RNA Biology|MicroRNA414c通过调节盐分胁迫下的活性氧代谢来影响棉花的耐盐性

山东农业大学农学院的研究人员于RNA Biology上发表了一篇题为“MicroRNA414c affects salt tolerance of cotton by regulating reactive oxygen species metabolism under salinity stress”的研究文献，该文献揭示了MicroRNA414c通过调节盐分胁迫下的活性氧代谢来影响棉花的耐盐性。

背景

棉花是一种广泛种植的多倍体经济作物。盐分胁迫是影响棉花生产力和纤维质量的主要非生物胁迫。尽管活性氧（ROS）在植物胁迫反应中起关键作用，但在盐分胁迫下其复杂的分子调控机制在棉花中尚不清楚，尤其是microRNA介导的超氧化物歧化酶（SOD）基因表达调控。本研究表明棉花超氧化物歧化酶基因GhFSD1和棉花miRNA ghr-miR414c共同响应盐分胁迫。

结果

棉花中GhFSD1和ghr-miR414c的分子克隆与鉴定

从棉花中鉴定出一个1075-bp的cDNA序列GhFSD1，多个序列比对显示，GhFSD1蛋白与TcFSD1具有81％的同一性，与AtFSD2具有70％的同一性，推测GhFSD1氨基酸序列包含一个Sod_Fe_N结构域和一个Sod_Fe_C结构域，然后使用MEGA 6.0.6构建了系统树。

图1. GhFSD1的鉴定和表征

GhFSD1和ghr-miR414c的表达分析

分析了GhFSD1和ghr-miR414c在棉花中的表达模式，并通过RNA 序列数据确定GhFSD1的转录模式。为了确定盐分胁迫如何影响GhFSD1和ghr-miR414c 的表达，用不同处理种植了棉花，并用qPCR分析了棉花中ghr-miR414c和ghr-miR414c以及GhFSD1的表达水平。结果表明，GhFSD1转录后通过GHR-miR414c调节体内响应于盐胁迫，ghr-miR414c在下胚轴中的表达最高。

图2. GhFSD1和ghr-miR414c的表达模式分析

ghr-miR414c靶向GhFSD1

推断GhFSD1在实现植物对盐分胁迫的耐受性中发挥了积极作用。为了验证ghr-miR414c和GhFSD1之间的靶标关系，在烟草中进行了瞬时共转化技术，并通过qPCR分析GhFSD1转录本。发现当与ghr-MIR414c共表达时，GhFSD1转录本的丰度显著下降，综合结果表明，ghr-miR414c靶向GhFSD1。

图3. ghr-miR414c靶向GhFSD1

GhFSD1和ghr-miR414c的过度表达改变了转基因拟南芥植物对盐胁迫的耐受性

为了研究GhFSD1和ghr-miR414c在植物对盐胁迫的响应中的可能作用，我们在拟南芥中过表达了GhFSD1和pri-ghr-miR414c 的全长cDNA 。结果表明，GhFSD1赋予转基因拟南芥植物对盐胁迫的耐受性。转基因35S :: miR414c植物对盐分胁迫高度敏感。

图4.GhFSD1和ghr-miR414c在转基因拟南芥和野生型拟南芥中的表达

图5.在拟南芥中过表达GhFSD1和ghr-miR414c 导致盐度耐受性增强

GhFSD1和ghr-miR414c通过清除过量的ROS影响棉花的耐盐性

为了进一步研究GhFSD1在盐胁迫下的生物学作用，进行了VIGS沉默棉花中的GhFSD1。为了检查沉默GhFSD1对棉花盐分胁迫总体耐受性的影响，将沉默叶片进行盐处理。结果GhFSD1沉默植物对盐分胁迫表现出更大的敏感性，暗示了该基因在棉花对盐胁迫的耐受性中的作用。

图6. 对棉花内源CLA1的沉默进行研究

为了进一步研究ghr-miR414c在棉花中的功能，将miR414c的主要转录本插入pTRV载体以产生TRV：miR414c。进行qPCR以检测ghr-miR414c和GhFSD1的表达。进一步研究结果表明，过量表达ghr-miR414c和沉默 GhFSD1的棉花对盐胁迫表现出相似的超敏水平。

图7. GhFSD1和ghr-miR414c VIGS棉花植物的盐敏感性提高

基于以上结果，推测盐度胁迫增加了植物内 ROS的产生，降低了GHR-miR414c的表达，从而提高了GhFSD1转录物水平，增加了GhFSD1活化，并因此缓解盐胁迫引起的细胞膜损伤。为了证实假设，测定了野生棉花植物中的SOD酶活性和H₂O₂浓度。当棉花植物遭受盐胁迫时，除了诱导表达的GhFSD1之外，棉株中SOD酶活性和H₂O₂的浓度逐渐增加。盐胁迫下时，ghr-miR414c的表达下调导致GhFSD1表达水平的提高和SOD活性的升高，进而导致对GhFSD1的清除增加。盐度过度诱导植物细胞中的ROS积累，以应对盐分胁迫。

图8.分别于0、6、12小时测定模拟和盐处理植株的SOD和ROS含量

结论

结果表明，ghr-miR414c通过介导GhFSD1表达在棉花盐分胁迫响应过程中发挥作用。我们的发现提供了关于棉花盐分胁迫响应中SOD和miRNA之间关系的重要信息。

参考文献

【1】Xie F, Wang Q, Sun R, et al. Deep sequencing reveals important roles of microRNAs in response to drought and salinity stress in cotton. J Exp Bot. 2015;66(3):789–804.

【2】Choudhury FK, Rivero RM, Blumwald E, et al. Reactive oxygen species, abiotic stress and stress combination. PlJ. 2017;90(5):856–867.

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文献链接

https://doi.org/10.1080/15476286.2019.1574163

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