小麦籽粒发育过程中miRNA表达谱分析及重要miRNAs功能鉴定

It is crucial in discovering genes associated with wheat grain traits by studying the grain developmental process and resolving the regulatory mechanism of grain development. miRNAs play a key role in plant growth and development, however, there are rare reports on systematically studying miRNAs involved in the developmental process of wheat grains till now. In the preliminary work, we completed high throughput sequencing of small RNAs at different developmental stages of wheat grains, discovered and identified hundreds of miRNAs expressed in the grains. On this basis, this project aims to construct wheat miRNA expression profiles during the grain developmental process, and then select and identify differentially expressed miRNAs, confirm and analyze their target genes through bioinformatics analysis and molecular biology methods. According to these results, a miRNA working model linked with wheat grain development will be constructed, miRNA functions will be systematically evaluated, and important regulatory miRNAs involved in the grain development will be selected. For representative important miRNAs and their target genes (including miR156 and TaGW8), transgenic research will be performed to verify their functions in the grain development. This project will contribute to clarify regulatory network of wheat grain development, and provide new gene elements for the molecular breeding of wheat.

研究小麦籽粒的发育过程，解析籽粒发育的调控机制，对于发掘小麦籽粒性状相关基因具有重要意义。miRNAs在植物生长、发育等各个过程中都具有十分重要的功能，目前国内外还未见系统研究miRNAs参与小麦籽粒发育过程的报道。前期工作我们已完成对小麦籽粒不同发育时期小RNA的高通量测序，并发现和鉴定了上百个在籽粒中表达的miRNAs。基于前期工作，本项目拟通过生物信息学分析和多种分子生物学手段，构建籽粒发育时期的miRNA表达谱，从中筛选并验证具有显著差异表达特征的miRNAs，并对其靶基因进行鉴定和分析。在此基础上，构建miRNAs参与小麦籽粒发育的整体作用模型，系统评价并找出调控籽粒发育的重要miRNAs，并通过转基因方法来证实代表性miRNAs及靶基因（包括miR156和TaGW8）在籽粒发育中的功能。预期的研究结果将完善小麦籽粒发育相关的调控网络，并有望为小麦分子育种提供新的基因元件。

研究小麦籽粒的发育过程，对于发掘产量性状相关基因、提高小麦单产具有重要意义。miRNAs在植物生长、发育等各个过程中都具有十分重要的功能，系统研究miRNAs参与小麦籽粒发育过程有助于发掘控制产量的关键基因。本项目以不同发育时期的小麦籽粒为对象，采用高通量测序方法，结合生物信息学分析和多种分子生物学手段，共鉴定到223个籽粒中表达的miRNAs，其中包括186个已知miRNAs和37个新miRNAs。根据测序数据构建了籽粒发育时期的miRNA表达谱，并鉴定到55个差异表达的miRNA家族，通过聚类分析分成5种类型。利用降解组测序、5’ RACE等方法验证了20个以上miRNA的靶基因，进一步的表达分析表明miRNA的表达和靶基因的表达呈现负相关的趋势，表明其受到相应miRNA的负调控作用。根据实验数据，我们构建了差异表达的miRNAs及其靶基因调控籽粒发育的作用模型，发现它们主要通过影响籽粒细胞增殖、生长素信号、营养代谢等调控籽粒发育过程。通过转基因功能验证，发现TaSPL16（miR156靶基因）和TaSCL1（miR171靶基因）均可以显著影响籽粒的发育，控制籽粒大小和粒重性状。我们还开展了相关基因的粒重标记开发工作，找到了TaSPL16 、TaSCL1和TaGS5等基因上与高千粒重相关的优异等位变异，为小麦的分子标记辅助育种提供了新的功能标记。本项目的成果包括发表SCI文章1篇（第一标注），获得中国发明专利授权1项，申请1项。