郭 強(qiáng),王英哲,陳晶晶,周 仂,徐 博*
(1. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118; 2. 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130033)
紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是一種多年生豆科苜蓿屬植物。1958年,加拿大學(xué)者發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿的雄性不育現(xiàn)象,細(xì)胞質(zhì)雄性不育(Cytoplasmic male sterility,CMS)指開花植物不能產(chǎn)生功能性花藥、花粉或雄配子的一種遺傳學(xué)現(xiàn)象[1],這種現(xiàn)象主要由細(xì)胞質(zhì)因子和細(xì)胞器基因控制[2],其不育特性表現(xiàn)為雄器官的退化、畸形或功能缺失,導(dǎo)致花藥、花粉母細(xì)胞和雄配子的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生異常[3-4]。常用于作物的雜交育種。
隨著雄性不育系的發(fā)現(xiàn),國(guó)外的眾多學(xué)者開始采用分子技術(shù)、組織培養(yǎng)法研究遺傳機(jī)理,并利用不育系培育雜交組合和轉(zhuǎn)基因材料[5-7];1978年,吳永敷等[8]在我國(guó)內(nèi)蒙地區(qū)從‘草原1號(hào)’中發(fā)現(xiàn)了6株紫花苜蓿雄性不育系;2008年,于洪柱等[9]發(fā)現(xiàn)了紫花苜蓿細(xì)胞質(zhì)雄性不育材料—MS-GN。隨著紫花苜蓿細(xì)胞質(zhì)雄性不育系及保持系的發(fā)現(xiàn),對(duì)其機(jī)理的探索也在不斷深入。同時(shí),國(guó)內(nèi)學(xué)者[10-14]對(duì)不育系展開了同工酶分析、細(xì)胞學(xué)觀察、生殖生物學(xué)、生理生化機(jī)制等內(nèi)容的研究;利用紫花苜蓿細(xì)胞質(zhì)雄性不育系選育雜交組合并對(duì)其F1代進(jìn)行生物學(xué)性狀及抗逆性研究[15-18];有學(xué)者[19-21]利用SSR標(biāo)記以及BSR技術(shù)對(duì)紫花苜蓿細(xì)胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)基因進(jìn)行了定位分析,并且對(duì)紫花苜蓿細(xì)胞質(zhì)雄性不育系及其保持系的花藥發(fā)育過(guò)程進(jìn)行切片觀察,測(cè)定其在不同發(fā)育階段生理生化指標(biāo)的變化。
植物microRNA是一類長(zhǎng)度為20~26 nt的內(nèi)源性非編碼小RNA[22]。成熟的microRNA長(zhǎng)度為20~24 nt,多為21 nt[23],其中長(zhǎng)度為21~24 nt的microRNA占主體地位。植物microRNA參與植物體內(nèi)許多重要的生命過(guò)程,擬南芥(ArabidopsisthalianaL.)體內(nèi)的miR160可通過(guò)負(fù)調(diào)控生長(zhǎng)素響應(yīng)因子進(jìn)一步調(diào)控根冠細(xì)胞的發(fā)育[24];Zea-miR390則可以調(diào)控玉米(ZeamayL.)莖尖細(xì)胞的發(fā)育及葉片的形態(tài)建成[25];miR172,miR159,miR156/157則可以調(diào)控開花時(shí)期[26-27]。microRNA也參與調(diào)控植物的環(huán)境適應(yīng)性,如miR398與植物的耐逆性密切相關(guān)[28]。另外,microRNA參與植物激素合成代謝與信號(hào)傳導(dǎo),如miR160,miR164,miR167,miR528等microRNA均與生長(zhǎng)素的信號(hào)傳遞有關(guān),其中miR167還可以參與脫落酸等其他的信號(hào)通路的傳導(dǎo)[29-30]。
基于全基因組信息可知,在許多雄性不育植物的花粉發(fā)育過(guò)程中均有大量的microRNA參與[31-33]。在擬南芥中,miR165/166參與小孢子的發(fā)育,miR156和miR159負(fù)責(zé)調(diào)控植物絨氈層細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程,miR159的靶基因?qū)儆贕AMYB(Gibberellins acid v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog)家族,主要調(diào)控植物花藥細(xì)胞程序性死亡(Programmed Cell Death,PCD)過(guò)程中的赤霉素的傳導(dǎo),miR159的異常表達(dá)會(huì)使絨氈層無(wú)法降解,最終使小孢子不能正常發(fā)育而喪失育性[34-36]。擬南芥中若缺乏miR165/166會(huì)使花藥只產(chǎn)生兩個(gè)花粉囊,最終會(huì)導(dǎo)致擬南芥的育性降低[37];水稻(OryzasativaL.)中的OsmiR528,OsmiR159,OsmiR172d;玉米中Zea-miR397;油菜(BrassicanapusL.)中的bra-miR167,bra-miR172等miRNA都可能與植物的小孢子發(fā)育有關(guān)[31,38]。另外,有研究發(fā)現(xiàn),某些miRNA可通過(guò)參與植物激素合成和應(yīng)答過(guò)程來(lái)調(diào)控花粉的發(fā)育,例如miR167缺失會(huì)引起茉莉酸的合成異常,從而導(dǎo)致花藥不開裂以及散粉受阻;miR167的過(guò)表達(dá)同樣會(huì)引起植物不育現(xiàn)象的產(chǎn)生[30,39-41]。
植物microRNA是揭示植物雄性不育機(jī)制的有效方式之一,基于之前的研究發(fā)現(xiàn):紫花苜蓿細(xì)胞質(zhì)雄性不育的敗育可能與線粒體基因表達(dá)異常、淀粉蔗糖含量虧缺、絨氈層發(fā)育異常等現(xiàn)象有關(guān)[17,42],因此,為深入探索不育機(jī)制,本試驗(yàn)利用small RNA-seq技術(shù),找到雄性不育相關(guān)的miRNA,為更好地利用紫花苜蓿不育系進(jìn)行雜交育種工作提供理論基礎(chǔ),以期選育出更具優(yōu)良性狀的種質(zhì)資源。
本試驗(yàn)所選用的材料為紫花苜蓿細(xì)胞質(zhì)雄性不育系MSGN1A及其對(duì)應(yīng)的同型保持系MSGN1B,MSGN1A和MSGN1B是以具有雄性不育性的‘公農(nóng)3號(hào)’為供體母本株系,通過(guò)保持系篩選,回交4代后選育出來(lái)的。所有植物材料均由吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。MSGN1A和MSGN1B的個(gè)體植株于2016年4月在吉林省長(zhǎng)春市吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)試驗(yàn)田種植。選取現(xiàn)蕾期24 h的花藥部分,用于提取總RNA,備用。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。
1.2.1總RNA的提取及質(zhì)量控制 參照Garg等[43]的方法提取MSGN1A和MSGN1B花藥總RNA,用紫外分光光度計(jì)分別在230,260和280 nm處測(cè)定吸光值(OD230,OD260和OD280),OD260/OD280和OD260/OD230均須≥1.8。采用Agilent 2100生物分析儀檢測(cè)總RNA的完整性,總RNA完整性值在8.0~10.0的樣品可用于后續(xù)試驗(yàn)。
1.2.2small RNA文庫(kù)構(gòu)建 將提取到的總RNA送北京百邁克生物技術(shù)公司,完成small RNA文庫(kù)的構(gòu)建及測(cè)序工作。提取兩個(gè)樣品總RNA,使用聚丙烯酰胺凝膠電泳法根據(jù)片段的長(zhǎng)度分離RNA并回收長(zhǎng)度在18~30 nt之間的條帶,構(gòu)建2個(gè)small RNA文庫(kù)。
1.2.3miRNA的鑒定與分析 對(duì)已知miRNA的鑒定,采用miRBase(v21)軟件將比對(duì)上參考基因組的reads序列與known miRNA數(shù)據(jù)庫(kù)中的成熟miRNA序列進(jìn)行序列比對(duì)。若序列與known miRNA完全一致,則這個(gè)reads將被認(rèn)為是鑒定到的known miRNA。
考慮到miRNA的生物學(xué)特征,對(duì)于沒(méi)有被鑒定到known miRNA的序列,使用miRDeep 2軟件對(duì)novel miRNA做預(yù)測(cè)。利用miRDeep 2軟件包,將reads比對(duì)到基因組上的位置信息,得到可能的前體序列,根據(jù)reads在前體序列上的分布信息及前體結(jié)構(gòu)能量信息,使用貝葉斯模型經(jīng)打分最終實(shí)現(xiàn)novel miRNA的預(yù)測(cè)。
1.2.4差異表達(dá)miRNA篩選及其靶基因功能注釋 以|log2(FC)|≥1;FDR≤0.01作為標(biāo)準(zhǔn)篩選差異表達(dá)的microRNA。差異倍數(shù)(Fold Change,F(xiàn)C)表示兩樣品間表達(dá)量的比值。
依據(jù)known miRNA和novel miRNA與對(duì)應(yīng)物種的基因序列信息,使用Target Finder軟件[40]對(duì)miRNA靶基因進(jìn)行預(yù)測(cè)。
基因功能注釋由北京百邁客生物技術(shù)公司進(jìn)行,差異表達(dá)miRNA靶基因的功能注釋所使用的數(shù)據(jù)庫(kù)為GO (Gene Ontology,http://www.geneontology.org/)和KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,http://www.genome.jp/kegg/)。
對(duì)測(cè)序得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制,每個(gè)樣品的Clean Data均大于14.91 M。細(xì)胞質(zhì)雄性不育系MSGN1A及其同型保持系MSGN1B的Raw reads分別為27.83 M和28.28 M,Clean reads分別為20.24 M和14.91 M,Q30(質(zhì)量值大于30)分別為98.87%和99.03%。
表1 測(cè)序數(shù)據(jù)產(chǎn)出統(tǒng)計(jì)表
為了進(jìn)一步鑒定已知的miRNA,將比對(duì)上參考基因組的reads序列與已知miRNA數(shù)據(jù)庫(kù)miRBase(v21)中的成熟miRNA序列進(jìn)行比對(duì)。序列與已知miRNA完全相同的reads被認(rèn)為是鑒定到的已知miRNA。針對(duì)miRNA的生物特征,對(duì)于未鑒定到known miRNA的序列,利用miRDeep 2軟件進(jìn)行novel miRNA的預(yù)測(cè)。通過(guò)鑒定,本試驗(yàn)共檢測(cè)到1 478個(gè)miRNA,其中已知miRNA 1 351個(gè),novel miRNA 127個(gè)(表2)。
表2 miRNA統(tǒng)計(jì)結(jié)果
試驗(yàn)檢測(cè)到1 351個(gè)known miRNA,分屬于136個(gè)miRNA家族,部分結(jié)果如圖1所示。每個(gè)家族中所含miRNA的數(shù)量和表達(dá)水平不盡相同,其中包括屬于miR166家族的247個(gè)miRNA,miR167家族的159個(gè)miRNA,miR160的家族124個(gè)的miRNA,miR172家族的105個(gè)miRNA,mi156家族的98個(gè)miRNA,miR319家族的88個(gè)miRNA等。成熟miRNA長(zhǎng)度主要集中在20 nt到24 nt的范圍內(nèi),其中植物的miRNA以21 nt或24 nt為主,試驗(yàn)鑒定出的novel miRNA的長(zhǎng)度主要為21 nt,其次是24 nt和22 nt。
圖1 部分已知miRNA在miRNA家族中所含數(shù)量
在差異表達(dá)miRNA檢測(cè)過(guò)程中,使用|log2(FC)|≥1;FDR≤0.01作為篩選標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)共計(jì)篩選出差異表達(dá)miRNA 130個(gè),包括90個(gè)上調(diào)表達(dá)的miRNA和40個(gè)下調(diào)表達(dá)的miRNA。試驗(yàn)共鑒定到40個(gè)差異表達(dá)的已知miRNA,分屬于15個(gè)miRNA家族,與保持系MSGN1B相比,紫花苜蓿細(xì)胞質(zhì)雄性不育系MSGN1A中有24個(gè)上調(diào)表達(dá)miRNA,有16個(gè)下調(diào)表達(dá)的差異miRNA。
表3 差異表達(dá)的已知miRNA
根據(jù)known miRNA和novel miRNA與其對(duì)應(yīng)物種的基因序列信息,使用Target Finder軟件進(jìn)行靶基因的預(yù)測(cè),1 351個(gè)known miRNA中,有1 347個(gè)miRNA預(yù)測(cè)到靶基因,靶基因數(shù)目為9 848個(gè);127個(gè)novel miRNA中,有126個(gè)miRNA預(yù)測(cè)到8 252個(gè)靶基因。注釋到的靶基因數(shù)目為16 458個(gè)。
表4 miRNA靶基因數(shù)目預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)
試驗(yàn)共得到16 458個(gè)靶基因,其中10 637個(gè)靶基因獲得功能注釋信息,紫花苜蓿細(xì)胞質(zhì)雄性不育系MSGN1A與其同型保持系MSGN1B間注釋的差異表達(dá)miRNA靶基因在各注釋庫(kù)中的數(shù)目統(tǒng)計(jì)見,表5,共有10 637個(gè)miRNA靶基因被各個(gè)注釋庫(kù)注釋到,其中COG注釋庫(kù)中有3 104個(gè)miRNA靶基因被注釋到,包括815個(gè)差異表達(dá)miRNA靶基因;GO注釋庫(kù)中有5 147個(gè)miRNA靶基因被注釋到,包括1 264個(gè)差異表達(dá)miRNA靶基因;KEGG注釋庫(kù)中有3 479個(gè)miRNA靶基因被注釋到,包括861個(gè)差異表達(dá)miRNA靶基因;KOG注釋庫(kù)中有5 620個(gè)miRNA靶基因被注釋到,包括1 286個(gè)差異表達(dá)miRNA靶基因;Pfam注釋庫(kù)中有8 309個(gè)miRNA靶基因被注釋到,包括1 871個(gè)差異表達(dá)miRNA靶基因;Swissprot注釋庫(kù)中有6 535個(gè)miRNA靶基因被注釋到,包括1 662個(gè)差異表達(dá)miRNA靶基因;eggNOG注釋庫(kù)中有9 133個(gè)miRNA靶基因被注釋到,包括2 261個(gè)差異表達(dá)miRNA靶基因;Nr注釋庫(kù)中有6 535個(gè)miRNA靶基因被注釋到,包括2 612個(gè)差異表達(dá)miRNA靶基因。
表5 miRNA靶基因注釋統(tǒng)計(jì)表
2.5.1GO注釋分類 對(duì)差異表達(dá)miRNA靶基因進(jìn)行GO分類,共計(jì)1 264個(gè)miRNA靶基因得到注釋。按照GO的三個(gè)大類進(jìn)行下一次級(jí)分類,共分成41個(gè)功能群,其中包括18個(gè)生物學(xué)過(guò)程,12個(gè)細(xì)胞成分,11個(gè)分子功能(圖2)。
圖2 差異表達(dá)miRNA靶基因GO注釋分類
在生物學(xué)過(guò)程中,“代謝過(guò)程”所占比例最大,其次是“細(xì)胞過(guò)程”、“信號(hào)生物過(guò)程”、“生物調(diào)控”、“刺激應(yīng)答”、“定位”、“細(xì)胞成分組織或生物合成”等生物學(xué)過(guò)程,它們的占比均大于10%;“發(fā)育過(guò)程”、“多細(xì)胞生物過(guò)程”、“繁殖過(guò)程”、“信號(hào)”、“多生物過(guò)程”、“生長(zhǎng)”、“繁殖”、“免疫系統(tǒng)過(guò)程”等生物學(xué)過(guò)程的占比均在1%~10%之間;“生物附著”、“生物相”、“節(jié)律過(guò)程”的占比在0.1%~1.0%之間。
在細(xì)胞組分類別中,“細(xì)胞部分”和“細(xì)胞”占比最大,緊接著是“細(xì)胞器”、“膜”、“細(xì)胞器部分”、“高分子配合物”,其占比均大于10%;“胞外區(qū)”和“細(xì)胞連接”的占比在1%~10%之間;“膜封閉腔”、“病毒”以及“病毒部分”的占比在0.1%~1.0%之間。
在分子功能類別中,“合成”和“催化活性”是最大的功能類別;其次是“轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性”、“核酸合成轉(zhuǎn)錄因子活性”、“電子傳遞體活性”、“結(jié)構(gòu)分子活性”、“酶調(diào)節(jié)活性”以及“分子傳感器活性”,占比均在占比在1%~10%之間;最后是“抗氧化劑活性”、“受體活性”、“蛋白合成轉(zhuǎn)錄因子活性”和“鳥苷酸交換因子活性”,占比均不到1%。
圖3 差異表達(dá)miRNA靶基因KEGG通路注釋
2.5.2KEGG通路分析 對(duì)差異表達(dá)miRNA靶基因進(jìn)行KEGG通路分析,差異表達(dá)miRNA靶基因所涉及的通路的類別主要包括:“細(xì)胞進(jìn)程”、“環(huán)境信息過(guò)程”、“基因信息過(guò)程”、“代謝”、“生物系統(tǒng)”等五個(gè)大類,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分為82個(gè)類別,其中有24個(gè)靶基因注釋到“代謝”中的“氨基酸生物合成”通路中,占比為5.61%;18個(gè)靶基因注釋為“內(nèi)吞作用”通路中,占比4.21%;16個(gè)靶基因注釋到“核糖體”通路中,占比為3.74%;“RNA轉(zhuǎn)運(yùn)”和“碳代謝”通路中分別有15個(gè)靶基因被注釋到,占比均為3.50%;“內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白質(zhì)過(guò)程”、“泛素介導(dǎo)的蛋白水解作用”、“植物激素信號(hào)傳導(dǎo)”通路中分別有14個(gè)靶基因被注釋到,占比均為3.27%;有13個(gè)靶基因被注釋到“剪接體”通路中,占比為3.04%;“氨基糖和核糖代謝”和“氧化磷酸化”通路中有12個(gè)靶基因被注釋到,占比均為2.8%;“淀粉蔗糖代謝”通路中有8個(gè)靶基因被注釋到,占比為1.87%。
在差異表達(dá)的miRNA中,mtr-miR5256的靶基因的功能注釋為“glucan ando-1,3-beta-glucosidase 4”,該基因參與淀粉蔗糖代謝。miR159靶基因的功能注釋為“MYB transcription factor”,“MYB轉(zhuǎn)錄因子”是花分生組織識(shí)別基因的啟動(dòng)子。miR172靶基因功能注釋為“AP2 Domain transcription factor”,AP2類似轉(zhuǎn)錄因子主要調(diào)控花器分化和花期。miR396靶基因功能注釋為“生長(zhǎng)調(diào)控因子HSP70蛋白”,miR169靶基因功能注釋為“CBF HAP2 like protein”,其主要作用是調(diào)控花期,這些差異表達(dá)的miRNA均有可能導(dǎo)致花粉敗育。
MiR159靶基因的功能注釋為“MYB transcription factor”,“MYB轉(zhuǎn)錄因子”是花分生組織識(shí)別基因的啟動(dòng)子。MYB是谷物糊粉蛋白細(xì)胞中赤霉素(Gibberellic acid,GA)信號(hào)的組成部分,在花的發(fā)育過(guò)程中起著重要作用[44]。陶?qǐng)@[45]認(rèn)為,擬南芥轉(zhuǎn)錄因子ICE1(Inducer of CBF Expression 1)通過(guò)調(diào)控GAMYB基因來(lái)調(diào)節(jié)赤霉素信號(hào)傳導(dǎo),從而影響花粉育性并調(diào)控植物生長(zhǎng)。miR159的過(guò)量表達(dá)會(huì)引起與花發(fā)育過(guò)程相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子MYB的表達(dá)異常,從而進(jìn)一步影響到花粉絨氈層的正常代謝,包括絨氈層的形態(tài)和結(jié)構(gòu)異常等[46]。在本研究中miR159b和miRNA159c均下調(diào)表達(dá),miRNA159d上調(diào)表達(dá),這些miRNA的表達(dá)異常讓我們有理由認(rèn)為miR159家族與紫花苜蓿細(xì)胞質(zhì)雄性不育有著密切聯(lián)系。
試驗(yàn)所得結(jié)果中miR172,miR172a,miR172d相較于保持系來(lái)說(shuō),在不育系中均上調(diào)表達(dá),miR172靶基因功能注釋為“AP2 Domain transcription factor”,AP2-like轉(zhuǎn)錄因子主要調(diào)控花器分化和花期。AP2-like轉(zhuǎn)錄因子對(duì)花器官的生成是至關(guān)重要的,如果花器官發(fā)育出現(xiàn)異常情況(如花絲和花粉囊發(fā)育異常)就很可能會(huì)使花粉粒無(wú)法正常發(fā)育,從而導(dǎo)致花粉敗育[47]。Chen等[48]研究認(rèn)為,miR172過(guò)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致植株的花期提前以及花器官發(fā)育畸形,其表型與ap2突變體表型類似,最終導(dǎo)致配子異常發(fā)育。因此,miR172在不育系中的表達(dá)量降低也可能導(dǎo)致花粉敗育,具體的調(diào)控模式還需進(jìn)一步研究。
miR396靶基因功能注釋為“生長(zhǎng)調(diào)控因子HSP70蛋白”。試驗(yàn)結(jié)果顯示miR396家族的miR396,miR396a,miR396b-5p,miR396c-5p,miR396d,miR396e等miRNA在不育系中上調(diào)表達(dá),而miR396在初級(jí)和成熟的miRNA中都具有高度保守性,是“擬南芥生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子”家族成員[49-50]。Yang等[51]認(rèn)為miRNA396介導(dǎo)的NtGRF-like基因表達(dá)調(diào)控通路與煙草葉片和花的發(fā)育過(guò)程密不可分,這些miRNA對(duì)應(yīng)的靶基因調(diào)控花的發(fā)育過(guò)程,也就是說(shuō),miR396的異常表達(dá)可能影響花的發(fā)育。
由結(jié)果可知,與保持系相比,miR169c在不育系中上調(diào)表達(dá),miR169靶基因功能注釋為“CBF HAP2 like protein”,其主要作用是調(diào)控花期,擬南芥miR169家族成員是發(fā)育過(guò)程和刺激通路中普遍存在的調(diào)控因子[52]。因此,miR169的表達(dá)量降低會(huì)可能導(dǎo)致花期的提前或延遲,影響花藥的發(fā)育等過(guò)程。
差異表達(dá)microRNA靶基因功能注釋結(jié)果顯示,與紫花苜蓿細(xì)胞質(zhì)雄性不育相關(guān)的差異表達(dá)microRNA家族主要有4個(gè),包括miR159,miR172,miR396,miR169;其靶基因的功能主要是調(diào)控花藥的發(fā)育,其次是調(diào)控花期以及信號(hào)傳導(dǎo);micro RNA靶基因主要涉及的通路有:“代謝過(guò)程”、“信號(hào)生物過(guò)程”、“植物激素信號(hào)傳導(dǎo)”、“氧化磷酸化”和“淀粉蔗糖代謝”等,而差異表達(dá)microRNA靶向的轉(zhuǎn)錄因子中多為控制花期、花藥發(fā)育和信號(hào)傳導(dǎo)等過(guò)程的因子,對(duì)不育系的敗育起到一定的影響。本試驗(yàn)結(jié)果可初步揭示紫花苜蓿不育系的分子機(jī)理,為利用紫花苜蓿不育系進(jìn)行雜交育種提供理論基礎(chǔ),從而選育出具有優(yōu)良性狀的紫花苜蓿種質(zhì)資源。