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        陸地棉miR156 基因家族生物信息學(xué)分析及靶基因預(yù)測(cè)

        2023-08-12 02:06:56王燕美
        生物化工 2023年3期

        王燕美

        (1.深圳市光明區(qū)科技創(chuàng)新服務(wù)中心,廣東深圳 518000;2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院,廣東深圳 518000)

        近年來,對(duì)植物miRNA 的功能研究發(fā)現(xiàn),miRNA作為基因表達(dá)的負(fù)調(diào)控因子,在植物生長(zhǎng)發(fā)育、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等各方面都發(fā)揮著重要作用[1]。陸地棉因其產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣而成為世界上最主要的棉花栽培種,目前針對(duì)陸地棉miR156 基因家族尚未進(jìn)行系統(tǒng)鑒定和分析。本研究對(duì)陸地棉miR156 基因家族17 個(gè)成員進(jìn)行了染色體定位、前體序列二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、成熟序列保守性分析、靶基因預(yù)測(cè)及表達(dá)模式分析,為揭示miR156 在陸地棉生長(zhǎng)發(fā)育中的功能奠定基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        在Plant miRNA Encyclopedia 數(shù)據(jù)庫(kù)中下載陸地棉(Gossypium hirsutumL.)miR156 家族成員的前體和成熟序列及陸地棉7 個(gè)組織的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。

        1.2 方法

        用陸地棉miR156(Gh-miR156)家族成員的前體序列在Phytozome(https://phytozome-next.jgi.doe.gov/)中BLAST陸地棉基因組序列進(jìn)行染色體定位。用WebLogo(http://weblogo.berkeley.edu/)網(wǎng)站分析Gh-miR156 成熟序列的保守情況。

        用The UNAFold Web Server(http://www.unafold.org/)網(wǎng)站中的RNA Folding Form在線分析Gh-miR156家族成員前體序列的二級(jí)結(jié)構(gòu),參數(shù)選擇為系統(tǒng)默認(rèn)值。用psRNATarget(http://plantgrn.noble.org/psRNATarget/home)網(wǎng)站在線預(yù)測(cè)Gh-miR156 家族成員的靶基因,默認(rèn)系統(tǒng)參數(shù)值,設(shè)定罰分1 及以下的基因作為靶基因,罰分越低代表預(yù)測(cè)的靶基因可信度越高。用EXCEL 2010 軟件將轉(zhuǎn)錄組中Gh-miR156 家族成員的RPM(Reads Per Million reads)值取對(duì)數(shù)后做圖,篩選出顯著性差異表達(dá)的miRNA。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 Gh-miR156 家族序列分析及染色體分布

        Gh-miR156 家族由17 個(gè)基因組成,長(zhǎng)度為20 ~21 bp(見表1)。成熟序列比對(duì)表明,17 個(gè)成員的序列一致性很高,僅在5’端第1 個(gè)、第15 個(gè)和第22個(gè)核苷酸處存在差異(見圖1)。

        圖1 Gh-miR156 成熟序列一致性分析

        表1 陸地棉miR156 基因家族的成熟序列及其染色體定位

        染色體定位分析發(fā)現(xiàn),Gh-miR156 家族成員集中分布在A 亞組和D 亞組的4、5、6、7、13 號(hào)這5 條染色體上,其中Gh-miR156a 和Gh-miR156n,Gh-miR156f 和Gh-miR156g,Gh-miR156h 和Gh-miR156i 分別在A 亞組7 號(hào)、D 亞組13 號(hào)、A 亞組13 號(hào)染色體上成簇存在(見表1)。

        2.2 Gh-miR156 前體序列的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

        Gh-miR156 家族17 個(gè)成員的前體序列長(zhǎng)度不完全一致,長(zhǎng)度為82 ~210 bp。二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果表明,17 個(gè)Gh-miR156 成員都能形成穩(wěn)定的莖環(huán)結(jié)構(gòu),除Gh-miR156p 成熟的miRNA 序列位于均3’端外,其他成員成熟的miRNA 序列均位于5’端。詳見圖2。

        圖2 Gh-miR156 家族成員前體序列的二級(jí)結(jié)構(gòu)

        2.3 Gh-miR156 的靶基因預(yù)測(cè)

        靶基因預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),17 個(gè)Gh-miR156 家族成員共有107 個(gè)靶基因,主要為SQUAMOSA 啟動(dòng)子結(jié)合蛋白樣轉(zhuǎn)錄因子家族成員,即SPL 轉(zhuǎn)錄因子,且均由一個(gè)以上的Gh-miR156 家族成員靶向調(diào)控。說明Gh-miR156 家族調(diào)控靶基因SPL 的作用網(wǎng)絡(luò)是十分復(fù)雜的,暗示在陸地棉中Gh-miR156 通過調(diào)控此類靶基因參與發(fā)育調(diào)控。

        2.4 Gh-miR156 的表達(dá)模式分析

        表達(dá)模式分析表明,Gh-miR156 家族成員在陸地棉7 個(gè)組織中存在差異表達(dá)(見圖3)。Gh-miR156m、Gh-miR156o、Gh-miR156p、Gh-miR156q 在莖端中不表達(dá),但在胚、纖維、葉和根中卻顯著高表達(dá)。Gh-miR156q 在纖維的表達(dá)量顯著高于其他成員,但在花藥的表達(dá)量顯著低于其他成員。以上結(jié)果表明Gh-miR156 家族成員通過動(dòng)態(tài)表達(dá)參與陸地棉不同組織的生長(zhǎng)發(fā)育過程。

        圖3 Gh-miR156 家族成員的表達(dá)模式

        3 討論與結(jié)論

        目前,大量的研究表明miR156 在植物中作為一種正向調(diào)控因子,靶向SPL 轉(zhuǎn)錄因子,調(diào)控芽的分化、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換等過程。QIU 等[2]運(yùn)用生物信息學(xué)方法在陸地棉中首次預(yù)測(cè)到Gh-miR156的靶基因是SPL 轉(zhuǎn)錄因子。直至2012 年,WANG 等[3]使用Solexa 高通量測(cè)序首次在基因組水平上鑒定到Gh-miR156,并證實(shí)了Gh-miR156 的一個(gè)靶基因是SPL9 轉(zhuǎn)錄因子,且在陸地棉早期階段抑制纖維發(fā)育。XUE 等[4]在伸長(zhǎng)期的棉纖維中發(fā)現(xiàn),Gh-miR156 通過介導(dǎo)其靶基因SPL9 mRNA 的剪切,負(fù)調(diào)控花青素合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄,從而導(dǎo)致纖維細(xì)胞中花青素的合成降低,促進(jìn)過氧化氫的迸發(fā),使纖維細(xì)胞終止伸長(zhǎng)、轉(zhuǎn)入次生壁合成增厚期的發(fā)育。有趣的是,LIU 等[5]在海島棉中發(fā)現(xiàn),抑制miR156 的功能將導(dǎo)致成熟纖維的長(zhǎng)度縮短,表明miR156 可以促進(jìn)纖維伸長(zhǎng)。

        本研究對(duì)陸地棉中17 個(gè)Gh-miR156 家族成員進(jìn)行了生物信息學(xué)分析,并預(yù)測(cè)了靶基因,為后續(xù)通過實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證Gh-miR156 家族成員在陸地棉生長(zhǎng)發(fā)育中的調(diào)控功能提供了理論基礎(chǔ)。

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