植物miR398家族的分子特征与进化分析

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb20191100810

摘要/Abstract

摘要：

miR398家族是植物界中一类保守的miRNA家族,本文旨在探究植物miR398家族成员的分子特征,阐释其系统进化规律。以数据库公布的植物miR398成熟体、前体及靶标序列为供试数据,用统计学和生物信息学法分析其分子特征与进化规律。miR398家族成员在34个植物物种中分布广泛,其成熟体长度、核苷酸种类、前体茎环结构及对靶基因抑制类型均符合典型的植物miRNA分子特征。不同植物间miR398成熟体保守性高于前体,前体茎部保守性高于环部。同一物种间的miR398家族成员具有不同的进化速率,少数物种间的miR398家族具有协同进化特征。靶基因功能预测结果显示,miR398家族成员多以切割抑制的方式参与植物的逆境胁迫响应。植物miR398家族兼具保守性与多态性特征,不同植物间的miR398家族成员具有多样的进化模式。研究结果为miR398介导的植物逆境胁迫响应机制探究奠定理论基础。

关键词: miR398家族, 分子特征, 系统进化, 靶标, 协同进化

Abstract:

miR398 family is a class of conserved miRNA family in plants. This paper aims to explore the molecular characteristics of plant miR398 family members and interpret their phylogenetic patterns. The matures, precursors and targeted sequences of miR398 family in plants reported in the database were used as the test data. Their molecular characteristics and phylogenetic patterns were analyzed by statistical and bioinformatics methods. MiR398 family members are widely distributed among 34 plant species, and their matures length, nucleotides types, precursors structures, and targeted genes inhibition types are all conformed to typical plant miRNA molecular characteristics. Moreover, the sequences of miR398 matures are more conservative than the precursors, and their stem structures are more conservative than the loop ones. It is found that the miR398 family members in the same plant species have different evolution rates. Additionally, miR398 family among a few plant species has coevolution characteristics. The functional prediction results of miR398 target genes show that miR398 family members are widely involved in plant stress response process via cleaving inhibition. The miR398 family in plants has conservative and polymorphic molecular characteristics, and the miR398 family in different plants has diverse evolutionary patterns. This study can provide certain theoretical references for exploring the mechanism of miR398-mediated stress response in plants.

Key words: miR398 family, molecular characteristic, phylogenetic evolution, targets, coevolution

中图分类号:

高帆, 何中石, 宋韡, 徐璐, 赵佳. 植物miR398家族的分子特征与进化分析[J]. 中国农学通报, 2020, 36(11): 33-42.

Gao Fan, He Zhongshi, Song Wei, Xu Lu, Zhao Jia. miR398 Family in Plants: Molecular Characteristics and Evolution Analysis[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2020, 36(11): 33-42.

图/表 8

参考文献 34

[1]	Su C, Yang X Z, Gao S Q , et al. Identification and characterization of a subset of microRNAs in wheat (Triticum aestivum L)[J]. Genomics, 2014,103:298-307. doi: 10.1016/j.ygeno.2014.03.002 URL
[2]	Suthanthiran M, Muthukumar T . MicroRNAs and transplantation[J]. Clinics in laboratory medicine, 2019,39:125-143. doi: 10.1016/j.cll.2018.10.003 URL pmid: 30709501
[3]	夏民旋, 王维, 袁瑞 , 等. 超氧化物歧化酶与植物抗逆性[J]. 分子植物育种, 2015,13(11):2633-2646.
[4]	Jovanović Z, Stanisavljević N, Mikić A , et al. Water deficit down-regulates miR398 and miR408 in pea (Pisum sativum L.)[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2014,83:26-31. doi: 10.1016/j.plaphy.2014.07.008 URL
[5]	Guan Q, Lu X, Zeng H , et al. Heat stress induction of miR398 triggers a regulatory loop that is critical for thermotolerance in Arabidopsis[J]. Plant Journal, 2013,5:840-851. doi: 10.1111/tpj.12169 URL pmid: 23480361
[6]	Chen Y, Jiang J, Song A , et al. Ambient temperature enhanced freezing tolerance of Chrysanthemum dichrum CdICE1 Arabidopsis via miR398[J]. BMC Biology, 2013,11:121. doi: 10.1186/1741-7007-11-121 URL pmid: 24350981
[7]	Bai Q, Wang X, Chen X , et al. Wheat miRNA TaemiR408 acts as an essential mediator in plant tolerance to Pi deprivation and salt stress via modulating stress-associated physiological processes[J]. Front Plant Sci., 2018,9:499. doi: 10.3389/fpls.2018.00499 URL pmid: 29720988
[8]	Dugas D V, Barte B . Sucrose induction of Arabidopsis miR398 represses two Cu/Zn superoxide dismutases[J]. Plant Molecular Biology, 2008,4:403-417. doi: 10.1007/s11103-008-9329-1 URL
[9]	刘炜婳, 倪珊珊, 林争春 , 等. 植物miR408家族的进化与分子特性[J]. 应用与环境生物学报, 2017,23(6):1042-1051.
[10]	Li Y, Cao X L, Zhu Y , et al. Osa-miR398b boosts H₂O₂ production and rice blast disease-resistance via multiple superoxide dismutases[J]. New Phytol., 2019,222(3):1507-1522. doi: 10.1111/nph.15678 URL pmid: 30632163
[11]	Zhu C, Ding Y F, Liu H L , et al. MiR398 and plant stress responses[J]. Physiologia Plantarum, 2011,1:1-9. doi: 10.1111/j.1399-3054.2011.01467.x URL
[12]	Xie F L, Huang S Q, Guo K , et al. Computational identification of novel microRNAs and targets in Brassica napus[J]. FEBS Lett., 2007,581:1464-1474. doi: 10.1016/j.febslet.2007.02.074 URL pmid: 17367786
[13]	Jia X, Wang W X, Ren L , et al. Differential and dynamic regulation of miR398 in response to ABA and salt stress in Populus tremula and Arabidopsis thaliana[J]. Plant Mol. Biol., 2009,71(1-2):51-59. doi: 10.1007/s11103-009-9508-8 URL
[14]	秦耀旭, 张关元, 刘司奇 , 等. 植物重金属胁迫相关miRNA的研究进展[J]. 分子植物育种, 2019,17(9):2855-2861.
[15]	Griffiths Jones S, Saini H K, van Dongen S , et al. miRBase: tools for microRNA genomics[D]. Nucleic. Acids Res., 2007,36:D154-D158. doi: 10.1093/nar/gkm952 URL pmid: 17991681
[16]	Dai X, Zhuang Z, Zhao P X . psRNATarget: a plant small RNA target analysis server (2017 release)[W]. Nucleic Acids Res., 2018,46(W1):W49-W54. doi: 10.1093/nar/gky316 URL pmid: 29718424
[17]	Thompson J D, Higgins D G, Gibson T J . CLUSTAL W: improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, position-specific gap penalties and weight matrix choice[J]. Nucleic Acid Res., 1994,22:4673-4680. doi: 10.1093/nar/22.22.4673 URL pmid: 7984417
[18]	Nicholas H B, Jr McClain W H . Searching tRNA sequences for relatedness to aminoacyl-tRNA synjournal families[J]. J. Mol. Evol., 1995,40:482-486. doi: 10.1007/bf00166616 URL pmid: 7783223
[19]	Golabi F, Shamsi M, Sedaaghi M H , et al. Development of a new sequential block finding strategy for detection of conserved sequences in riboswitches[J]. Bioimpacts., 2018,8(1):13-22. doi: 10.15171/bi.2018.03 URL pmid: 29713598
[20]	Yu Y, Nakhleh L . A maximum pseudo-likelihood approach for phylogenetic networks[J]. BMC Genomics., 2015,10:S10. doi: 10.1186/1471-2164-16-S10-S10 URL pmid: 26450642
[21]	Barik S, Kumar A, Das S S , et al. Coevolution pattern and functional conservation or divergence of miR167s and their targets across diverse plant species[J]. Scientific Reports, 2015,5:2045-2322.
[22]	丁艳菲, 王光钺, 傅亚萍 , 等. miR398在植物逆境胁迫应答中的作用[J]. 遗传, 2010,32(2):129-134.
[23]	倪燕婕, 卢存福 . 林木microRNA及其在遗传育种的应用研究进展[J]. 中国农学通报, 2014,30(22):1-7.
[24]	薛巨坤, 王博, 王莲萍 , 等. 与植物抗逆相关的miR-398-3p基因家族进化分析及靶基因预测[J]. 湖北农业科学, 2019,58(14):141-147.
[25]	梅琳, 徐庆华, 冯明芳 , 等. 冬小麦miR398前体的克隆及其在低温条件下对靶基因CSDl表达的调控[J]. 麦类作物学报, 2016,36(11):1419-1425.
[26]	索志立 . 互叶梅科系统位置评述[J]. 西北植物学报, 2004,24(12):2381-2384.
[27]	Gao F, Nan F, Feng J , et al. Identification of conserved and novel microRNAs in Porphyridium purpureum via deep sequencing and bioinformatics[J]. BMC Genomics, 2016,17:612. doi: 10.1186/s12864-016-2985-7 URL pmid: 27516065
[28]	魏强, 梁永宏, 李广林 . 植物miRNA的进化[J]. 遗传, 2013,35(3):315-323.
[29]	王海波, 王莎莎, 龚明 . 植物miRNA的分子特征及其在逆境中的响应机制[J]. 基因组学与应用生物学, 2013,32(1):121-126.
[30]	刘运华, 刘灶长, 罗利军 . 植物miRNA及其在植物发育进程和环境胁迫响应中的潜在功能[J]. 植物生理学通讯, 2007,43(5):987-999.
[31]	赵旭耀, 陈斯云, 赵磊 , 等. MIR166基因家族在陆生植物中的进化模式分析[J]. 植物分类与资源学报, 2014,36(3):331-341.
[32]	刘志祥, 曾超, 谭晓风 . 杨树MIRl69基因家族分子进化分析[J]. 遗传, 2013,35(11):1307-1316.
[33]	Luo J, Wang Y, Yuan J , et al. MicroRNA duplication accelerates the recruitment of new targets during vertebrate evolution[J]. RNA. 2018,24(6):787-802. doi: 10.1261/rna.062752.117 URL pmid: 29511046
[34]	沈亚欧, 林海建, 张志明 , 等. 植物逆境miRNA研究进展[J]. 遗传, 2009,31(3):227-223.

科	属	物种	miR398名称	5’端miR398数量	3’端miR398数量	鉴定数量
十字花科	鼠耳芥属	拟南芥	ath-miR398	3	3	4（实验鉴定）
禾本科	稻属	水稻	osa-miR398	2	0	2（同源鉴定）
豆科	大豆属	大豆	gma-miR398	4	0	2（同源鉴定）,2（实验鉴定）
杨柳科	杨属	毛果杨	ptc-miR398	3	1	2（同源鉴定）,2（实验鉴定）
豆科	苜蓿属	蒺藜苜蓿	mtr-miR398	3	1	2（同源鉴定）,2（实验鉴定）
火炬松	松科	松属	pta-miR398	1	0	1（同源鉴定）
葡萄	葡萄科	葡萄属	vvi-miR398	3	0	3（实验鉴定）
荠菜	十字花科	荠属	bol-miR398	1	1	2（同源鉴定）
蓝花耧斗菜	毛茛科	耧斗菜属	aqc-miR398	2	0	0
玉米	禾本科	玉蜀黍属	zma-miR398	2	2	4（实验鉴定）
高粱	禾本科	高粱属	sbi-miR398	1	0	0
甜橙	芸香科	柑橘属	csi-miR398	1	0	1（实验鉴定）
篦麻	大戟科	篦麻属	rco-miR398	2	0	2（实验鉴定）
雷蒙德氏棉	锦葵科	棉属	gra-miR398	1	0	1（实验鉴定）
陆地棉	锦葵科	棉属	ghr-miR398	1	0	1（实验鉴定）
琴叶拟南芥	十字花科	荠属	aly-miR398	3	3	6（实验鉴定）
小麦	禾本科	小麦属	tae-miR398	1	0	0
可可	梧桐科	可可属	tcc-miR398	2	0	0
二穗短柄草	禾本科	短柄草属	bdi-miR398	2	0	0
丹参	唇形科	鼠尾草属	ssl-miR398	1	0	1（实验鉴定）
刺苞菜蓟	菊科	菜蓟属	cca-miR398	1	0	1（实验鉴定）
亚麻	亚麻科	亚麻属	lus-miR398	6	0	0
烟草	茄科	烟草属	nta-miR398	1	0	1（实验鉴定）
水蜜桃	蔷薇科	桃属	ppe-miR398	2	1	3（实验鉴定）
苹果	蔷薇科	苹果属	mdm-miR398	3	0	3（实验鉴定）
甜瓜	葫芦科	黄瓜属	cme-miR398	2	0	0
马铃薯	茄科	茄属	stu-miR398	2	2	4（实验鉴定）
番木瓜	番木瓜科	番木瓜属	cpa-miR398	1	0	1（实验鉴定）
互叶梅	互叶梅科	互叶梅属	atr-miR398	1	0	1（实验鉴定）
芜菁	十字花科	芸薹属	bra-miR398	1	1	2（实验鉴定）
节节麦	禾本科	山羊草属	ata-miR398	2	2	4（实验鉴定）
落花生	豆科	落花生属	ahy-miR398	2	0	2（实验鉴定）
橡胶树	大戟科	橡胶树属	hbr-miR398	1	0	1（实验鉴定）
紫球藻	紫球藻科	紫球藻属	ppu-miR398	1	0	1（同源鉴定）

科	属	物种	miR398名称	5’端miR398数量	3’端miR398数量	鉴定数量
十字花科	鼠耳芥属	拟南芥	ath-miR398	3	3	4（实验鉴定）
禾本科	稻属	水稻	osa-miR398	2	0	2（同源鉴定）
豆科	大豆属	大豆	gma-miR398	4	0	2（同源鉴定）,2（实验鉴定）
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玉米	禾本科	玉蜀黍属	zma-miR398	2	2	4（实验鉴定）
高粱	禾本科	高粱属	sbi-miR398	1	0	0
甜橙	芸香科	柑橘属	csi-miR398	1	0	1（实验鉴定）
篦麻	大戟科	篦麻属	rco-miR398	2	0	2（实验鉴定）
雷蒙德氏棉	锦葵科	棉属	gra-miR398	1	0	1（实验鉴定）
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小麦	禾本科	小麦属	tae-miR398	1	0	0
可可	梧桐科	可可属	tcc-miR398	2	0	0
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亚麻	亚麻科	亚麻属	lus-miR398	6	0	0
烟草	茄科	烟草属	nta-miR398	1	0	1（实验鉴定）
水蜜桃	蔷薇科	桃属	ppe-miR398	2	1	3（实验鉴定）
苹果	蔷薇科	苹果属	mdm-miR398	3	0	3（实验鉴定）
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miR398前体	miR398成熟体	miR398靶标
ath-MIR398a	ath-miR398a-3p	chr2_1038001_1041400_REVERSE
		chr5_4692001_4695400_REVERSE
		chr5_4689001_4692400_REVERSE
		AT5G14550.1
		TC401452
		TC363181
		chr2_1041001_1044400_REVERSE
ath-MIR398b	ath-miR398b-3p	chr5_4692001_4695400_REVERSE
		chr5_4689001_4692400_REVERSE
		AT5G14550.1
		TC401452
		TC363181
		chr2_1041001_1044400_REVERSE
	ath-miR398b-5p	chr5_4692001_4695400_REVERSE
		chr5_4689001_4692400_REVERSE
		AT5G14550.1
		TC401452
		TC363181
ath-MIR398c	ath-miR398c-3p	chr2_1038001_1041400_REVERSE
		chr5_4692001_4695400_REVERSE
		chr5_4689001_4692400_REVERSE
		AT5G14550.1
		TC401452
		TC363181
		chr2_1041001_1044400_REVERSE
	ath-miR398c-5p	chr5_4692001_4695400_REVERSE
		chr5_4689001_4692400_REVERSE
		AT5G14550.1
		TC401452
		TC363181
ppe-MIR398a	ppe-miR398a-3p	Prupe.4G263200.1
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miR398前体	miR398成熟体	miR398靶标
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