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Identification and integrated analysis of glyphosate stress-responsive microRNAs, lncRNAs, and mRNAs in rice using genome-wide high-throughput sequencing.
BMC Genomics · 2020 · 21:238 · PMID 32183693 · 등급6 세포·모델 세포실험 · 농업과 정책 > GM 작물 · 식물 · 직업
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초록 전문 번역 · gemma4:e4b
배경: 글리포세이트는 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 제초제이다. 따라서, 글리포세이트 내성 작물 품종 개발은 종자 회사와 연구자들의 연구 초점이 되고 있다. 글리포세이트 스트레스 반응 유전자들은 유전자 변형 작물 개발에 이용되어 왔으나, 현재까지는 벼의 글리포세이트 내성 연구에서 EPSPS 유전자만이 사용되었다. 따라서, 다른 글리포세이트 스트레스 반응 유전자를 확보하여 깨끗한 지적 재산권을 확보할 뿐만 아니라 비유전자 변형 글리포세이트 내성 벼 품종을 얻기 위해서도 글리포세이트 스트레스 반응 유전자에 대한 탐색을 강화하는 것이 필수적이고 중요하다. 본 연구는 미세RNA(miRNAs), 긴 비부호화 RNA(lncRNAs), 그리고 mRNA가 글리포세이트 처리 및 벼의 글리포세이트 스트레스 반응에 대해 보이는 잠재적인 조절 메커니즘을 규명하는 것을 목표로 한다. 결과: 비유전자 변형 글리포세이트 내성 저발생종 CA21 잎과 글리포세이트(GLY) 2 mg·ml⁻¹ 처리한 CA21 식물, 그리고 무처리 대조군(CK)의 잎을 고속 처리 시퀀싱 분석을 위해 수집하였다. GLY 샘플에서 CK 샘플과 비교하여 총 1197개의 차등 발현 유전자(DEGs), 131개의 차등 발현 전사체(DELs), 그리고 52개의 차등 발현 메틸화 부위(DEMs)가 확인되었다. 이들 유전자는 스트레스에 대한 식물 반응의 해독과 관련된 다양한 생물학적 과정에서 유의하게 풍부하였다. 총 59개 miRNA 패밀리로부터 385개의 알려진 miRNAs와 94개의 새로운 miRNAs가 확인되었다. 디그레도메 분석을 통해 32개의 표적 유전자가 동정되었으며, 이 중 하나는 squamosa 프로모터 결합 단백질 12(SPL12)가 osa-miR156a_L + 1의 표적으로 확인되었다. lncRNA-miRNA-mRNA 조절 네트워크는 osa-miR156a_L + 1, SPL12의 두 전사체(LOC_Os06g49010.3 및 LOC_Os06g49010.5), 그리고 13개의 lncRNAs(예: MSTRG.244.1 및 MSTRG.16577.1)로 구성되었다. 결론: 글리포세이트에 대한 반응으로 인해 벼의 코딩 및 비코딩 RNA에서 대규모 발현 변화가 관찰되었다. SPL12, osa-miR156, 그리고 lncRNAs(예: MSTRG.244.1 및 MSTRG.16577.1)는 전사 및 금속 이온 결합을 조절함으로써 벼에서 글리포세이트에 대한 새로운 ceRNA 메커니즘일 수 있다. 이러한 발견은 글리포세이트 내성 벼 품종 육종과 벼의 글리포세이트 내성 생합성에 대한 추가 연구를 위한 이론적 기반을 제공한다.
ORIGINAL ABSTRACT
BACKGROUND: Glyphosate has become the most widely used herbicide in the world. Therefore, the development of new varieties of glyphosate-tolerant crops is a research focus of seed companies and researchers. The glyphosate stress-responsive genes were used for the development of genetically modified crops, while only the EPSPS gene has been used currently in the study on glyphosate-tolerance in rice. Therefore, it is essential and crucial to intensify the exploration of glyphosate stress-responsive genes, to not only acquire other glyphosate stress-responsive genes with clean intellectual property rights but also obtain non-transgenic glyphosate-tolerant rice varieties. This study is expected to elucidate the responses of miRNAs, lncRNAs, and mRNAs to glyphosate applications and the potential regulatory mechanisms in response to glyphosate stress in rice. RESULTS: Leaves of the non-transgenic glyphosate-tolerant germplasm CA21 sprayed with 2 mg·ml- 1 glyphosate (GLY) and CA21 plants with no spray (CK) were collected for high-throughput sequencing analysis. A total of 1197 DEGs, 131 DELs, and 52 DEMs were identified in the GLY samples in relation to CK samples. Genes were significantly enriched for various biological processes involved in detoxification of plant response to stress. A total of 385 known miRNAs from 59 miRNA families and 94 novel miRNAs were identified. Degradome analysis led to the identification of 32 target genes, of which, the squamosa promoter-binding-like protein 12 (SPL12) was identified as a target of osa-miR156a_L + 1. The lncRNA-miRNA-mRNA regulatory network consisted of osa-miR156a_L + 1, two transcripts of SPL12 (LOC_Os06g49010.3 and LOC_Os06g49010.5), and 13 lncRNAs (e.g., MSTRG.244.1 and MSTRG.16577.1). CONCLUSION: Large-scale expression changes in coding and noncoding RNA were observed in rice mainly due to its response to glyphosate. SPL12, osa-miR156, and lncRNAs (e.g., MSTRG.244.1 and MSTRG.16577.1) could be a novel ceRNA mechanism in response to glyphosate in rice by regulating transcription and metal ions binding. These findings provide a theoretical basis for breeding glyphosate-tolerant rice varieties and for further research on the biogenesis of glyphosate- tolerance in rice.
저자Zhai, R.; Ye, S.; Zhu, G.; Lu, Y.; Ye, J.; Yu, F.; Chu, Q.; Zhang, X.
저널BMC genomics
권·호·쪽21(1), 238
PMID32183693
DOI10.1186/s12864-020-6637-6
MeSHCrops, Agricultural; Gene Expression Profiling; Gene Expression Regulation, Plant; Glycine; Herbicides; High-Throughput Nucleotide Sequencing; MicroRNAs; Oryza; RNA, Long Noncoding; RNA, Messenger; Stress, Physiological; Glyphosate
APA 7판
Zhai, R., Ye, S., Zhu, G., Lu, Y., Ye, J., Yu, F., Chu, Q., & Zhang, X. (2020). Identification and integrated analysis of glyphosate stress-responsive microRNAs, lncRNAs, and mRNAs in rice using genome-wide high-throughput sequencing. BMC Genomics, 21(1), 238. https://doi.org/10.1186/s12864-020-6637-6
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