白菜花粉特异lncRNA对花粉发育过程基因表达的调控及其机制研究

Long non-coding RNAs (lncRNAs) play an important role in gene expression regulation, though we almost have no idea about how they work during pollen development. Recently, a pollen-specific lncRNA, BcMF11, involving in tapetum and pollen development was isolated in Chinese cabbage. Here, taking the advantages of transcriptome deep sequencing, small RNA sequencing, RNA pull-down and Mass spectrometry, we aim at understanding the molecular mechanism of BcMF11 in regulation of gene expression, as well as the genes and pathways influenced by BcMF11, and how itself is regulated. These researches will do a great favor on better understanding the role and importance of lncRNAs in pollen development, get us to know more about crop male sterility and plants lncRNAs.

花粉发育是种子植物有性生殖关键环节，与农业生产上的雄性不育等现象密切相关。长链非编码RNA（lncRNA）是真核生物调控基因表达的重要手段之一，而关于其在花粉发育过程中起何作用以及如何起作用，目前还鲜有报道。本项目以前期获得的一条白菜花粉发育相关的lncRNA为研究对象，利用RNA深度测序技术分析其下调引起的花粉基因表达变化，探明其对花粉发育过程基因表达的影响；通过寻找与之相互作用的蛋白质、判定是否是小RNA的前体或miRNA靶基因的模拟物，探讨其作用机制；从检测其启动子序列的DNA甲基化水平在不同组织中的变化、寻找可能与之结合的转录因子，探讨其本身表达的调节机制。通过上述研究进一步认识该lncRNA在花粉发育调控中的作用和重要性，帮助我们理解花粉发育基因表达调控的复杂网络，推进对作物雄性不育调控机理和植物lncRNA的研究。

花粉发育是种子植物有性生殖的关键环节，与农业生产上的雄性不育等现象密切相关。长链非编码RNA（lncRNA）是真核生物调控基因表达的重要手段之一，而关于其在花粉发育过程中起何作用以及如何起作用，目前还鲜有报道。本项目分析了白菜lncRNA——BcMF11的序列、表达特点和进化关系，发现其以基因家族或多拷贝的形式存在于芸薹属基本种中，起源于较晚的芸薹属祖先物种，其表达可能受环境因子的影响较大；利用转录组测序首次在白菜中鉴定出了12051条在花粉发育和授粉授精过程表达的lncRNA，以及花粉响应低温胁迫过程表达的152条lncRNA，明确了白菜lncRNA在序列保守性、表达丰度等方面的特征，获知了lncRNA在白菜花粉发育各个阶段、授粉受精不同过程，以及响应低温胁迫中的表达模式；利用生物信息学手段预测了这些lncRNA的作用方式和功能。在此基础上，分析了bra-eTM160-1和bra-eTM160-2两个lncRNA的功能，明确了它们在白菜花粉内含物和内壁形成中所发挥的作用，以及可能通过竞争性抑制miR160的活性起作用的机制，证明同一miRNA受不同伪靶基因的调节，而不同伪靶基因在工作效率上存在差异。对lncRNA可能调控的靶基因SDG基因家族和AGP家族进行了成员查找定位、序列分析，并探讨了它们的演化模式及起源，共获得67个白菜SDG成员，白菜中SDG基因数目多，占基因组比例大，各亚家族之间在演化速率上具有明显差异。查找获得64个白菜AGP编码基因，经典AGP比AG肽具有更快的进化速率，AGP在白菜不同组织中的表达特点及脱落酸（ABA）、茉莉酸甲酯（MeJA）和赤霉素（GA）处理后的表达变化显示5个AGP为花粉特异表达，而绝大多数的AGP均对激素处理有响应。花粉特异表达AGP编码基因BcMF8和BcMF18调控花粉内壁发育、萌发沟形成和花粉管生长。上述研究为认识lncRNA在花粉发育调控中的作用和重要性，帮助我们理解花粉发育基因表达调控的复杂网络，推进对作物雄性不育调控机理和植物lncRNA的研究奠定了坚实基础。