAC1的表達(dá)量與Csn-miR164a的表達(dá)量呈負(fù)相關(guān)。
2.4.3Csn-miR64a和CsNAC1對低溫脅迫的響應(yīng)
如圖12所示,低溫誘導(dǎo)茶樹miR164a及其靶基因CsNAC1的表達(dá),在低溫處理3 h后,Csn-miR164a的表達(dá)量顯著下調(diào),僅為對照(0 h)的42%,CsNAC1上調(diào)表達(dá),相對表達(dá)量是對照的5.7倍。在低溫處理24 h后,miR164a的表達(dá)量達(dá)到最低,相對表達(dá)量為對照的41%,而CsNAC1的表達(dá)量達(dá)到最高,相對表達(dá)量是對照的 20.3倍。在低溫脅迫處理下,靶基因CsNAC1的表達(dá)量與Csn-miR164a的表達(dá)量呈負(fù)相關(guān)。
研究表明許多高度保守的miRNA響應(yīng)逆境脅迫并有助于植物適應(yīng)環(huán)境,miRNA靶基因大部分是轉(zhuǎn)錄因子,如AP2、NF-Y、MYB和NAC。植物miR164及其靶基因NAC基因在植物中是保守的,NAC蛋白代表一個植物特有的廣泛存在的轉(zhuǎn)錄因子家族,其調(diào)控植物的發(fā)育和應(yīng)激反應(yīng)[21]。在擬南芥中,miR164家族靶向7個NAC基因的轉(zhuǎn)錄物;在水稻中,miR164家族與6個NAC基因互補(bǔ);在玉米中,發(fā)現(xiàn)7個NAC基因是預(yù)測的miR164的靶基因[21]。在茶樹中,初步發(fā)現(xiàn)NAC轉(zhuǎn)錄因子家族有45個成員[32],然而本試驗(yàn)僅發(fā)現(xiàn)與驗(yàn)證一個 NAC轉(zhuǎn)錄因子為茶樹 miR164a的靶基因,是否還存在其它家族成員是 miR164a的靶基因,需要進(jìn)一步研究。
圖10 Csn-miR164a和其靶基因CsNAC1在茶樹不同葉位中的表達(dá)分析Fig. 10 Expression analysis of Csn-miR164a and target gene CsNAC1 in different leaf position of tea plant
圖11 茶樹Csn-miR164a及其靶基因CsNAC1在高溫脅迫下的表達(dá)分析Fig. 11 Expression analysis of Csn-miR164a and target gene CsNAC1 in tea plant under heat stress
圖12 茶樹Csn-miR164a及其靶基因CsNAC1在低溫脅迫下的表達(dá)分析Fig. 12 Expression analysis of Csn-miR164a and target gene CsNAC1 in tea plant under cold stress
在水稻中,RLM-RACE分析顯示miR164定向剪切NAC轉(zhuǎn)錄因子家族成員OMTN1和OMTN2的剪切位點(diǎn)在第 10和 11位堿基之間[27]。在胡楊中,5′-RACE分析顯示miR164定向剪切PeNAC070、PeNAC012和PeNAC028mRNA,剪切位點(diǎn)在miR164第10和11位堿基之間[21]。在光皮樺中,運(yùn)用5′-RACE驗(yàn)證了NAC1為miR164靶基因,剪切位點(diǎn)也在第10和11位堿基之間[33]。在本研究中,我們通過降解組測序數(shù)據(jù)和RLM-5′-RACE驗(yàn)證,獲知茶樹miR164a定向剪切CsNAC1,剪切位點(diǎn)同樣也在 miR164a第 10和 11位堿基之間。這表明miR164剪切位點(diǎn)可能是非常保守,沒有物種差異。
miR164表達(dá)的時序性和組織特異性可能決定了植物組織和細(xì)胞的功能特異性,對細(xì)胞生長和組織發(fā)育的調(diào)節(jié)起重要作用[3]。在擬南芥中,miR164隨著擬南芥葉片的衰老表達(dá)量下降[19],甜菊新葉中miR164的表達(dá)量高于老葉[34]。在本研究中,隨著茶樹葉片的衰老,miR164表達(dá)量也呈下降趨勢,與其他植物一致,且Csn-miR164a與CsNAC1呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,推測Csn-miR164a參與茶樹葉片生長發(fā)育過程,但是起何種作用尚不清楚。
植物miR164通過調(diào)控靶基因NAC轉(zhuǎn)錄因子參與植物抗逆脅迫[2]。對毛竹進(jìn)行高溫(42℃)和低溫(4℃)處理,發(fā)現(xiàn) miR164b的表達(dá)均呈現(xiàn)不同程度的下調(diào),其靶基因PeNAC1上調(diào)表達(dá)[35]。對大豆進(jìn)行低溫(4℃)處理,miR164也是下調(diào)表達(dá)[36]。與毛竹、大豆一致,茶樹Csn-miR164a低溫溫度下調(diào)表達(dá),靶基因CsNAC1上調(diào)表達(dá),呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。但是 0℃低溫處理下甜楊幼苗、4℃低溫處理下小麥中 miR164a的表達(dá)均上調(diào)[37-38],這表明不同物種miR164對低溫脅迫響應(yīng)模式存在差異。
本研究初步揭示了Csn-miR164a-CsNAC1參與茶樹葉片的生長發(fā)育過程和響應(yīng)溫度脅迫。但是,茶樹miR164a功能與作用仍需通過過表達(dá)轉(zhuǎn)基因等手段進(jìn)一步的研究,miR164a-NAC1通過何種調(diào)控途徑來響應(yīng)溫度脅迫,提高茶樹抗逆性的分子機(jī)制也有待深入研究。