植物miRNAs介导种子成熟调控机制研究

Seed maturation is a crucial seed developmental phase during which seed storage reserves are synthesized and accumulated. Understanding the control of seed maturation is thus important for improving seed quality and yield. miRNAs play a central role in the network regulating gene expression as a key regulator; however, miRNA-mediated mechanisms controlling seed maturation are poorly understood. Our previous study demonstrated that miRNA166-mediated regulation of PHB/PHV is responsible for controlling seed maturation, by directly targeting LEC2. Meanwhile, a screening-assay system was developed to identify the seed maturation-related miRNAs. The proposed study will utilize our assay system to screen and identify the seed maturation-related miRNAs based on the miRANome data from developing seed. Subsequently, we will investigate how each identified miRNA might be implicated in governing seed maturation by approaches combining molecular, genetic techniques and second-generation sequencing as well as bioinformatics. Furthermore, the integration of mutiple pathways eventurallly build the Arabidopsis miRNA-mediated regulatory network governing seed maturation. Finally, the soybean miRNA-mediated mechanisms governing seed maturation will be explored on the basis of the results from Arabidopsis. Completion of the current study will provide new and much-needed knowledge for the improvement of seed quality and yield.

种子成熟是种子贮藏物质积累的阶段，是决定种子质量和产量的关键时期。miRNA是调控基因表达的关键因子，然而目前关于miRNA调控种子成熟机制方面研究还鲜为报道。申请人前期工作阐释了miRNA166介导PHB调控LEC2的种子成熟机制，并建立了一套筛选参与种子成熟调控miRNA的检测体系。本项目将1）以种子发育miRNA组学数据为参考，利用这套检测体系对拟南芥中参与种子成熟调控的miRNAs进行系统的筛选和鉴定；2）通过分子、遗传、高通量测序以及生物信息学等技术手段鉴定miRNA介导的种子成熟调控途径中的关键因子，阐释miRNA调控种子成熟的作用机制；3）整合多个miRNAs的调控途径，构建miRNA调控种子成熟的网络；4）以拟南芥中miRNAs调控种子成熟的机制为模式，探索大豆miRNAs调控种子成熟的作用机制。本项目的实施将对种子质量的改善和产量的提高具有重要的生物学意义和农业实践意义。

种子成熟是种子贮藏物质积累的阶段，是决定种子质量和产量的关键时期。miRNA是调控基因表达的关键因子，然而目前关于miRNA调控种子成熟机制方面研究还鲜为报道。我们前期工作阐释了miRNA166介导PHB调控LEC2的种子成熟机制。本项目利用实验室建立的检测体系系统的对介导种子成熟调控的miRNAs进行了鉴定，发现miR156、miR160、miR393在抑制种子成熟过程中发挥着重要的作用。随后利用高通量测序、分子与遗传、生物信息学等手段对miR156、miR160、miR393抑制种子成熟的作用机理进行了研究。首先揭示了miR156的靶标基因SPL10过表达导致种子成熟过程在幼苗中异位发生，进一步研究发现LEC1、ABI3和FUS3基因启动子区域具有SPL的结合位点，因此推测SPL10可能作为转录因子直接调控LEC1、ABI3和FUS3基因的表达，从而阐释了miR156通过SPL10调控种子成熟的作用机理；同时该研究也表明miR160通过其靶标基因ARF17与ARF16、miR393通过其靶标基因AFB2在种子成熟调控过程中发挥着重要的作用。值得注意的是蛋白互作研究表明miR156的靶标SPL10与miR160的靶标ARF17可以发生相互作用，从而将miR156与miR160介导的种子成熟调控途径联系在一起。不仅如此，miR156、miR160、miR166、miR393介导的调控途径还共同作用于种子成熟主要调控因子LEC1、LEC2、ABI3、FUS3，从而构建了miRNAs介导种子成熟的调控网络。最后，以拟南芥中miRNAs调控种子成熟的机制为模式，探索了大豆miRNAs调控种子成熟的作用机制。该项目的研究结果表明miR166s在大豆中具有与拟南芥相似的作用机理，大豆miR166通过其靶标基因HB14-LIKE（HD-ZIPIII家族成员）调控大豆种子的成熟。除此外，AMMONIUM TRANSPORTER2-LIKE也可能作为miR166的靶标基因参与大豆种子成熟的调控过程。本项目在miRNA组的水平上全新的阐释种子成熟调控机制，这不仅丰富我们对种子成熟作用机理的认识，为改良大豆种子品质和提高种子产量提供新思路，同时也为其它物种中展开miRNA调控种子成熟方面的研究提供理论与模式。目前在该项目的资助下已在国际期刊上发表论文7篇，其中SCI论文6篇。