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寄生疫霉菌侵染拟南芥相关microRNA靶标调控网络分析



全 文 :第39卷 第12期
2011年12月
西北农林科技大学学报(自然科学版)
Journal of Northwest A&F University(Nat.Sci.Ed.)
Vol.39 No.12
Dec.2011
DOI:CNKI:61-1390/S.20111025.1728.002 网络出版时间:2011-10-25 17:28
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20111025.1728.002.html
寄生疫霉菌侵染拟南芥相关microRNA
靶标调控网络分析

张 伟a,徐 珂a,王秦虎a,王晓龙a,单卫星b,c
(西北农林科技大学a生命科学学院,b植物保护学院,c旱区作物逆境生物学国家重点实验室,陕西 杨凌712100)
[摘 要]  【目的】分析寄生疫霉菌侵染胁迫下拟南芥表达的microRNA,为探明microRNA对应靶标基因的调
控网络及其可能的病理学和生物学功能奠定基础。【方法】以寄生疫霉菌(Phytophthora parasitica)和模式植物拟南
芥(Arabidopsis thaliana)为材料,鉴定在病菌侵染胁迫下拟南芥表达的 microRNA,构建其靶标调控网络,并进行
Gene Ontology和蛋白质结构域富集分析。【结果】在寄生疫霉菌侵染拟南芥的Solexa测序文库中鉴定39条拟南芥
microRNA,筛选出了5个转录因子相关的调控网络;Gene Ontology富集结果表明,在生物学过程中,转录调控相关的
基因显著富集;蛋白质结构域富集结果表明,靶基因中转录因子显著富集。【结论】拟南芥响应寄生疫霉菌microRNA
靶标基因的功能主要集中在转录因子的调控功能上。
[关键词] MicroRNA;生物胁迫;调控网络;GO分析
[中图分类号] Q75 [文献标识码] A [文章编号] 1671-9387(2011)12-0124-05
Analysis of the regulation network of microRNA targets in
Arabidopsis thalianainfected with Phytophthora parasitica
ZHANG Wei a,XU Kea,WANG Qin-hua,WANG Xiao-longa,SHAN Wei-xingb,c
(aCollege of Life Sciences,b College of Plant Protection,c State Key Laboratory of
Crop Stress Biology in Arid Areas,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi 712100,China)
Abstract:【Objective】We analyzed the microRNAs of Arabidopsis in response to infection by Phyto-
phthora parasitica,to understand microRNA targets regulation network,potential pathological and biologi-
cal roles in processes of response to chalenged by infection.【Method】The compatible Phytophthora para-
sitica-Arabidopsis thaliana pathosystem was employed to identify plant microRNAs in response to patho-
gen infection,to construct the target genes regulation networks,and to perform Gene Ontology and domain
enrichment analysis.【Result】By Solexa sequencing,a total of 39microRNAs were identified from Arabi-
dopsis infected with P.parasitica,of which five transcription factors regulated networks were identified.
Gene Ontology annotation indicated that the transcription regulation associated genes were significantly en-
riched;protein domain annotation showed that transcription factors were significantly enriched in the target
genes.【Conclusion】The results show that the function of microRNA targets in Arabidopsisin response to
infection by P.parasitica was enriched for regulation of transcription factors.
Key words:microRNA;biotic stress;regulation network;GO analysis
* [收稿日期] 2011-05-23
[基金项目] 国家“863”计划项目(2008AA02Z110)
[作者简介] 张 伟(1983-),男,陕西扶风人,在读硕士,主要从事植物逆境相关microRNA研究。
E-mail:2008weizhang@gmail.com
[通信作者] 单卫星(1967-),男,新疆伊犁人,教授,博士生导师,主要从事植物免疫学研究。E-mail:wxshan@nwsuaf.edu.cn
DOI:10.13207/j.cnki.jnwafu.2011.12.020
  microRNA(miRNA)是真核生物和部分病毒体
内普遍存在的长度为21~24nt的内源性非编码单
链小分子 RNA[1]。miRNA 由内源的 MIRNA 基
因编码产生,通过与靶基因的 mRNA结合,在转录
后水平介导靶基因mRNA的降解或抑制其翻译,对
基因表达进行调控[2]。
1993年,Lee等[3]通过遗传分析方法在秀丽杆
线虫的后胚胎发育时期发现了第1个 miRNA,即
lin-4,其通过不完全互补方式结合到其靶标lin-14
mRNA的3′非翻译区(3′untranslational region,
3′UTR),抑制lin-14的翻译,从而对线虫幼虫发育
发挥重要的调节作用[4]。随后大量的 miRNA在动
植物中陆续被发现,表明 miRNA在生物界中广泛
存在,且参与了生物的发育、细胞分化、细胞凋亡、器
官发育、新陈代谢等各种生命活动,如 miRNA参与
植物叶片的发育。Lauter等[5]研究表明,miR172通
过与GL15基因相互作用,控制植物叶片从幼叶到
成熟叶的转变;在玉米中,miR172的表达使GL15
的表达下调,从而控制玉米叶片由幼嫩向成熟转变。
此外,miRNA对花的发育也有重要作用。Malory
等[6]研究发现,miR164的过表达可引起花器的融
合,而在野生型植物中表达 miR164的靶标基因
CUC1,可有效减少花萼数量,增加花瓣数目;Milar
等[7]研究表明,miR159可负调控拟南芥(Arabi-
dopsis thaliana)转录因子 MYB家族 MYB33和
MYB65的表达,从而影响花粉囊的形态。
在植物中,miRNA不但参与植物基础的生命活
动,并能响应生物及非生物逆境胁迫,调节基因表
达[8-9]。在植物受到激素、干旱、高盐、低温、脱落酸
(ABA)等非生物胁迫时,某些 miRNA的表达会发
生变化。在拟南芥种子萌发时,ABA 可以诱导
miR159的积累,而 miR159可以导致 MYB转录因
子家族中 MYB33和 MYB101转录本的降解,MYB
转录因子对 ABA 的应答进行正调控,myb33和
myb101突变体对 ABA 表现出低敏感性;此外,
miR159的过表达抑制了 MYB33和 MYB101的转
录,也可使植物对 ABA表现出低敏感性[10]。在水
稻中,干旱诱导 miR169g的表达,且其在根部的表
达量比茎部高,可见,miR169g在根组织快速响应干
旱胁迫中起着重要作用[11]。
近年来,有研究者探索了生物胁迫与 miRNA
的关系。在拟南芥中,miR393是第1个被发现参与
病原菌与拟南芥互作的 microRNA。Navarro[12]研
究表明,miR393的转录受到细菌鞭毛蛋白Flg22的
诱导,miR393通过靶向生长素受体TIR1、AFB2和
AFB3对生长素信号传导进行负调控。Fahlgren
等[13]通过高通量测序对丁香假单胞菌(Pseudo-
monas syringae)侵染拟南芥的miRNA表达谱进行
了分析,表明miR393在拟南芥受到侵染时积累;同
样,miR167和miR160在拟南芥受到假单胞菌侵染
时被诱导。miR167和 miR160在植物生长素信号
传导中起调节作用,其靶标为生长素应答因子家族,
而 miR825、miR162和 miR168的表达受到抑制。
然而,在寄生疫霉菌与植物互作中表达的 miRNA
及其可能的调控作用尚未见报道。
在前期研究中,Wang等[14]建立了寄生疫霉菌
(Phytophthora parasitica)与模式植物拟南芥的亲
和互作体系,为研究植物与病原卵菌的互作提供了
重要模式。本研究拟通过高通量测序建立拟南芥受
寄生疫霉菌侵染时的小 RNA文库,并对测序结果
进行生物信息学分析,以得到测序库中存在的已知
拟南芥miRNA,构建相关miRNA靶标基因的调控
网络,分析其对调控网络的影响,并进行基因本体论
(Gene Ontology)和蛋白质结构域富集分析,以期为
探明这些靶基因在生物学过程中的功能奠定基础。
1 数据与方法
1.1 数 据
1.1.1 miRNA数据 通过高通量测序得到拟南芥
受到生物胁迫(寄生疫霉菌侵染)时的小 RNA 文
库,通过 miRBase(http://www.mirbase.org/)获
得已知的拟南芥 miRNA数据[15]。拟南芥 miRNA
靶标数据来自PMRD(http://bioinformatics.cau.
edu.cn/PMRD/)[16]。
1.1.2 转录调控数据 拟南芥调控网络数据下载
自 AGRIS(http://arabidopsis.med.ohio-state.
edu/),该数据库包含1 770个转录因子和11 355个
直接调控关系对[17]。
1.2 方 法
1.2.1 寄生疫霉菌侵染拟南芥小RNA文库的构
建 参照 Wang等[14]建立的拟南芥-寄生疫霉菌互
作体系,取培养30d的野生型哥伦比亚拟南芥叶
片,用灭菌牙签在叶片背面对称位置轻轻划伤,两边
各接1 000个寄生疫霉菌游动孢子,于22℃保湿黑
暗培养72h,待叶片背面产生明显水浸斑后,收集寄
生疫霉菌侵染的拟南芥叶片组织,液氮速冻后于
-80℃冻存。
采用TRIzol试剂盒(Invitrogen,USA)提取寄
521第12期 张 伟,等:寄生疫霉菌侵染拟南芥相关microRNA靶标调控网络分析
生疫霉菌侵染拟南芥叶片组织总RNA,并送至华大
基因,通过Ilumina Solexa测序技术获得寄生疫霉
菌侵染拟南芥小RNA文库序列。
1.2.2 miRNA的获得 使用NCBI BLAST程序,
对测序得到的小RNA文库与miRBase中下载到的
拟南芥miRNA进行比对,得到测序库中存在的已
知miRNA。
1.2.3 调控网络的构建 整合 miRNA对应的靶
基因以及数据库中存在的调控关系对,如果对应的
转录因子以及靶基因都存在于同一个调控关系对
上,就假定这些 miRNA对这些调控关系对存在一
定的影响,可知这些靶基因不仅通过 miRNA来调
控响应生物胁迫,而且还通过调控网络来响应胁迫。
1.2.4 GO功能富集和蛋白质结构域富集分析 
利用DAVID[18]软件进行GO富集和结构域富集分
析。通过超几何分布,筛选小于一定P值的富集子
集,作为表达显著的候选,其中 GO富集P 值小于
0.01,结构域富集P值小于0.05。
2 结果与分析
2.1 miRNA的筛选
采用blastn程序将寄生疫霉菌侵染拟南芥的小
RNA文库与 miRBase中的拟南芥数据进行比对,
结果在Solexa测序得到的847 302条长度大于18
bp的小RNA测序库中,获得了39个已知的 miR-
NA或家族。
2.2 寄生疫霉侵染胁迫下拟南芥 miRNA对应的
靶基因的调控网络
对寄生疫霉菌侵染拟南芥的小RNA文库中出
现的miRNA对应的靶基因,与拟南芥调控网络数
据库(AGRIS)的调控关系进行整合,结果筛选出5
个转录因子和43个靶基因(图1)。从图1可以看
出,可以以SEP3、AGL15和 AtbHLH15转录因子
作为核心点构建拟南芥 miRNA靶基因对应的转录
调控网络。
图1 寄生疫霉菌侵染胁迫下拟南芥miRNA靶基因对应的转录调控网络
图中三角形表示转录因子,圆点表示miRNA对应的靶基因
Fig.1 Transcription regulation network of microRNA target genes in Arabidopsis thaliana
in response to Phytophthora parasiticainfection
Triangles indicate transcription factors,and circles the miRNA target genes
621 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第39卷
2.3 寄生疫霉侵染胁迫下拟南芥 miRNA对应靶
基因的GO功能富集分析
用DAVID[18]软件进行GO富集分析,结果(表
1)发现,在 GO 分类的生物学过程 (Biological
process,BP)中,调控网络中的大多数基因富集在与
转录相关或调控转录及转录后的基因调控的相关功
能上。
表1 寄生疫霉菌侵染胁迫下拟南芥miRNA靶基因的GO功能富集分析
Table 1 GO enrichment analysis of microRNA target genes in Arabidopsis thaliana
in response to Phytophthora parasiticainfection
GO标识
GO ID
GO术语
GO Term
基因数
Count
P值
PValue
错误发现率
FDR
0006350 Transcription  15  2.14×10-7  2.74×10-4
0045449 Regulation of transcription  15  3.91×10-5  0.049 805
0040029 Regulation of gene expression,epigenetic  5  3.52×10-4  0.447 774
0009791 Post-embryonic development  9  4.06×10-4  0.517 117
0016441 Posttranscriptional gene silencing  4  0.001 375  1.740 235
0016246 RNA interference  3  0.001 61  2.034
0010476 Gibberelin-mediated signaling  3  0.002 259  2.843 676
0009740 Gibberelic acid mediated signaling  3  0.002 259  2.843 676
0016458 Gene silencing 4  0.002 43  3.055 701
0010608 Posttranscriptional regulation of gene expression  4  0.003 957  4.932 407
0048608 Reproductive structure development  7  0.004 768  5.915 036
0010629 Negative regulation of gene expression  4  0.005 674  7.001 686
0010605 Negative regulation of macromolecule metabolic process 4  0.007 437  9.083 449
0003006 Reproductive developmental process  7  0.007 68  9.367 227
2.4 寄生疫霉侵染胁迫下拟南芥 miRNA对应靶
基因编码蛋白质结构域的富集分析
使用INTERPRO数据库对蛋白质结构域进行
富集分析,方法类似于上述的GO富集分析,筛选P
值小于0.05的显著结构域。结构域富集分析结果
(表2)发现,大多数结构域是与转录因子相关的一
些结构域,可以推测这些蛋白结构域可能与转录调
控相关。从而进一步证实,本研究筛选出的基因集
与转录调控相关。
表2 寄生疫霉菌侵染胁迫下拟南芥microRNA靶基因编码蛋白的蛋白质结构域富集分析
Table 2 Protein domain enrichment analyses of proteins encoded by microRNA target genes
in Arabidopsis thalianain response to Phytophthora parasiticainfection
标识
ID
术语
Term
基因数
Count
P值
PValue
错误发现率
FDR
IPR004333 Transcription factor,SBP-box  8  1.79×10-15  1.85×10-12
IPR002487 Transcription factor,K-box  3  0.003 073  3.161 737
IPR002885 Pentatricopeptide repeat  5  0.014 773  14.388 59
IPR002100 Transcription factor,MADS-box  3  0.020 843  19.736 88
IPR004146 DC1  3  0.027 756  25.458 23
IPR011424 C1-like  3  0.031 942  28.740 66
3 结 论
本研究建立了寄生疫霉菌侵染胁迫下拟南芥
miRNA调控的靶基因对应的调控网络,这些靶基因
主要与转录调控相关,并且其编码蛋白的结构域也
均集中在转录调控上。因此可以推断,在寄生疫霉
菌侵染胁迫下,拟南芥 miRNA调控的响应生物胁
迫的基因还受到调控网络的影响。可见,生物体作
为一个复杂的集合体,不仅仅从单一角度响应生物
的胁迫,而是通过多途径来响应生物的胁迫。
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