羽衣甘藍(lán)紅色系葉片形成相關(guān)microRNAs的鑒定及分析

張新鵬 徐宗大 劉林馨 夏甜甜 李曉艷*

(1.山東建筑大學(xué) 風(fēng)景園林科學(xué)研究中心，濟(jì)南 250101； 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山東 泰安 271018； 3.山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，濟(jì)南 250101)

羽衣甘藍(lán)(

Brassica

oleracea

var.

acephala

)為十字花科蕓薹屬食用甘藍(lán)的園藝變種，為二年生草本觀葉植物。羽衣甘藍(lán)葉片，特別是其心葉的葉色表型艷麗多彩，株形如牡丹盛開的花朵，業(yè)界對(duì)其有“葉牡丹”的美譽(yù)”。同時(shí)羽衣甘藍(lán)耐寒性極強(qiáng)，觀賞期較長(zhǎng)，對(duì)我國(guó)北方地區(qū)景觀單調(diào)和少花的冬季而言，該植物對(duì)園林景觀綠化和美化的意義重大。羽衣甘藍(lán)心葉具體有純白、乳白、淡黃、淺粉、粉紅、玫紅和紫紅等類型，其中當(dāng)屬紅色系葉片觀賞色彩最為突出，而且其花青苷含量相對(duì)最高，對(duì)人具有很好的保健功能。因此，探索和揭示紅色系葉片形成的調(diào)控機(jī)理，對(duì)于培育色彩突出且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值含量高的羽衣甘藍(lán)新品種具有重要意義。在許多園林植物中，葉色是其非常重要的觀賞性狀之一。對(duì)色彩鮮艷的葉片(如紅色和紫色等)而言，在生理層面，花青苷往往是呈色的關(guān)鍵花色素。先前許多研究表明花青苷合成結(jié)構(gòu)基因的差異表達(dá)通常是影響植物花青苷的差異積累最直接的因素，而這些結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)模式和強(qiáng)度往往會(huì)受到其上游轉(zhuǎn)錄因子在不同時(shí)空上的調(diào)控。另外，在轉(zhuǎn)錄后水平上，microRNA(miRNA)也是植物中一類非常重要的基因表達(dá)調(diào)控因子，它是一類長(zhǎng)度約21～24 nt的非編碼單鏈小分子RNA。近年來大量研究發(fā)現(xiàn)，許多miRNAs(如miR156、miR828和miR858等)可通過靶向某些與花青苷生物合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子(如

MYB

和

SPL

等)并抑制其表達(dá)，進(jìn)而影響下游花青苷合成關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)水平，并最終調(diào)控植物組織中花青苷的合成和積累。

近年來，在許多植物中高通量測(cè)序技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于鑒定花青苷生物合成相關(guān)的重要miRNAs，如美人蕉、芍藥、蝴蝶蘭、牡丹和茶樹等。然而，對(duì)于羽衣甘藍(lán)而言，目前尚無有關(guān)葉色形成相關(guān)miRNA的報(bào)道。為了探索羽衣甘藍(lán)紅色系葉片中在轉(zhuǎn)錄后水平miRNAs對(duì)花青苷的調(diào)控機(jī)制，本研究以白色系葉片作為對(duì)比試材，以紅色系的羽衣甘藍(lán)葉片作為主要研究試材，基于高通量測(cè)序分析，以期篩選到紅色系葉片與花青苷合成相關(guān)的關(guān)鍵miRNAs，為今后在miRNA-mRNA層面系統(tǒng)探索羽衣甘藍(lán)葉色的分子調(diào)控機(jī)制提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

紅色系和白色系的羽衣甘藍(lán)品種‘紫鴿’‘白鴿’材料于2020年種植于山東建筑大學(xué)風(fēng)景園林實(shí)訓(xùn)基地室外試驗(yàn)田的同一區(qū)域，日常培養(yǎng)和外界環(huán)境條件均保持一致。在經(jīng)冬季低溫葉片轉(zhuǎn)色后的觀賞期，采集這2個(gè)品種的心部(紫紅色和白色)葉片，并去掉略帶綠色的邊緣區(qū)域，分別用編號(hào)Bo-P表示紫紅色葉片，Bo-W表示白色葉片(圖1)。采集的上述組織材料，經(jīng)液氮速凍后保存于-80 ℃超低溫冰箱。

圖1 研究用紫紅色(Bo-P)和白色(Bo-W)葉片F(xiàn)ig.1 Purple-red (Bo-P) and white (Bo-W) leaves used in this study

1.2 RNA提取和小RNA測(cè)序

將紫紅色和白色葉片組織樣品在液氮冷凍下進(jìn)行研磨后，使用Trizol法提取總RNA，每種顏色葉片進(jìn)行3次生物學(xué)重復(fù)。檢測(cè)合格的RNA樣品再進(jìn)行進(jìn)一步的文庫構(gòu)建和小RNA測(cè)序。本研究構(gòu)建了6個(gè)小RNA(sRNA)文庫，紫紅色葉片的文庫分別命名為Bo-P1、Bo-P2和Bo-P3，白色葉片的分別命名為Bo-W1、Bo-W2和Bo-W3。文庫構(gòu)建和高通量測(cè)序均由生工生物工程(上海)股份有限公司完成。

1.3 miRNA的鑒定和靶基因預(yù)測(cè)

對(duì)小RNA測(cè)序得到的raw reads進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，得到高質(zhì)量的clean reads。對(duì)得到的clean reads與甘藍(lán)基因組(https:∥www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/?term=Brassica+oleracea)、miRbase(https:∥www.mirbase.org/)和Rfam(http:∥rfam.xfam.org/)等已知的sRNA數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，對(duì)sRNA分類注釋。其中，通過與miRbase 數(shù)據(jù)庫(版本號(hào)22.1)中登錄的已知植物的miRNA成熟體序列進(jìn)行比對(duì)，來鑒定羽衣甘藍(lán)葉片中的保守miRNAs(known miRNAs)。同時(shí)，基于miRNA的前體能夠形成發(fā)夾二級(jí)結(jié)構(gòu)，用miRdeep2軟件再對(duì)未注釋的clean reads進(jìn)行miRNA的預(yù)測(cè)，鑒定新miRNAs(novel miRNAs)。

以甘藍(lán)基因組序列作為參考序列，用TargetFinder軟件對(duì)羽衣甘藍(lán)葉片中鑒定出的保守和新的miRNA進(jìn)行靶基因的預(yù)測(cè)。

1.4 miRNA的差異表達(dá)分析

用R語言包DESeq2進(jìn)行miRNA的差異表達(dá)分析。本研究以白色葉片樣本作為對(duì)照，采用

P

value≤0.05和|log(Fold change)|≥1這2個(gè)閾值作為篩選紫紅色和白色葉片這2組樣本中差異表達(dá)miRNA的條件。同時(shí)，對(duì)差異表達(dá)miRNA預(yù)測(cè)的靶基因進(jìn)行GO和KEGG pathway富集分析。

1.5 候選miRNA的熒光定量(qRT-PCR)分析

利用TaKaRa公司的Mir-XmiRNA First-Strand Synthesis Kit反轉(zhuǎn)錄試劑盒對(duì)miRNA進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄，得到的cDNA用于候選miRNAs的進(jìn)一步定量。再利用TaKaRa 公司的TB GreenPremix Ex

Taq

II試劑盒，通過qRT-PCR法對(duì)候選miRNAs(miR828和miR858-3)在紫紅色和白色葉片中的差異表達(dá)情況進(jìn)行驗(yàn)證分析。其中，內(nèi)參基因?yàn)?p>U

6，每個(gè)樣品設(shè)置3次重復(fù)。以白色葉片的基因表達(dá)量為對(duì)照，通過2相對(duì)定量法計(jì)算miRNA的相對(duì)表達(dá)水平。引物合成由生工生物工程(上海)股份有限公司完成，引物的具體序列信息見表1。

表1 候選miRNA熒光定量PCR所用的引物序列
Table 1 Primer sequences of the candidate miRNAs used for qRT-PCR

miRNA名稱miRNA name上游引物(5'-3')Forward primer (5'-3')下游引物(5'-3')Reverse primer (5'-3')miR828ACACTCCAGCTGGGTCTTGCTTAAAT-GAGTGGTGTCGTGGAGTCGmiR858-3ACACTCCAGCTGGGTTCGTTGTCTGTTCTGGTGTCGTGGAGTCGU6TTGGAACGATACAGAGAAGATTAGCATTGGACCATTTCTCGATTTGTG

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)序數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估

本研究利用高通量測(cè)序法對(duì)紫紅色和白色葉片的6個(gè)小RNA文庫(Bo-P1、Bo-P2、Bo-P3、Bo-W1、Bo-W2和Bo-W3)進(jìn)行了測(cè)序，從紫紅色和白色葉片文庫獲得的原始數(shù)據(jù)量分別為61 388 537和52 363 761 條raw reads。通過去除包含poly-A、帶接頭和低質(zhì)量等reads，從紫紅色葉片文庫中最終獲得了35 183 047條Q20為97.42%的clean reads，從白色葉片文庫中獲得了33 023 141條Q20為97.49% 的clean reads(表2)。

對(duì)于sRNA的長(zhǎng)度分布，在紫紅色和白色葉片這2個(gè)文庫中，大多數(shù)sRNA的長(zhǎng)度分布區(qū)間均為21～24 nt。在Bo-P和Bo-W文庫中，長(zhǎng)度為24 nt的sRNA所占比例均為最高，分別為16.4%和17.6%，其他主要長(zhǎng)度所占比例的排序依次為21、22和23 nt(圖2)。

2.2 羽衣甘藍(lán)葉片中miRNA的鑒定及靶基因的預(yù)測(cè)

小RNA(sRNA)的組成種類比較多，通過將紫紅色和白色葉片這2個(gè)文庫得到的clean reads分別與甘藍(lán)基因組和不同的sRNA數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，可以將miRNA、rRNA、tRNA、snRNA和snoRNA等分類注釋出來。結(jié)果顯示，在Bo-P(圖3(a))和Bo-W(圖3(b))這2個(gè)文庫中分別有2.48%和1.99% 的clean reads比對(duì)到miRNA上。經(jīng)進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析，在這6個(gè)sRNA文庫中共鑒定出1 027個(gè)保守miRNAs(known miRNAs)。在Bo-P和Bo-W文庫中分別鑒定出799和835個(gè)known miRNAs，其中這2個(gè)文庫中的大多數(shù)known miRNAs(607個(gè))都是相同的，另外Bo-P和Bo-W文庫分別各有192和228個(gè)不同的known miRNAs。初步推測(cè)紫紅色或白色葉片中這些不同的known miRNAs可能與羽衣甘藍(lán)葉色的形成有一定的關(guān)聯(lián)。

表2 6個(gè)小RNA文庫測(cè)序數(shù)據(jù)
Table 2 Sequencing data of small RNAs (sRNAs) in the six libraries

樣品名稱Sample name過濾后的readsClean readsQ20值/%Q20 valueGC含量/%GC content平均長(zhǎng)度/bpAverage lengthBo-P111 610 46097.5544.2222.30Bo-P211 980 71797.1943.9922.63Bo-P311 591 87097.5144.0822.64Bo-W111 443 05897.4343.5723.00Bo-W210 014 61697.4843.6122.97Bo-W311 565 46797.5743.7822.95Bo-P總計(jì) Bo-P summary35 183 04797.4244.1022.52Bo-W總計(jì) Bo-W summary33 023 14197.4943.6522.97

圖2 sRNA在紫紅色葉片(a)和白色葉片(b)中的長(zhǎng)度分布Fig.2 Length distribution of sRNA in Bo-P leaf (a) and Bo-W leaf (b)

對(duì)于那些與已知sRNA數(shù)據(jù)庫未比對(duì)上的clean reads，對(duì)其進(jìn)行了新miRNA(novel miRNA)的預(yù)測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這6個(gè)sRNA文庫中共鑒定出100個(gè)novel miRNAs。其中，在Bo-P和Bo-W文庫中分別鑒定出100和99個(gè)novel miRNAs。另外，對(duì)于在紫紅色和白色葉片的6個(gè)sRNA文庫中鑒定出的known miRNAs和novel miRNAs，通過分析發(fā)現(xiàn)它們分別有892和86個(gè)miRNAs存在靶基因，其相應(yīng)的靶基因個(gè)數(shù)為8 428和1 923個(gè)。

括號(hào)內(nèi)的數(shù)字和百分號(hào)數(shù)字分別代表該項(xiàng)的reads數(shù)和其所占clean reads的比例。 The numbers and percentages in brackets represent the number of reads of this item and its proportion in clean reads, respectively.圖3 sRNA在紫紅色葉片(a)和白色葉片(b)中的分類注釋Fig.3 Classification of sRNA annotations in Bo-P leaf (a) and Bo-W leaf (b)

2.3 不同顏色葉片差異表達(dá)的miRNA分析

為了解影響羽衣甘藍(lán)紅色系葉片形成的關(guān)鍵miRNA，對(duì)紫紅色和白色葉片中鑒定出的miRNAs進(jìn)行了差異表達(dá)分析?；陂撝?p>P

value≤0.05和|log(Fold change)|≥1，在這2種顏色葉片中共鑒定出110個(gè)(屬于33個(gè)家族)差異表達(dá)的miRNAs(DEMs)，其中32個(gè)在紫紅色葉片中表達(dá)上調(diào)，78個(gè)在紫紅色葉片中表達(dá)下調(diào)(圖4)。

2.4 差異表達(dá)miRNA靶基因的功能富集分析

為了更好地明確紫紅色和白色葉片中這些靶基因行使的主要生物學(xué)功能，對(duì)其進(jìn)行了GO和KEGG功能富集分析。GO功能顯著富集(矯正后的

P

value≤0.05)分析結(jié)果(圖5)顯示，對(duì)于生物學(xué)過程類別而言，富集主要集中于轉(zhuǎn)錄(Transcription)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控(Regulation of transcription)這2個(gè)子類別。對(duì)于細(xì)胞成分類別而言，富集主要集中于CCAAT結(jié)合位點(diǎn)復(fù)合體(CCAAT-binding factor complex)和細(xì)胞核(Nucleus)這2個(gè)子類別。在分子功能這1大類中，富集主要集中于轉(zhuǎn)錄因子活性及序列特異性DNA結(jié)合(Transcription factor activity, sequence-specific DNA binding)和DNA結(jié)合(DNA binding)這2個(gè)子類別。

對(duì)差異表達(dá)miRNA的靶基因也進(jìn)行了KEGG pathway富集分析，結(jié)果顯示這些差異表達(dá)miRNA的靶基因主要在植物MAPK信號(hào)通路(MAPK signaling pathway-plant)、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(Plant hormone signal transduction)和類黃酮合成(Flavonoid biosynthesis)等通路富集(圖6)。

圖4 差異表達(dá)miRNAs的火山圖Fig.4 Volcanic map of differentially expressed miRNAs

圖5 差異表達(dá)miRNAs的靶基因的GO功能富集Fig.5 GO functional enrichment of target genes of differentially expressed miRNAs

圖6 差異表達(dá)miRNA的靶基因的KEGG pathway富集Fig.6 KEGG pathway enrichment of target genes of differentially expressed miRNAs (DEMs)

2.5 羽衣甘藍(lán)紅色系葉片形成相關(guān)的差異表達(dá)miRNA

在這110個(gè)差異表達(dá)miRNAs中，基于靶基因的功能注釋和前人花青苷合成相關(guān)miRNA的研究，篩選出了2個(gè)可能與羽衣甘藍(lán)紅色系葉片形成相關(guān)的重要miRNAs(miR828和miR858-3)。其中，miR828的靶基因?yàn)閄M_013735358.1 [R2R3-MYB: Transcription factor MYB114-like]。miR858-3的靶基因包括XM_013758669.1 [Transcription factor MYB12-like]和XM_013763976.1 [R2R3-MYB: Transcription factor MYB86-like]。小RNA測(cè)序結(jié)果顯示，與白色葉片相比，miR828和miR858-3在紫紅色葉片中的表達(dá)均明顯上調(diào)(表3)。

表3 2個(gè)可能參與羽衣甘藍(lán)紅色系葉片形成的候選差異表達(dá)miRNAs的表達(dá)水平
Table 3 Expression levels of two candidate differentially expressed miRNAs possibly involved in formation of red-color leaf in var.

miRNA名稱miRNA namelog2(Bo-P/Bo-W)靶基因Target gene注釋AnnotationmiR8286.06XM_013735358.1Transcription factor MYB114-likemiR858-31.85XM_013758669.1Transcription factor MYB12-likeXM_013763976.1Transcription factor MYB86-like

本研究進(jìn)一步采用qRT-PCR的方法對(duì)這2個(gè)候選重要miRNAs的表達(dá)模式進(jìn)行了驗(yàn)證分析。結(jié)果顯示，它們均與小RNA測(cè)序的結(jié)果呈現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，其中高通量測(cè)序和qRT-PCR這2次結(jié)果顯示miR828在紫紅色葉片中的表達(dá)量分別為白色葉片中的66.7倍和44.4倍(圖7)。

不同字母代表在0.05水平上存在顯著性差異。 Different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level. 圖7 2個(gè)候選差異表達(dá)miRNAs的定量分析Fig.7 qRT-PCR analysis of 2 candidate differentially expressed miRNAs

3 討論與結(jié)論

羽衣甘藍(lán)紅色系內(nèi)葉的色彩表型極為突出，該色系的葉片富含花青素且可食用，這使其在一定程度上兼具觀賞、營(yíng)養(yǎng)和商業(yè)價(jià)值。因此，探索其紅色系葉片形成的機(jī)理具有重要意義。對(duì)于羽衣甘藍(lán)紅色系在生理層面的形成機(jī)理，前人研究發(fā)現(xiàn)花青苷，特別是矢車菊素類糖苷，是紅色系葉片呈色的關(guān)鍵花色素。羽衣甘藍(lán)紅色系葉片在分子層面的形成機(jī)理，目前多數(shù)研究主要集中在mRNA(結(jié)構(gòu)基因和轉(zhuǎn)錄因子)層面。對(duì)花青苷合成相關(guān)結(jié)構(gòu)基因而言，研究發(fā)現(xiàn)

BoDFR

應(yīng)該是羽衣甘藍(lán)紅色系葉片形成的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基因。任杰通過對(duì)

DFR

啟動(dòng)子區(qū)域序列分析發(fā)現(xiàn)，該基因上存在花青苷合成相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子MYB的結(jié)合位點(diǎn)。對(duì)花青苷合成相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子而言，研究發(fā)現(xiàn)MYB類轉(zhuǎn)錄因子(如BoMYB2、BoMYB1、BoPAP1和BoMYBL2.1)可能對(duì)羽衣甘藍(lán)紅色系葉片中的花青苷積累起著重要的調(diào)控作用。但在轉(zhuǎn)錄后水平上，特別是miRNA層面目前尚未見報(bào)道，本研究首次報(bào)道了羽衣甘藍(lán)紅色系葉片中與葉色調(diào)控相關(guān)的miRNAs。

近年來在植物花青苷生物合成領(lǐng)域(包括葉色、花色和果色等)，miRNAs作為在轉(zhuǎn)錄后層面重要的基因調(diào)控者，引起了眾多研究者的關(guān)注。本研究分別構(gòu)建了‘紫鴿’和‘白鴿’羽衣甘藍(lán)品種紅色和白色系葉片的小RNA文庫，并進(jìn)行了高通量測(cè)序和相關(guān)分析。在這2種顏色葉片的文庫中，均顯示21～24 nt長(zhǎng)度的sRNAs占多數(shù)，而24 nt的sRNA比例最高。這一結(jié)果與枸杞、甘薯和茶樹等的研究結(jié)果一致，而與大麗花、芍藥和牡丹等的報(bào)道不同，這表明在不同植物中sRNA的生物合成途徑可能存在一些差異。

本研究在紫紅色和白色葉片文庫中共鑒定了110個(gè)顯著差異表達(dá)的miRNAs，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了靶基因的預(yù)測(cè)及功能分類?；谇叭嘶ㄇ嘬蘸铣上嚓P(guān)miRNAs的研究和對(duì)相應(yīng)靶基因的進(jìn)一步分析，本研究在Bo-P和Bo-W 文庫中共篩選到2個(gè)與花青苷合成相關(guān)的DEMs(miR828和miR858-3)，并發(fā)現(xiàn)它們的靶基因中均有R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子(XM_013735358.1和XM_013763976.1)。對(duì)MYB類轉(zhuǎn)錄因子家族而言，許多研究已表明其參與調(diào)控花青苷生物合成的亞族多為R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子。

對(duì)于miR828和miR858這2個(gè)家族的一些miRNAs，前人許多研究也已表明它們均可以通過調(diào)控其靶基因R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，進(jìn)而最終影響花青苷的生物合成和積累。本研究的qRT-PCR分析結(jié)果顯示，miR828和miR858-3的表達(dá)趨勢(shì)與高通量測(cè)序結(jié)果基本一致。同時(shí)這2個(gè)結(jié)果均顯示，miR828在紫紅色和白色葉片中的差異高達(dá)44倍以上。

因此，本研究認(rèn)為miR828和miR858-3(特別是miR828)應(yīng)該是轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)控羽衣甘藍(lán)紅色系葉片形成的關(guān)鍵miRNAs。該結(jié)果將有助于人們進(jìn)一步理解miRNAs在羽衣甘藍(lán)葉色形成中潛在的功能角色，以期為今后深入揭示羽衣甘藍(lán)紅色系葉片形成的分子機(jī)理提供一定程度的理論參考。