长链非编码RNA调控小麦镉胁迫响应的研究

作     者：曾倩倩 

作者单位：河南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邱宗波

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0901[农学-作物学] 0713[理学-生态学] 

主      题：小麦 镉胁迫 生理生化 lncRNA ceRNA 

摘      要：小麦是重要的粮食作物,随着环境污染形势的加剧,以Cd为主的重金属污染问题日渐凸显。Cd胁迫改变小麦形态和生理生化水平,影响其生长及发育,严重制约小麦的产量和质量安全。长链非编码RNA(lncRNA)在调控植物非生物胁迫方面发挥重要作用,而其调控小麦Cd胁迫响应的具体机理还不太清楚。本试验用不同浓度Cd处理小麦幼苗,明确了小麦幼苗Cd胁迫下的生理生化响应规律,并通过构建对照组和150μmol/L Cd处理组小麦叶片高通量测序文库,利用测序方法鉴定了小麦Cd胁迫响应相关mRNA和lncRNA。运用生物信息学相关技术,构建了lncRNA-miRNA-mRNA的ceRNA调控网络,并分析了它们潜在的调控功能。主要研究结果如下:***胁迫使小麦幼苗株高、鲜重、干重、总根长和体积明显降低,根尖数、根系总表面积及分枝数逐渐减少,平均直径持续增大,且在150μmol/L和200μmol/L处理组中最为显著,表明Cd胁迫抑制小麦幼苗生长,并具有浓度效应。2.随着Cd浓度的增加,小麦幼苗叶片相对含水量和可溶性蛋白含量逐渐降低,叶绿素a、b含量及总量显著减少,且在150μmol/L时降幅最大,MDA显著升高,SOD、POD和CAT活性先升高后降低,小麦地上部和根部Cd含量显著增加,同处理下根部含量高于地上部,表明Cd胁迫影响小麦幼苗生理生化水平。3.从两组样品中共分别鉴定出79,274个mRNA和10,044个lncRNA,筛选获得2,450个差异表达的mRNA(1,056个上调和1,394个下调)和198个差异表达的lncRNA(119个上调和79个下调)。其中基因间lncRNA在两组样品中占较大比例,内含子lncRNA次之。lncRNA与mRNA的基本特征比较发现,lncRNA的序列长度、ORF长度、外显子数、表达量和数量均低于mRNA。4.差异表达mRNA GO和KEGG富集分析,发现其主要富集在转录调控、细胞膜、叶绿体及光合作用-天线蛋白等,揭示了小麦Cd胁迫下生理生化水平变化的可能原因。通过相关分析,构建了lncRNA-靶mRNA调控网络。对靶mRNA进行功能分析,预测lncRNA通过调节基因表达在防御反应、叶绿体及光合作用等中发挥作用。5.结合小麦miRNA数据库,构建ceRNA网络,揭示了lncRNA调控方式的复杂性。基于该网络,进行mRNA的富集分析,预测这些mRNA主要参与光合作用和光反应调节、磷酸肌醇代谢和淀粉和蔗糖代谢等途径,进而预测了lncRNA潜在的调控功能。其中,lncRNA MSTRG.39780.1、MSTRG.44298.1、MSTRG.53284.1和MSTRG.27529.1与tae-miR10519相互作用,lncRNA MSTRG.2344.1、MSTRG.38678.1和MSTRG.4683.1与tae-miR10518相互作用,MSTRG.46143.1、MSTRG.52935.1、MSTRG.20987.1、MSTRG.44504.1分别与tae-miR1137a、tae-miR1137b-5p、taemiR9673-5p和tae-miR1120b-3p相互作用,通过参与淀粉和蔗糖代谢途径以调控小麦Cd胁迫响应。6.通过qRT-PCR方法对随机挑选出的9个差异表达lncRNA进行了验证,结果发现其表达变化趋势和RNA-Seq一致,证明测序的结果是可靠的。