免费文献传递   相关文献

GmMIR160A, a class of soybean microRNA gene, negatively regulates progress of leaf senescence

大豆microRNA基因GmMIR160A负调控植物叶片衰老进程



全 文 :书广 西 植 物 Guihaia Feb.2015,35(1):84-91           http://journal.gxzw.gxib.cn 
DOI:10.11931/guihaia.gxzw201405009
李小平,曾庆发,张根生,等.大豆microRNA基因GmMIR160A 负调控植物叶片衰老进程[J].广西植物,2015,35(1):84-91
Li XP,Zeng QF,Zhang GS,et al.GmMIR160A,a class of soybean microRNA gene,negatively regulates progress of leaf senescence[J].Guihaia,2015,
35(1):84-91
大豆microRNA基因GmMIR160A
负调控植物叶片衰老进程
李小平*,曾庆发,张根生,赵 娟
(淮北师范大学 生命科学学院 资源植物生物学安徽省重点实验室,安徽 淮北235000)
摘 要:叶片衰老是受内外多种因子影响的遗传发育进程。生长素、细胞分裂素和乙烯等多种植物激素是调
控叶片衰老的重要内部因子,它们通过长或短距离运输形成叶片组织内特定的区域分布和浓度梯度,从而直
接或间接参与植物叶片衰老过程。分子遗传学表明,细胞分裂素和乙烯分别是叶片衰老的抑制子和正调节
子,而生长素如何参与叶片衰老的分子机制目前还不清晰。植物体内成熟小分子RNA由小RNA基因转录
并通过特定酶加工形成的21~23bp的双链RNA分子。这些小分子通过不完全配对方式抑制其靶基因转录
和/或表达,参与植物生长发育多个过程,然而这类小RNA分子如何调控植物叶片衰老发育过程目前则还鲜
有报告。大豆是重要的油料作物,具有典型的单次结实性衰老特征。研究大豆叶片衰老具有重要的科学意义
和深远的应用价值。该文采用实时荧光定量PCR(qPCR)技术分析大豆(Glycine max)micro RNA基因Gm-
MIR160A 的表达模式,发现大豆第一复叶中GmMIR160A 表达受外源生长素和黑暗处理的诱导,暗示该基
因是生长素快速响应的叶片衰老相关基因。为进一步探究GmMIR160A 在大豆叶片发育中的功能,构建了
肾上腺皮质激素(Glucocorticoid,GR)类似物地塞米松(Dexamethasone,DEX)诱导表达GmMIR160A 双元表
达载体并通过农杆菌介导的子叶节方法转化野生型大豆。通过抗性筛选和基因组PCR鉴定并结合表型分
析,共获得了4株诱导表达的稳定遗传转基因植株(株系OX-3、OX-5、OX-7和OX-8)。GmMIR160A 过表达
植株根、茎、叶、花和果实在形态学上与野生型相比无显著差异,但叶片的叶绿素含量增加、最大光量子效率
(Fv/Fm)增强。进一步分子分析发现,转基因大豆叶片中GmARFs和衰老标记基因(GmCYSP1)表达明显下
降,表明大豆Gma-miR160通过抑制靶基因GmARFs的表达来负调控植物叶片的衰老进程。该文揭示了生
长素通过小分子RNA调控叶片发育一条新途径,为研究植物激素调控植物叶片衰老提供了新的思路。
关键词:大豆;MicroRNAs;生长素响应因子;过表达
中图分类号:Q945.4  文献标识码:A  文章编号:1000-3142(2015)01-0084-08
GmMIR160A,a class of soybean microRNA gene,
negativelyregulates progress of leaf senescence
LI Xiao-Ping*,ZENG Qing-Fa,ZHANG Gen-Sheng,ZHAO Juan
(College of Life Sciences,Huaibei Normal University,Anhui Province Key Laboratory
of Resources in Plant Biology,Huaibei 235000,China)
Abstract:Leaf senescence is known to be a genetic programmed process regulated by the interior and/or exterior fac-
tors.Plant hormones including cytokinins,ethylene and auxin directly or indirectly regulate leaf senescence as pivotal
收稿日期:2014-07-02  修回日期:2014-11-25
基金项目:国家自然科学基金(30970245);安徽省教育厅基金(kj2007B110);安徽省优秀青年教师基金(2007jq1161)。
作者简介:李小平(1972-),男,江苏南京人,博士,副教授,研究方向为植物分子生物学,(E-mail)1244232074@qq.com。
*通讯作者
interior factors through their redistribution and local concentration gradient by long and/or short distance transport.
The molecular genetics study has shown that the cytokinins work as a repressor and the ethylene as a positive regula-
tor respectively during the processes of leaf senescence.However,the molecular mechanism of auxin involved in regu-
lating leaf senescence is largely unknown.The mature microRNAs are a kind of smal and short double-strand RNA
molecules with 21-23bp length,which are first transcripted from mircroRNA(miRNA)genes and then processed
by the special enzymes.These smal RNAs are proved to be involved in many plant growth and development proces-
ses by matching their specific targets in an inaccuracy manner.However,there is no evidence that the specific microR-
NA could regulate plant leaf senescence in soybean so far.Soybean is a both oil crop and the classical seed-setting de-
pendent aging species.To uncover the molecular mechanism of soybean leaf senescence should have both the impor-
tant scientific significance and the profound application value in the future.In this report,we used real-time fluores-
cence quantitative PCR(qPCR)approach to explore the expression pattern of GmMIR160Agene during the develop-
ment of the first trifoliage soybean leaves.We found that the messenger RNA of GmMIR160Awas rapidly induced
by both exogenous applied auxin and darkness treatment,suggesting that this gene could be both an immediate auxin-
responsive gene and leaf senescence-associated gene.To further investigate the role of GmMIR160Agene during the
soybean leaf development,the binary vector over-expressing GmMIR160Ainduced by glucocorticoid-like chemical,
dexamethasone(DEX),was constructed and then transformed into wild-type soybean through Agrobacterium-medi-
ated method with cotyledon node as the explants.Using the time order screening approaches including the antibiotic
screen,the genome PCR identification and the phenotypic analysis,we finaly generated four transgenic lines(Line
OX-3,5,7and 8)with stable integrated insertion T-DNA.Compared with wild types control,these transgenic plants,
successful expressing the transgene showed normal morphological characteristics in respect to roots,stem,leaves,
flowers,fruits and seeds but exhibited the increased chlorophyl content and higher maximum quantum efficiency
(Fv/Fm)for the first trifoliage leaves during the mature stage.Moreover,GmARFs and GmCYSP1,in which the
former are targets of GmMIR160and the latter is thought as a soybean senescence marker,were down-regulated dra-
maticaly in the transgenic trifoliage leaves.Taking together,these data indicated that Gma-miR160might negatively
regulate leaf senescence by repression of its targets in soybean.This report uncovered a novel pathway that the plant
hormone auxin could modify the processes of leaf senescence by regulating the transcriptional expression of microR-
NA gene Gma-miR160and then repressing the messenger RNA level of auxin responsive factors GmARFs and also
provided the new clues for investigating how the plant hormones control the progress of leaf senescence.
Key words:Glycine max;MicroRNAs;auxin response factors;over-expression
  叶片衰老是遗传程序控制的主动发育进程。叶
片衰老进程中,有些基因转录水平显著下降,称为衰
老下 调 基 因 (senescence down-regulated genes,
SDGS),如编码与光合作用有关的多数蛋白质基
因;另一些基因是被衰老诱导表达的基因,称衰老相
关基因(senescence-associated genes,SAGS),这类
基因参与了新蛋白质的合成。多种植物激素直接影
响或参与调控叶片衰老进程(Gan et al.,1997;
Buchanan-Wolaston et al.,2005;Van der Graaff et
al.,2006)。乙烯通过其细胞信号组分如EIN3来正
调控叶片衰老(Li et al.,2013);细胞分裂素通过受
体AHK3/AHK4和相应的下游磷酸化途径抑制植
物叶片的衰老(Kimet al.,2006)。另外,细胞分裂
素还与类受体蛋白激酶形成调控网络参与调节叶片
衰老过程(Li et al.,2006)。生长素如何参与调控植
物叶片衰老过程中的作用机制目前不很清晰,尤其
是作为正调节子的证据还不够。虽然发现生长素响
应因子AtARF2功能缺失影响叶片衰老进程(Elis
et al.,2005;Limet al.,2010),但生长素如何通过
其细胞信号组分参与到叶片衰老的调控还有待进一
步阐明。
在植物组织中,生长素通过长、短距离运输形成
组织器官组织中的特定浓度梯度,从而调控在植物
生长发育(Leyser,2006;Dharmasiri et al.,2004)。
生长素受体(TIR1)、转录因子(Aux/IAA)、生长素
响应 因 子 (ARFs)和 具 有 生 长 素 响 应 元 件
(AuxREs,TGTCNC)的下游靶基因等组成生长素
细胞信号转导的核心组分(Tiwari et al.,2001;
Kepinski et al.,2005;Yang et al.,2004)。当生长
素含量很低时,Aux/IAA与 ARFs结合,阻遏了下
581期     李小平等:大豆microRNA基因GmMIR160A 负调控植物叶片衰老进程
游靶基因的转录;当生长素的含量达到一定程度,生
长素就会起到分子胶的作用,使Aux/IAA与TIR1
结合在一起,形成SCFTIR1-生长素-Aux/IAA 复合
体,促使 Aux/IAA 降解,从而解除 Aux/IAA 对
ARFs的抑制,释放下来的 ARFs与下游具有
AuxRE的靶基因结合,发挥生长素的调控功能
(Tan et al.,2007;Reed et al.,2001)。ARFs除受
Aux/IAA调节外,其转录产物还受到转录后水平的
MicroRNAs的调控。MicroRNAs依靠序列不完全
配对方式寻找靶基因并进而抑制它们的活性(Voin-
net,2009;Sunkar et al.,2007;Nodine et al.,
2010)。拟南芥基因组含有3个小RNA基因(At-
MIR160A-C),它 们 编 码 的 成 熟 小 RNA(Ath-
miR160)和 靶 基 因 AtARF10,AtARF16 和
AtARF17在特定的器官组织中发挥重要的调节功
能。修饰靶基因AtARF10,AtARF16和AtARF17
的作用位点会导致靶基因转录本降解受阻及At-
MIR160s的表达下调,并造成明显的发育障碍(Liu
et al.,2007;Wang et al.,2005;Malory et al.,
2005),暗示在植物组织中Ath-miR160和靶基因之
间互为精确调控并维持一定平衡。在拟南芥中过表
达AtARF10/16/17无明显的表型,推测是拟南芥
细胞中表达有足够的Ath-miR160来维持对靶基因
的抑制((Liu et al.,2007),而对其它物种是否也存
在这种现象还不是很清楚。本文以大豆叶片为研究
材料,探究Gma-miR160及其靶基因是否在叶片衰
老中发挥调控功能。在分析GmMIR160A 在叶片
衰老及生长素诱导中的表达特征基础上,我们通过
农杆菌介导转化方法获得GmMIR160A 过表达转
基因大豆并对转基因植株叶片衰老表型进行分析。
研究叶片衰老的分子机制对进一步的分子遗传育种
具有理论指导意义。
1 材料与方法
1.1供试材料
1.1.1菌种、质粒及培养基 菌种E.coli DH5a;农
杆菌LB4404;植物表达载体pTAM1,由本实验室
提供。大肠杆菌培养:LB培养基;农杆菌培养:
YEP培养基。
1.1.2试剂与酶 常规PCR试剂和限制性内切酶购
自TaKaRa公司;DNA标准分子量购自全式金公
司;高保真 KOD酶购自上海东洋坊公司;RNA提
取试剂盒为 System biosciences和 Qiagen 公司,
Real-time PCR试剂盒购自TaKaRa公司。高纯质
粒小量提取试剂盒,购自威格拉斯生物技术公司,其
它试剂均为上海生工产品。
1.1.3引物 根据http://diana.imis.athena-innova-
tion.gr/和http://soybase.org/提供GmMIR160A
和靶基因(GmARFs)序列并结合NCBI数据库相应
EST,设计各定量 PCR和相应载体构建引物(表
1)。GmMIR160A-OX F/R是用于构建化学诱导过
表达载体。
1.2方法
1.2.1大豆栽培和叶片处理 所试大豆种植在混合
土壤中(泥炭土∶珍珠岩∶蛭石=3∶3∶1)中,于人
工培养室中培养(16h白天/8h夜晚;光照250
μmol·m-
2·s-1;温度:23~25℃;相对湿度:70%)。
叶片自然衰老:取营养生长期(V1)至生殖生长期
(R5)最先出现的完全展开第一复叶(Fehr et al.,
1971),进行定量PCR;离体叶片衰老处理:选取完
全展开的第一复叶(20d),放入加有蒸馏水的培养
皿中,确保复叶叶柄与水充分接触,然后用锡箔纸包
裹培养皿,放在恒温培养箱中进行黑暗处理,在不同
时间间隔取出叶片(0,3,6和9d),提取总RNA并
分析。转基因植株基因表达(T3代):选取完全展开
的第一复叶(20d),提取总RNA并进行定量PCR。
外源生长素处理:一定浓度的生长素IBA(1μmol·
L-1)喷在完全展开的第一复叶上(20d),每隔5min
取下叶片,提取总 RNA并分析。所有试验进行至
少3次生物学重复。
1.2.2 GmMIR160A 定量PCR  RNA提取和反转
录按System biosciences的QuantiMir RT Kit操作
手册进行,首先对小RNA3’端添加腺苷酸形成多聚
腺苷酸末端(PolyA),然后添加寡聚脱氧胸腺嘧啶
接头,最后反转录形成cDNA。反转录产物利用通
用引物和小RNA特异引物的进行定量PCR,荧光
定量 PCR 试剂盒为 Takara SYBR Premix Ex
TaqTMII(DRR081A),相 应 引 物 见 表 1。Gm-
MIR156b为内参基因(Kulcheski et al.,2010)。按
以下反应体系进行:2xPremix Ex TaqTMII(DNA
polymerase、SYBR Green I、PCR buffer、5mmol·
L-1 MgCI2、dNTP mix including dUTP)15μL;上游
引物F 1μL,下游引物 R 1μL;cDNA template 2
μL。总体为30μL。定量 PCR仪扩增反应条件
设置:5 0℃2min;9 5℃1 0min;9 5℃1 5s~6 0℃
68 广 西 植 物                  35卷
表1 本文所用引物
Table 1 Primers used in this paper
引物名称
Primer name
引物序列 (5′-3′)Primer sequence(5′-3′)
应用
Application
qGmMIR160A TGCCTGGCTCCCTGTATGCCA  MircoRNA,RT
Oligo(dT)-adapter primer  GACTCGAGTCGACATCGATTTTTTTTTTTTTTTTT  Mirco RNA,RT
qGmARF10-F1 AGATGCTAATATGAACTGAAAATTCC  qRT-PCR,163bp
qGmARF10-R1 AAGAATAGCAAACTCGCTCGTG  qRT-PCR,163bp
qGmARF16-F  GGAAAAAGGTGGAGGATAAAGAG  qRT-PCR,121bp
qGmARF16-R  GAATGACTCTCCCTTTGTTTCAAC  qRT-PCR,121bp
qGmARF17-F  CCGTCAAGTACTTCTAGCCTTGT  qRT-PCR,109bp
qGmARF17-R  TCCTTTGCAACATCCTCCCTC  qRT-PCR,109bp
GmMIR160A-OX-F  CACACTAGTCTTTCAAACCCATTTGATTATGACT  Vector construction
GmMIR160A-OX-R  TGACTCGAGTCTAATTTACGGTAACTTGGGGTT  Vector construction
GmMIR160A-IF  AGAGAGAGAGAGAGATGGGGCA  Transgenic identify
GmMIR160A-IR  CTTATATGCTCAACACATGAGCG  Transgenic identify
qGmCYSP1-F  TCTCCTAAAGATGAACTTTGAATGCT  qRT-PCR
qGmCYSP1-R  TCACTCAAACCAACTTGAAATATTTA  qRT-PCR
qMIR156b TGACAGAAGAGAGAGAGCACA  Internal control
qACT2/7-F  CTTCCCTCAGCA CCTTCCAA  Internal control
qACT2/7-R  GGTCCAGCTTTCA CACTCCAT  Internal control
图1 化学诱导基因表达载体T-DNA结构 编码转录因子GVG 的DNA片段插入至35S启动子和终止子之间。GmMIR160A
片段通过内切酶SpeI和Xho插入到6×GAL4启动子和终止子之间。HPT.潮霉素;LB.左边界;RB.右边界。
Fig.1 Diagram of T-DNA containing chemical-induced expression cassette DNA fragments encoding the chimeric
transcription factor GVGwere placed between the cauliflower mosaic virus 35S promoter and the terminal sequence.GmMIR160A
fragment was introduced into pTM-1with two restriction enzymes SpeI and XhoI and was preceded by apromoter containing
six copies of the GAL4.HPT.Hygromycin antibiotic;LB.Left border;RB.Right border.
60s~72℃30s(40个循环);72℃10min。用
2- △△Ct法计算相对表达量。
1.2.3 GmARFs和GmCYSP1定量PCR 取对应叶
片,按 Qiagen公司专门提取 RNA 的试剂盒进行
(RNeasy plant mini kit),反转录产物的荧光定量
PCR试剂盒为 Takara SYBR Premix Ex TaqTMII
(DRR081A)。ACT2/7为定量的内标基因,扩增片
段长度为119bp。GmCYSP1是大豆叶片衰老标记
基因,扩增片段长度为162bp。GmMIR160调控
12个靶基因(GmARFs)的转录,选择三个GmARFs
(GmARF10/Gm13g  40030.1, GmARF16/
Gm10g06080.2,GmARF17/Gm04g43350.1)来分
析GmMIR160过表达是否引起靶基因的抑制表
达。GmARFs和GmCYSP1表达量相对于大豆内
标基因ACT2/7,用2- △△Ct法计算相对表达量。
1.2.4化学诱导型载体构建 利用高保真的 KOD
酶,以大豆基因组为模板,扩增1 162bp的PCR片
段,GmMIR160A 的前体序列位于该扩增片段的中
心位置(Laufs et al.,2004)。在PCR产物两端引入
SpeI和 XhoI位点,双酶切 PCR 产物后导入到
pTAM1载体对应的克隆位点(图1)。
1.2.5农杆菌转化 取鉴定成功的双元载体1~2
μL用电击转化法转化农杆菌感受态细胞LB 4404
(Bio-Rad,2.5kv/um/ms)。转化后的农杆菌重悬
于1mL YEP培养基中,28℃,转速为200×g·
min-1,培养2~3h,取50~100μL涂在具有卡那霉
素和壮观霉素(SpecR)双抗YEP培养基上,28℃倒
置培养2~3d。挑选已分散开的单克隆,经菌裂解
PCR鉴定稳定表达的阳性克隆,用于大豆转化。
1.2.6大豆转化和转基因鉴定 以科丰34品种大豆
为材料,采用子叶节法进行转化,转化过程按文献并
加以调整(Schmutz et al.,2010;Paz et al.,2004;
781期     李小平等:大豆microRNA基因GmMIR160A 负调控植物叶片衰老进程
Paz et al.,2006)。各转化培养基的成分:(1)萌发
培养基(Gamborg B5base salt,Sucrose 30mg·
L-1,pH 5.8,Agar 6.5g·L-1);(2)共培养培养基:
(1/10 Gamborg B5 base salt,Gamborg B 5
Vitamin,MES 3.9g·L-1,Sucrose 30g·L-1,BAP
1.8mg·L-1,GA3 0.2mg·L-1,AS 0.1g·L-1,
DTT 200mg·L-1,Cysteine 400mg·L-1 pH 5.2,
Agar 4.5g·L-1);(3)芽诱导培养基(Gamborg B5
base salt,Gamborg B5Vitamin,MES 1.2g·L-1,
Sucrose 30g·L-1,BAP 1.8mg·L-1,Cef 200mg·
L-1,Carb 500mg·L-1,Hyg 25~50mg·L-1 pH
5.4,Phytagel 3.0g·L-1);(4)生 根 培 养 基
(Gamborg B5base salt,Gamborg B5 Vitamin,
MES 1.2g·L-1,Sucrose 30g·L-1,IAA l mg·
L-1,pH5.8,Agar 6.5g·L-1)。大豆筛选抗生素为
潮霉素,筛选过程辅助以头孢霉素来去除残留农杆
菌。抗性筛选成功的转基因小苗(T0)经驯化后移
入土壤中进行传代。用引物组合(GmMIR160A-
IF/IR)对每代植株进行PCR鉴定,GmMIR160A-
IF是GmMIR160A 上的特定序列,MIR160A-IR是
双元表达载体pTAM1上的转录终止区序列的特定
序列,扩增片段851bp。
1.2.7叶片生理指标测定 大豆叶绿素提取用二甲
基甲酰胺黑暗浸提48h后,用分光光度计分别测定
664nm和647nm吸光值,以叶片鲜重每克含有的
叶绿素含量(单位:mg)来计量(Xiao et al.,2004)。
最大光量子效率PSII(Fv/Fm)用脉冲调制荧光仪
进行测定 (FMS-2,Hansatech,King’s Lynn,UK)
(Wingler et al.,2004)。
2 结果与分析
2.1 GmMIR160A 是受叶片衰老诱导的生长素快速
响应基因
叶片衰老过程中,大量基因进行表达,这些基因
的编码产物主要参与细胞内大分子的分解代谢和相
关物质的运输,而部分衰老相关基因则通过细胞信
号途径来调控衰老过程。衰老相关基因的表达随叶
片衰老呈现一定模式。为研究GmMIR160A 在叶
片衰老过程的表达特征,分析了GmMIR160A 在自
然衰老和人工黑暗诱导衰老下转录水平的变化。结
果显示,GmMIR160A 无论在自然发育和人工诱导
衰老中其表达都随衰老进程而逐渐增加(图2,图
3),说明GmMIR160A 表达受衰老诱导,是衰老相
关基因。在外源生长素处理下,一些基因表达会在
很短时间(10~30min)内就达到稳态水平,这些基
因为生长素原初响应基因,它们的这种上调表达不
依赖于蛋白质的重新合成。我们用生长素IBA处
理叶片,在不同时间间隔取样分析,发现 Gm-
MIR160A 的转录在20min内就显著提高并保持
一定的水平(图4),说明GmMIR160A 的表达受生
长素的快速诱导且是生长素的原初响应基因。
图2 GmMIR160A 在叶片自然衰老进程中表达上调
Fig.2 Expression level of GmMIR160Ais up-regulated
during natural leaf senescence
图3 人工黑暗处理诱导GmMIR160A 的表达
Fig.3 Expression of GmMIR160Ais induced
during the dark-induced leaf senescence
2.2化学诱导GmMIR160A 过表达
为了探索GmMIR160A 在叶片衰老进程中的
功能,我们构建了可用肾上腺皮质激素(Glucocorti-
coid,GR)类似物地塞米松(Dexamethasone,DEX)
诱导的过表达载体(图1)。通过农杆菌介导子叶节
转化方法,我们共获得4个稳定遗传的转基因株系
(3,5,7和8)(图5),并对其中3个株系进行进一步
88 广 西 植 物                  35卷
图4 外源生长素快速调节GmMIR160A 的表达
Fig.4 Exogenous applied auxin increased
expression of GmMIR160Aquickly
分析。对自然生长叶片,我们用10μmol·L-
1的
DEX每隔一天喷洒一次(Hou et al.,2013);对离体
叶片,直接在蒸馏水中加入10μmol·L-
1的DEX,
对照组用相应浓度的乙醇溶剂处理。试验表明,
DEX处理8d后,GmMIR160A 表达增加10倍以
上(图6),GmMIR160A 对应的三个靶基因表达受
到明显的抑制(图7),表明GmMIR160A 在大豆叶
片中被成功地过表达。
图5 GmMIR160A 过表达转基因植株的PCR鉴定 
泳道1-11.不同T1 代转基因株系;M.标准分子量。
Fig.5 PCR identification of transgenic plants over-
expressing GmMIR160A Lane 1-11.Different
T1transgenic lines;M.Molecular marker.
2.4过表达GmMIR160A 延缓叶片衰老
叶片衰老主要表现为叶绿体的崩溃,叶绿素的
降解和相关大分子动员从而导致叶片发黄,最后叶
片脱落死亡。叶片衰老导致叶绿体功能的丧失必然
伴随着PSII和PSI活性的下降,但PSII比PSI对
衰老更敏感,其光化学活性在衰老过程中下降十分
明显(Wingler et al.,2005)。大豆为单次结实衰老
植物,即一旦结实迅速启动叶片衰老进程。营养生
图6 外源DEX诱导GmMIR160A 过表达 用DEX
(10μmol·L
-1)和对照溶液处理展开20d的第一复叶,共处理8
d,进行定量分析。OX-C/T-20d表示处理前叶片;OX-C-28d
表示对照溶液处理8d;OX-T-28d表示DEX(10μmol·L
-1)处
理8d。
Fig.6 Over-expression of GmMIR160A by spraying
DEX on transgenic leaves The first trifoliate leaves expanding
for 20dfrom different transgenic lines(OX-3,OX-7and OX-8)
were spayed with DEX(10μmol·L
-1)or solution without DEX for
8dand then prepared for qRT-PCR assays.OX-C/T-20dindicates
that the trifoliate leaves expand for 20dbefore treatment;OX-C-28d
indicates that the trifoliate leaves were sprayed with ethanol solution
for 8d;OX-T-28dmeans that the trifoliate leaves were sprayed with
DEX(10μmol·L
-1)for 8d.
图7 GmMIR160A 过表达抑制其靶基因表达
取样方法同图6。下同。
Fig.7 Over-expression of GmMIR160Asuppresses
transcription of its targets Samples are
the same as Fig.6.The same below.
长期第一复叶展开20d后,叶片已开始出现衰老生
理特征,随大豆进一步发育(28d),该叶片衰老程度
更为明显,出现叶绿素含量下降和PSII的降低(图
8,图9),但当用化学诱导GmMIR160A 过表达后,
这些叶片具有较高的叶绿素含量(图8),较强的最
大光量效率(Fv/Fm)(图9)。此外,GmMIR160A
过表达引起大豆叶片衰老标记基因GmCYSP1表
981期     李小平等:大豆microRNA基因GmMIR160A 负调控植物叶片衰老进程
达下调(图10)。这些现象表明GmMIR160A 直接
参与了大豆叶片衰老过程的调控。
图8 GmMIR160A 过表达对大豆叶片叶绿素含量的影响
Fig.8 Effects of overexpression of GmMIR160A
on chlorophyl contents in transgenic leaves
图9 GmMIR160A 过表达对大豆叶片
最大光量子效率的影响
Fig.9 Effects of overexpression of GmMIR160Aon
maximum quantum efficiency(Fv/Fm)in transgenic leaves
3 讨论与结论
大豆基因组测序已经完成 (Schmutz et al.,
2010),大豆的遗传转化方法比较成熟,如通过子叶
节转化,其转化效率最高可达10%(Paz et al.,
2004;Paz et al.,2006),这为反向遗传学方法研究
基因功能提供了便捷。由于大豆为古多倍体(Plae-
opolyploid),其基因组含有6个GmMIR160基因,
分别为GmMIR160A-F,基因功能冗余现象势必存
在,所以利用基因缺失突变方式研究他们的功能较
为困难。过表达可以从基因获得性功能角度来探究
基因的功能 (Aoyama et al.,1997)。
图10 GmMIR160A 过表达抑制叶片
衰老标记基因的表达
Fig.10 Over-expression of GmMIR160Asuppresses
transcription of GmCYSP1in transgenic leaves
大豆叶片自然衰老和人工诱导衰老中,Gm-
MIR160A 表达随衰老进程而逐渐增加,表明其为
衰老相关基因。GmMIR160的靶基因GmARFs是
生长素信号转导重要组分,外源生长素可在20min
内诱导GmMIR160A 的表达,表明GmMIR160A
是生长素的快速响应基因。进一步分析靶基因
GmARFs 的 时 空 表 达 模 式 将 有 助 于 理 解
GmMIR160在叶片发育中的调节功能,这部分工作
目前正在进行中。
大豆营养生长期(V)第一复叶展开20~28d,
叶绿素含量和最大光量子效率都明显下降,叶片衰
老基因表达上调,表明叶片衰老已经启动并进行;相
同时期GmMIR160A 过表达第一复叶的衰老明显
受到抑制,表现为叶绿素升高、最大光量子效率增强
且衰老标记基因GmCYSP1明显抑制,充分证明
Gma-miR160作为负调节因子直接参与了大豆叶
片衰老进程。此外,GmMIR160A 过表达直接导致
靶基因GmARF10/16/17的表达下调,表明大豆中
GmMIR160A 通过抑制靶基因的表达参与调控叶
片衰老的发育进程。
过表达GmMIR160A 延缓了叶片衰老且抑制
GmARFs的表达,可以想象敲减表达GmARFs的
转基因植株将会一定程度地抑制叶片的衰老,而抗
降解表达的转基因植株(mGmARFs)必将加速叶片
的衰老进程,相关实验正在进行中。
参考文献:
Aoyama T,Chua NH.1997.A glucocorticoid-mediated transcrip-
tional induction system in transgenic plants[J].Plant J,11(3):
09 广 西 植 物                  35卷
605-612
Buchanan-Wolaston V,Page T,Harrison E,et al.2005.Compara-
tive transcriptome analysis reveals significant differences in gene
expression and signaling pathways between developmental and
dark/starvation-induced senescence in Arabidopsis[J].Plant
J,42(4):567-585
Dharmasiri N,Estele M.2004.Auxin signaling and regulated pro-
tein degradation[J].Trends Plant Sci,9(6):302-308
Elis CM,Nagpal P,Young JC,et al.2005.Auxin Response
Factor1and Auxin Response Factor2regulate senescence and
floral organ abscission in Arabidopsis thaliana [J].
Development,132(2):4 563-4 574
Fehr,WR,Caviness,CE,Burmood DT,et al.1971.Stage of devel-
opment descriptions for soybeans,Glycine max(L.)Merril[J].
Crop Sci,11(6):929-931
Gan S,Amasino RM.1997.Making sense of senescence:molecular
genetic regulation and manipulation of leaf senescence[J].Plant
Physiol,113(2):313-319
Hou K,Wu W,Gan S.2013.SAUR36,a smal auxin up RNA
gene,is involved in promotion of leaf senescence in Arabidopsis
[J].Plant Physiol,161(2):1 002-1 009
Kim HJ,Ryu H,Hong SH,et al.2006.Cytokinin-mediated control
of leaf longevity by AHK3through phosphorylation of ARR2in
Arabidopsis[J].Proc Natl Acad Sci,103(3):814-819
Kepinski S,Leyser O.2005.The Arabidopsis F-box protein TIRl
is an auxin receptor[J].Nature,435(7041):446-451
Kulcheski F,Marcelino-Guimaraes FC,Nepomuceno A,et al.2010.
The use of microRNAs as reference genes for quantitative poly-
merase chain reaction in soybean[J].Analyt Biochem,406(2):
185-192
Li Z,Peng J,Wen X,et al.2013.Ethylene-insensitive3is a senes-
cence-associated gene that accelerates age-dependent leaf senes-
cence by directly repressing miR164 transcription in
Arabidopsis[J].Plant Cell,25(9):3 311-28
Li XP,Gan R,Li PL,et al.2006.Identification and functional
characterization of a leucine-rich repeat receptor-like kinase gene
that is involved in regulation of soybean leaf senescence[J].
Plant Mol Biol,61(6):829-844
Lim PO,Lee IC,Kim J,et al.2010.Auxin response factor 2
(ARF2)plays a major role in regulating auxin-mediated leaf
longevity[J].J Exp Bot,61(5):1 419-1 430
Leyser O.2006.Dynamic integration of auxin transport and signa-
ling[J].Current Biol,16(11):424-433
Liu PP,Montgomery TA,Fahlgren N,et al.2007.Repression of
Auxin Response Factor10by microRNA160is critical for seed
germination and post-germination stages[J].Plant J,52(1):
133-146
Laufs P,Peaucele A,Morin H,et al.2004.MicroRNA regulation
of the CUCgenes is required for boundary size control in Arabi-
dopsis meristems[J].Development,131(17):4 311-4 322
Malory AC,Barrel DP,Bartel B.2005.MicroRNA-directed regula-
tion of Arabidopsis Auxin Response Factorl7is essential for
proper development and modulates expression of early auxin re-
sponse genes[J].Plant Cell,17(5):1 360-1 375
Nodine MD,Bartel DP.2010.MicroRNAs prevent precocious gene
expression and enable pattern formation during plant embryo-
genesis[J].Genes &Dev,24(23):2 678-2 692
Paz MM,Shou HX,Guo ZB,et al.2004.Assessment of conditions
affecting Agrobacterium-mediated soybean transformation using
the cotyledonary node explant[J].Euphytica,136:167-179
Paz MM,Martinez JC,Kalvig AB,et al.2006.Improved cotyledon-
ary node method using an alternative explant derived from
mature seed for efficient Agrobacterium-mediated soybean
transformation[J].Plant Cell Rep,25(3):206-213
Reed JW.2001.Roles and activities of Aux/IAA proteins in Ara-
bidopsis[J].Trends Plant Sci,6(9):420-425
Sunkar R,Chinnusamy V,Zhu JH,et al.2007.Smal RNAs as big
players in plant abiotic stress responses and nutrient deprivation
[J].Trends Plant Sci,12(7):301-309
Schmutz J,Cannon B,Schlueter J.2010.Genome sequence of the
palaeopolyploid soybean[J].Nature,463(7 278):178-183
Tiwari SB,Wang XJ,Hagen G,et al.2001.Aux/IAA proteins are
active repressors and their stability and activity are modulated by
auxin[J].Plant Cell,13(12):2 809-2 822
Tan X,Calderon-Vilalobos LI,Sharon M,et al.2007.Mechanism
of auxin perception by the TIR1ubiquitin ligase[J].Nature,
446(7 136):640-645
Van der Graaff E,Schwacke R,Schneider A,et al.2006.Tran-
scription analysis of arabidopsis membrane transporters and
hormone pathways during developmental and induced leaf senes-
cence[J].Plant Physiol,141(2),776-792
Voinnet O.2009.Origine,biogenesis,and activity of plant microR-
NAs[J].Cell,136(4):669-687
Wang JW,Wang LJ,Mao YB,et al.2005.Control of root cap for-
mation by microRNA-targeted auxin response factors in Arabi-
dopsis[J].Plant Cell,17(8):2 204-2 216
Wingler A,Mare SM,Pourtau N.2004.Spatial patterns and meta-
bolic regulation of photosynthetic parameters during leaf senes-
cence[J].New Phytol,161:781-789
Wingler A,Brownhil E,Pourtau N.2005.Mechanisms of the
light-dependent induction of cel death in tobacco plants with de-
layed senescence[J].J Exp Bot,56(421):2 897-2 905
Xiao S,Dai LY,Liu FQ,et al.2004.COS1:An Arabidopsis coro-
natine insensitive1suppressor essential for regulation of jas-
monate-mediated plant senescence and defense[J].Plant Cell,
16(5):1 132-1 142
Yang X,Lee S,So JH,et al.2004.IAA1protein encoded by AXR5
and is substrate of SCFTRIl[J].Plant J,40(5):772-782
191期     李小平等:大豆microRNA基因GmMIR160A 负调控植物叶片衰老进程