芥菜型油菜镉积累相关microRNA的鉴定及功能分析

As a cadmium hyperaccumulator, Brassica juncea possesses great application potential for phytoremediation of cadmium contaminated soil. But as an important oil seed crop，it also results in hazards of human health through transferring Cd to human food chain. Therefore, it’s necessary to investigating the mechanisms of Cd accumulation in Brassica juncea plants. Previous studies have indicated that microRNAs play important roles in the regulation of Cd accumulation in plants, which provides an important new way to control crop Cd accumulation by regulating microRNAs or their target genes. In previous work, we identified Cd stress responsive microRNAs in Brassica juncea by small RNA sequencing, and selected some microRNAs as cadmium accumulation related microRNA candidates via comparative analysis of expressing difference between a cadmium high accumulation inbred line and a cadmium low accumulation inbred line. In this projects, we will clone and validate microRNA candidates and their target genes, then construct recombinant expression vectors and transform them into Brassica juncea. By comparative analysis of cadmium accumulation properties between transgenic plants and control plants, the functions of candidate microRNAs and their target genes in regulating cadmium accumulation will be elucidated. This project is expected to shed light on the roles of microRNAs in cadmium accumulation, and lay the foundation of genetic improvement of Brassica juncea.

芥菜型油菜具有富集镉的特性而在镉污染土壤修复中极具应用价值，但也导致了其作为油料作物使镉通过食物链被人类摄取的风险，因此镉在油菜中积累的机制值得深入研究。已有研究表明microRNA在植物镉积累中发挥调控作用，这为通过调控microRNA或其靶基因而改良作物镉积累性状提供了一条重要的新途径。在前期工作中我们通过测序鉴定了芥菜型油菜镉胁迫响应microRNA，并在芥菜型油菜镉高积累自交系和镉低积累自交系进行了定量PCR表达差异分析，筛选了镉积累相关的候选microRNA。本项目将克隆并验证候选microRNA的靶基因，构建候选microRNA及其靶基因的过表达载体并转化芥菜型油菜，通过分析转基因材料镉积累性状，鉴定出镉积累相关的microRNA并阐明其功能。研究结果将初步阐明microRNA调控芥菜型油菜镉积累的分子机理，为油菜镉积累性状的分子育种奠定理论基础。

芥菜型油菜具有富集镉的特性，因此其在镉污染土壤的植物修复中具有应用前景，但其作为油料作物也导致了镉通过食物链被人类摄取的风险，所以研究芥菜型油菜富集镉的机制具有重要的理论意义与应用价值。本项目研究了芥菜型油菜对镉胁迫的生理响应规律，通过sRNA高通量测序初筛和实时荧光定量PCR复筛获得了芥菜型油菜镉积累相关microRNA，通过靶基因分析揭示了microRNA参与调控芥菜型油菜镉积累的机理。研究结果表明：镉胁迫导致了芥菜型油菜植株内次生的氧化胁迫，且胁迫程度与镉处理的浓度和时间呈正相关。短期镉胁迫对芥菜型油菜根系活力影响较小，而长期胁迫对芥菜型油菜根系活力影响较大。芥菜型油菜根系在镉胁迫的不同时期氨基酸、有机酸、碳水化合物、脂类、类黄酮、生物碱和吲哚类物质含量差异显著，这些代谢物对芥菜型油菜根系适应镉胁迫具有关键作用。芥菜型油菜根系通过调节氨基酸生物合成、亚油酸代谢、氨酰-tRNA生物合成、甘油磷脂代谢、ABC转运蛋白、精氨酸生物合成、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成、α-亚麻酸代谢等来抵御短期镉胁迫，根系通过调节α-亚麻酸代谢、甘油磷脂代谢、ABC转运蛋白和亚油酸代谢抵御长期镉胁迫。25个microRNA参与了芥菜型油菜叶片对镉胁迫的响应，24个microRNA参与了根系对镉胁迫的响应。靶基因分析表明，镉胁迫条件下差异表达microRNA主要参与了芥菜型油菜生长发育、营养元素平衡和氧化-还原平衡的调控。芥菜型油菜镉高积累自交系和镉低积累自交系之间的microRNA表达差异分析结果揭示miR395、miR397、miR398、miR408参与了芥菜型油菜对镉积累的调控。靶基因功能分析表明，microRNA通过调控硫代谢、木质素合成及活性氧清除等生理过程进一步影响镉在芥菜型油菜植株中的积累。本项目的研究结果为揭示芥菜型油菜耐受镉胁迫和富集镉的生理与分子机制提供了理论基础，为进一步通过分子育种手段利用microRNA调控芥菜型油菜镉积累性状提供理论支撑，为镉超富集芥菜型油菜（用于镉污染土壤的植物修复）和镉低积累芥菜型油菜（作为安全的油料作物）的种质创新奠定了基础。