拟南芥靶向MSH2的miRNAs鉴定 及其在镉胁迫下的功能研究

申报人:王申申 申报日期:2024-06-30

基本情况

2024
拟南芥靶向MSH2的miRNAs鉴定 及其在镉胁迫下的功能研究 盲选
创新训练项目
农学
植物生产类
学生自主选题
一年期
本研究利用miRNAs测序,生物信息学预测的方法筛选出靶向拟南芥MSH2基因的候选miRNAs;随后使用烟草双荧光素酶报告系统体外验证其靶向性;构建拟南芥miRNAs过表达和msh2-KO植株系,体内验证其靶向性。最后分析不同浓度镉胁迫下miRNAs的表达变化情况及MSH2基因的表达情况。相关研究结果可进一步明确重金属镉胁迫对植物DNA损伤修复的影响及毒理机制,为抗逆植物品种的选育奠定基础。
1.  黑龙江八一农垦大学学成人才引进项目,XYB202007,镉胁迫下miRNA调控MMR基因对拟南芥生长调控研究,2020/12/01-2023/12/01,20万元,主持人;
 2.  黑龙江省博士后面上项目,LBH-Z21196,盐碱胁迫下DNA甲基化调控大豆植株生长的作用机制研究,2021/12/1-2023,12/1,5万元,主持人;
 3.  黑龙江省自然科学基金项目,LH2023C078,外源褪黑素调控盐碱胁迫下大豆光合碳代谢的作用机制研,2023/06/01-2026/06/01,10万元,主持人;
 4.  国家重点研发计划“主要作物丰产增效科技创新工程”专项,东北耐盐碱大豆耐盐碱高产生育调控键技术,2023YFD2300103-03,2023/11/1-2027/11/1,100万元,主持人。
 5.  横向课题,和平牧场玉米、大豆高产栽培技术,2021/1/1-2022/1/1,15万元,主持人

本项目的指导教师拥有丰富的科研经验和深厚的专业知识。在项目的试验思路和试验设计方面提供了宝贵的指导,并在试验的关键节点提供战略性建议。同时,为本项目提供了必要的实验材料和设备支持,保证了试验的顺利开展,此外,还协助团队成员进行数据分析和结果解释,为团队成员提供撰写学术论文和申请专利的指导,极大地促进了项目成果的转化。

校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
王申申 农学院 农学 2022 统筹与组织
施梦媛 农学院 农学 2022 调研与数据收集
孙思然 农学院 农学 2022 撰写相关文献
黄家豪 农学院 农学 2022 项目组织协调,监督各环节进行
刘佳昕 农学院 农学 2022 调研与数据收集

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
赵强 农学院

立项依据

镉(Cd)是世界范围内公认的高毒、高持久、高富集的重金属元素[1]。由于其来源广泛(矿山开采污染、有色金属冶炼污染、农业生产污染、城市发展污染),已经成为我国农田土壤及水体中最主要的重金属污染物之一[2-3]。据2014年环境保护部和国土资源部联合公布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,全国Cd污染土壤的点位超标率达到7%Cd污染农田面积超过1.3万公顷,涉及11个省市的25个地区。目前,我国每年约有1200万吨粮食受土壤重金属污染,严重威胁我国的食品安全。

研究表明,Cd可导致生物体内产生多种形式的DNA损伤,从而对生物体产生细胞毒性和遗传毒性。在逆境胁迫下,植物从营养生长快速的转变为生殖生长,以保证后代的延续性。但大量的实验结果表明,逆境条件下收获种子的DNA基因稳定性未受到较大的影响,这可能是植物已经进化出复杂的DNA损伤修复机制以维持遗传信息的高度稳定性。其中,DNA MMR (Mismatch repair) 家族在Cd诱导的DNA损伤信号传导和损伤应答中起到了关键性的作用。

综上所述,本项目围绕DNA MMR家族中关键基因MSH2miRNA调控机制进行研究,明确拟南芥MSH2基因的靶向调控miRNAs,分析miRNAs靶向调控MSH2基因影响拟南芥Cd胁迫耐受性、Cd积累的作用机制,为深入阐明拟南芥的Cd胁迫响应调控网络、选育耐Cd、低Cd积累的作物品种提供理论依据。

主要研究内容

1)利用miRNAs测序和生物信息学预测的方法初步筛选靶向MSH2基因的候选miRNAs

2)利用双荧光素酶报告系统,在烟草中体外验证miRNAsMSH2基因的靶向关系;

3)构建拟南芥miRNAs过表达和msh2植株系,验证miRNAsMSH2基因的靶向关系;

4)在Cd胁迫下,分析野生型和突变型拟南芥miRNAs表达的变化,及对拟南芥胁迫响应功能的影响。

1. DNA MMR系统在Cd诱导的DNA损伤修复中的作用研究

Cd是植物生长的非必需金属元素,但是可以利用其他必需元素的二价金属离子(例如Zn2+Mn2+Fe2+Ca2+等)的膜蛋白转运体而被植物根系吸收[1]Cd可直接作用于DNA碱基对的氢键,导致植物产生各种可逆或不可逆的DNA损伤,如碱基不匹配、插入/删除环、DNA加合物、DNA链交联和断裂等[2-3]。并且,Cd胁迫可以诱导植物体内产生大量的活性氧,对DNARNA形成氧化修饰,间接导致DNA损伤[4-5]

DNA损伤信号能够被DNA损伤信号感受器,包括MutS、单链结合蛋白RPA Replication protein A)复合体和MRNMRE11-RAD50-NBS1)复合体,识别并传递,从而激活ATM/ ATR激酶,进而调控细胞周期阻滞、细胞内复制、细胞凋亡和DNA损伤修复等生物进程[6]。其中,由DNA MMR家族构成的MutS复合体(包括MutSαMutSβMutSγ)是Cd胁迫引起的DNA损伤信号的主要传感器[7-9]。其中MutSα(由MSH2MSH6蛋白构成)和MutSγ(由MSH2MSH7蛋白构成)主要负责识别DNA序列中1-2个碱基错配,而MutSβ(由MSH2MSH3蛋白构成)主要识别由2-12个碱基错配修复引起的插入/缺失环[9]。当DNA错配信息被识别后,MutLα(由MLH1PSM1蛋白构成)被招募,并与结合在DNA链上的MutSα /β /γ 形成临时复合体,并通过PCNARFC信号通路启动DNA MMR反应[10];同时MutLα- MutSα复合体还能够通过ATM/ ATR信号途径启动细胞周期检验点,调控细胞周期相关基因表达和细胞周期进程[8]。在拟南芥和大豆中,MSH2MSH6作为Cd诱导的DNA损伤信号的主要传感器,参与细胞周期的G2/M期阻滞 [8-9]DNA损伤信号引起的细胞周期阻滞,为DNA损伤的修复提供充足的时间,对维护生物体遗传信息的高保真性具有重要意义。另有研究表明,MutSα复合体中的MSH2可直接向ATR传递损伤信号,激活ATR-ATRIP途径[11-12]MSH2也可以招募DNA修复蛋白和MutLα复合体,并将损伤信号传递并激活ATM [13-14];活化后的ATM/ATR激活细胞周期检验点,并通过一系列的信号转导最终激活DNA损伤修复反应[15]

2. miRNAs在植物生长发育和逆境胁迫中的调控作用研究

miRNAs是真核生物体内普遍存在的、长度为18-25个核苷酸(nt)的内源性非编码单链小分子RNA,能够与靶基因mRNA上的一些序列进行特异性的结合,诱导靶基因mRNA被剪切或抑制其翻译,从而在转录后水平上调控靶基因的表达[16] 。大量的研究结果表明,miRNA作为一种基因表达的负调控因子,参与了植物生长发育、胁迫应答、激素分泌与信号转导等多种生理代谢过程,在植物的非生物胁迫响应,特别是重金属胁迫响应中发挥了重要作用。

最新的研究表明,miRNAs也是植物之间互作的信号物质。植物体内的miRNAs还可以通过韧皮部进行长距离运输,从而发挥信号作用[17]。并且,局部应激产生的miRNAs也能够通过韧皮部运输到达植物的其它组织,发挥基因调控表达的作用。植物分泌的miRNAs能够影响相邻植株的基因表达[18]。而且,研究证明,通过局部添加外源人工合成的miRNAsdouble-stranded RNAsdsRNAs)能够激活植物体内的RNAi机制,调控整株植物内靶基因的表达[19]

随着miRNA测序和降解组分析等高通量测序技术的发展和普及,越来越多的miRNAs和其靶基因被鉴定,其在生物生理代谢及逆境胁迫响应中的作用也逐渐的被明确。并且,在人类和动物医学等相关领域,miRNAs作为肿瘤等疾病分子标记物的作用也不断被开发[20-22]。尽管如此,植物中靶向MMR系统中关键基因的miRNAs的鉴定及其在Cd胁迫响应中的作用机制研究,在国内外报道尚少。

主要参考文献:

[1]      Wang, M, Duan, S, Zhou, Z, et al., 2018. Foliar spraying of melatonin confers cadmium tolerance in Nicotiana tabacum L[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 15 (170): 68-76. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2018.11.127

[2]      Bagchi, D, Joshi, SS, Bagchi, M, et al., 2000. Cadmium- and chromium-induced oxidative stress, DNA damage, and apoptotic cell death in cultured human chronic myelogenous leukemic K562 cells, promyelocytic leukemic HL-60 cells, and normal human peripheral blood mononuclear cells[J]. Journal of Biochemical and Molecular Toxicology, 14(1): 33-41. DOI: 10.1002/(sici)1099-0461(2000)14:1<33::aid-jbt5>3.0.co;2-y

[3]      Wang, H, He, L, Song, J, et al., 2016. Cadmium-induced genomic instability in Arabidopsis: Molecular toxicological biomarkers for early diagnosis of cadmium stress[J]. Chemosphere, 150 (5): 258-265. DOI: 10.1016/j.chemosphere. 2016.02.042

[4]      Chmielowska-Bk, J, Izbiańska, K, Ekner-Grzyb, A, et al., 2017. Cadmium Stress Leads to Rapid Increase in RNA Oxidative Modifications in Soybean Seedlings[J]. Frontiers in Plant Science, 8: 2219. DOI: 10.3389/fpls.2017.02219

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目前关于大豆DNA损伤修复基因MMR家族成员miRNAs的鉴定较少,本研究以其为研究对象,具有理论创新性


1. 技术路线

2.拟解决的问题

1)筛选并验证可靶向调控拟南芥MSH2基因的miRNAs

2)明确miRNAs靶向调控拟南芥MSH2基因在拟南芥Cd胁迫响应中的作用。

3.预期结果

1.明确拟南芥靶向MSH2的miRNAs,并解析其在镉胁迫响应中的作用
2.参加学科竞赛1次
3.获得校级竞赛二等奖以上1项

2024.6-2024.10体内和体外验证miRNAsMSH2基因的靶向关系,构建miRNAs过表达拟南芥株系参加学科竞赛1次

2024.11-2025.04:分析miRNAs靶向调控拟南芥MSH2基因在拟南芥Cd胁迫响应中的作用

2025.05-2025.06:完成结题报告。

本项目依托单位具有国家级和省级重点实验室,具备本项目进行实验研究所需要的各种仪器及设备。本单位具有3个盐碱地研究试验基地,总面积超过500亩。项目申请人所在团队的科研实验室具有露点水势仪(PPRO)、荧光显微镜(RVL2-K,ECHO)、植物激光三维表型仪Planteye F500(Phenospex,Swiss)、光合测定仪LI-6800(LI-COR Inc., Lincoln)、便携式荧光测量系统(PAM-2500 chlorophyll fluorometer,Heinz Walz Gmb H)、多功能酶标仪(Varioskan Flash,Thermo Fisher)、流式细胞仪(CytoFLEX,Beckman Coulter)、PCR扩增仪(T100,Bio-Rad)、荧光定量PCR扩增仪(CFX-96,Bio-Rad)、(XS105DU,Mettlertoledo)、水平槽电泳仪(DYCP-31DN,六一)、垂直板电泳仪(DYCZ-24DH,六一)、核酸测定仪(Nandrop 2000,Thermo Fisher)、凝胶成像分析系统及分析软件(ChemiDoc,Bio-Rad)、全自动化学分析仪(Smartchem200,ALLIANCE)、步入式人工气候室、无菌操作室等。以上实验条件能够保障项目的顺利实施。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 5000.00 2500.00 2500.00
1. 业务费 0.00 0.00 0.00
(1)计算、分析、测试费 0.00 0.00 0.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(5)论文出版费 0.00 0.00 0.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 5000.00 2500.00 2500.00

项目附件

  • EDTA-Fe提高盐碱胁迫下大豆DNA损伤修复的作用机制-笔杆论文检测报告-20240627.zip
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结束