棉花抗黄萎病相关lncRNA动态特征及功能研究

来源 :河北农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:guanxing1
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棉花作为最重要的天然纤维作物,在全球被广泛种植。然而在其生长发育过程中易遭受黄萎病菌危害而降低产量和纤维品质。长链非编码RNA(lncRNA)通过多种机制,广泛参与植物的生长发育和抗病反应等生物过程。本研究以抗病陆地棉农大601为试验材料,苗期进行黄萎病菌胁迫处理及接水对照处理,分别在处理后2 h、6 h、12 h、24 h和48h取根、茎组织。利用RNA-seq技术对40个样本进行测序,分别对棉花根、茎组织黄萎病诱导表达lncRNA进行了鉴定,并对抗病相关lncRNA在黄萎病菌侵染早期的动态特征及抗病功能进行分析,为解析棉花抗黄萎病分子机制研究提供了新的见解与理论依据。利用qPCR技术和VIGS技术对2条候选lncRNA在棉花抗黄萎病过程中的生物学功能进行了初步验证。本研究的主要结果如下:1.利用黄萎病菌胁迫下抗病陆地棉农大601幼苗根、茎组织及相应对照组构建了 40个cDNA文库,并进行转录组测序。共得到3968931078 clear reads数据,通过筛选共鉴定出16884条lncRNA。以q值(p值矫正值)<0.05且差异倍数≥2为筛选阈值,棉花根、茎组织中分别鉴定出4277与971条差异表达lncRNA。2.在 2 hpi、6 hpi、12 hpi、24hpi 和 48 hpi,根组织中分别有 1074、2411、1284、1307和1802条差异表达lncRNA,其中16.28%~42.39%差异表达lncRNA具有时间特异性。染色体定位分析发现,差异表达lncRNA在染色体上的分布具有偏倚性,At05、At11和Dt05染色体上的分布密度较高,At06、Dt10和At02染色体上的分布密度较低,而且差异表达lncRNA倾向性分布于染色体两端。诱导表达谱分析发现,差异表达lncRNA可以分成3类。Ⅰ类和Ⅱ类分别为下调表达和上调表达lncRNA,分别占21.7%和76.7%。Ⅲ类仅占1.6%,但诱导表达模式最复杂,在接菌后不同时间点出现上调表达和下调表达交替现象。表明差异表达lncRNA随黄萎病菌侵染进程,具有明显的动态特征。对4277条根组织差异表达lncRNA进行靶基因预测,结果显示1158条lncRNA对3215条mRNA具有潜在靶调控作用。共构成15287对lncRNA-mRNA靶关系,其中687对为顺式调控作用,14600对为反式调控作用。进一步分析发现,反式作用lncRNA主要通过正调控作用影响靶mRNA表达,而顺式作用lncRNA在调控靶mRNA表达时,正调控和负调控两种机制均起着重要作用。3.在 2 hpi、6 hpi、12 hpi、24 hpi 和 48 hpi,茎组织中分别有 166、224、211、390和311条差异表达lncRNA。与根组织相比,接菌后不同时间点间存在更高比例特异性差异表达lncRNA,范围为49.40%~67.18%。这些结果揭示了棉花茎组织lncRNA响应黄萎病菌侵染具有更强的时序性特征。对971条茎组织差异表达lncRNA进行靶基因预测,发现108条lncRNA靶向调控314条mRNA,构成580对lncRNA-mRNA靶关系,其中5对为顺式负调控作用,18对为顺式正调控作用,557对为反式正调控作用,表明茎组织lncRNA主要通过反式正调控作用参与棉花对黄萎病菌的防御反应。4.利用靶基因GO富集和KEGG富集分析,对差异表达lncRNA进行功能预测。结果发现棉花根、茎组织lncRNA参与了不同抗病过程。根组织抗病相关lncRNA主要在生物膜上广泛参与刺激应答和蛋白修饰等生物过程,并且主要参与调控糖酵解、植物-病原菌互作、α-亚麻酸代谢、脂肪酸降解、植物激素信号转导、萜类骨架合成、过氧化物酶体、类黄酮生物合成等代谢通路上相关基因的表达。茎组织差异表达lncRNA在细胞膜、胞外和胞内,通过多种分子功能响应黄萎病菌诱导的几丁质、缺水、缺氧等刺激和JA、ABA等植物激素信号。此外,根组织中发现21条lncRNA通过激活与JA合成相关的10个基因,介导棉花对黄萎病菌的抗性;64条lncRNA通过激活15个萜类骨架合成相关基因表达,提高棉花抗病性。基于本研究结果并结合已有报道,构建了 10条茎组织抗病相关lncRNA潜在的抗病路径。这些结果为进一步研究黄萎病抗性相关lncRNA的功能机制奠定了理论基础。5.转录组数据分析表明,JA生物合成关键酶基因GhLOX3和GhACX4分别受lnc015092和lnc005812靶调控,并且lnc015092和lnc005812受黄萎病菌诱导后均显著上调表达。利用qPCR技术测定接菌前后lnc015092和lnc005812在8个不同抗病性棉花品种中表达水平的变化,结果显示接种6 h后所有品种的lnc015092和lnc005812均被上调,并且上调倍数与品种的抗病性正相关。进一步利用VIGS技术分别对lnc015092和lnc005812进行沉默,结果显示沉默后棉花植株对黄萎病菌抗性显著降低。此外,GhLOX3表达量及JA含量也随lnc015092的沉默而显著下调,初步证明了 lnc015092通过lnc015092-GhLOX3-JA网络影响棉花对黄萎病菌的抗性。综上所述,差异表达lncRNA在染色体分布、诱导表达谱、生物功能等方面具有明显的动态特征。差异表达lncRNA主要以反式作用调控其靶基因。反式作用lncRNA主要通过正调控影响靶基因表达。而顺式作用lncRNA在调控靶mRNA表达时,正调控和负调控两种机制均起着重要作用。棉花根、茎组织lncRNA参与了不同抗病过程。受黄萎病菌胁迫后,lnc015092和lnc005812的表达水平均显著上调表达,并且上调表达倍数与棉花品种的抗病性正相关。并初步证实lnc015092通过lnc015092-GhLOX3-JA网络影响棉花对黄萎病菌的抗性。
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