【项目文章】小RNA组学分析下的进化树研究揭示山茶花器官发育过程中的保守和家系特异的miRNA

中文名: 小RNA组学分析下的进化树研究揭示山茶花器官发育过程中的保守和家系特异的miRNA
英文名:Phylogenetic tree-informed microRNAome analysis uncovers conserved and lineage-specific miRNAs in Camellia during floral organ development
杂志:Journal of Experimental Botany,2016
影响因子:IF=5.526

研究背景
在植物中miRNA是源自有发夹结构单链前体的内源性小RNA。miRNA和其靶基因的进化代表了一种最动态的基因表达通路,它们在决定植物不同器官发育中起基础性的作用。本文利用高通量小RNA测序的手段研究了山茶花5个器官的miRNA空间表达谱。

实验设计

材料:Camellia
取样组织:五个组织材料(幼嫩叶片、雄蕊、花瓣、心皮和花芽),三个生物学重复
测序策略:百迈客Illumina HiSeq™ 2500 ,SE36
测序数据量:每个样本测了18.9~28.2M的数据量

设计思路:

 

 

研究结果
1、山茶花5个组织保守miRNA分析和新miRNA鉴定
miRDeep2软件鉴定175个潜在的miRNA。长度分布分析显示21和22bp的miRNA丰度最高;对成熟miRNA的碱基偏好性分析:21和22bp的miRNA首位碱基偏好于“U”;23和24bp的miRNA首位碱基偏好于“A”。

miRNA长度分布

miRNA碱基偏好性

2、山茶花中MIR160家族的结构和进化分析
将成熟的miRNA比对到植物的ncRNA Database鉴定到19个miRNA。以MIR160家族为例进行系统进化分析:基于pre-miRNA序列来构建MIR160家族系统进化树。结果显示保守的c38436.graph_c0_79977与来自葡萄、杨树、木薯和莲花的MIR160形成了一个分枝,这也与山茶花的进化地位相一致。

miRNA 160系统进化树

3、组织间miRNA差异表达分析

组间差异表达miRNA维恩图

4、组织特异性miRNA鉴定
对不同组织miRNA表达情况绘制聚类热图,大部分miRNA在不同组织中特异表达。miRNA表达聚类热图显示一些明显有着不同表达模式的亚簇,在此主要关注了雄蕊和心皮所特异的2个亚簇。对雄蕊中特异表达的miRNA靶基因进行GO注释,显著富集GO term为“DNA intergration ”和“氧化还原”。

miRNA表达量聚类热图及GO注释

5、miRNA-靶基因的表达相关性验证
选取6个miRNA及其靶基因进行表达验证,发现4对表现出负相关的关系。例如miRNA167靶向2个SPL基因,用qPCR进行验证,结果显示出强的负相关关系。

miRNA及靶基因表达量相关性

6、山茶花中家系特异的miRNAs
(1).为了鉴定山茶花中家系特异miRNA家族,对不同植物中的miRNA家族构建进化树。发现2个葡萄特异的miRNA家族出现在山茶花中,其中miR3633是高丰度和高识别度的,表明它出现在葡萄和山茶花分化之前。

miRNA家族进化树

(2).鉴定到12个山茶花家系特异miRNA,将其前体序列与NCBI中山茶花和葡萄转录组数据库进行比对。在葡萄数据集里没有发现相应的miRNAs,但是大部分都出现在其他山茶花种里,说明这12个miRNAs是以家系特异的方式进化的。

 

文章亮点

1:材料选择;
山茶花是著名的观赏植物,因其在不同类型重瓣上产生额外的花瓣形成它独特的观赏价值。了解其花器官发育的分子机制有助于新品种的培育。

2:深度数据挖掘,实验验证;
从组织特异性和发育调控方面,鉴定了组织特异性保守miRNA,深入进行靶基因功能注释富集分析揭示其参与器官形成的机制;重点关注控制花器官发育的miRNA-靶基因调控机制,并选择一些关键miRNA-靶基因进行了实验验证,为miRNA-靶基因环状调控方式提供了依据。

3:新的分析角度;
从进化角度对山茶花属的miRNA进行了分析,描述了山茶花属miRNA家系特异型的进化方式。

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