MIR398基因天然反义转录本通过miR398调控植物抗热性的分子机制

As a consequence of global warming, high temperature and heat stress has become a major threat to crop production worldwide. Our previous studies showed that high temperature altered both expression of miR398 and the natural antisense transcript (NAT) of MIR398 gene. Overexpress miR398 improves the heat resistance of Chinese cabbage and Arabidopsis. Our application is to clarify the mechanism of the MIR398 NAT and miR398 in regulating thermotolerance of plants. We will construct MIR398 gene, MIR398 NAT, artifical miR398 and mimicry miR398 vectors and then transfer them into Chinese cabbage and Arabidopsis via infiltration methods; detecting the expression of MIR398 and its NAT as well as miR398 at high temperature, analyzing the temporal and spatial expression of miR398 target genes, revealing the effects and logical relationship of high temperature on the expression of MIR398 NAT and miR398 biogenesis. Identifying thermotolerance and thermosensitive transgenic lines, investigating their physiological and biochemical reactions to high temperature, analyzing the mechanism cause their different response to high temperature. Our research will help to understand the molecular mechanism of MIR398 NAT in adapting high temperature and extreme temperature by adjusting miR398 biogenesis, and provide a scientific basis for using MIR398 NAT and artifical miR398 to improve plant heat resistance.

高温胁迫和热害已成为作物高产稳产的主要威胁。我们的研究表明，高温处理既诱导成熟miR398又增加MIR398基因天然反义转录本，而过量表达miR398则改变大白菜和拟南芥的抗热性。本课题旨在澄清抗热响应过程中MIR398基因天然反义转录本和miR398的因果关系和分子机制。我们将分别构建MIR398基因及其天然反义转录本和mimicry载体，利用抽滤法转入大白菜和拟南芥；在高温下检测MIR398基因及其天然反义转录本和miR398的表达量，分析miR398及其靶基因的时空表达，研究清楚它们之间的逻辑关系；筛选抗热性增强和减弱的转基因株系，解析其抗热和热敏感的原因和机制；通过转基因植株热胁迫和抗热性反应过程的生理生化检测，了解MIR398基因天然反义转录本通过miR398适应高温和极端高温的分子机制，为利用MIR398基因天然反义转录本和人工miR398进行植物抗热性的分子改良提供科学依据。

非编码RNA 是近10 年来分子生物学领域最突出的发现之一，它作为生命活动的“调控器”已成为后基因组时代生命科学研究新的热点。近年来的研究发现，非编码RNA 像开关一样控制多种功能基因的活性。发掘作物中数目庞大的非编码基因，识别它们的生物学功能，就有可能发现它们对农艺性状的调控作用。天然反义基因和miRNA 是两类重要的非编码RNA。本项研究通过全基因组RNA-seq高通量测序，从白菜和拟南芥中鉴定到一系列MIRNA398基因上的cis-NATs。NAT398b/c的过量表达下调拟南芥中pri-miR398b/c的水平。NAT398b/c的knock-down上调pri-miR398b/c的水平。进一步的研究结果表明NAT398b和NAT398c不影响它们各自正义基因MIR398b 和MIR398c的转录活性，而是与正义基因形成双链RNA，进而产生nat-siRNAs，加速pri-miR398b和pri-miR398c转录后水平的降解。反过来，MIR398b和MIR398c的过量表达激活其反义基因的表达，MIR398b和MIR398c的knock-down下调其反义基因的表达。NAT398b 和NAT398c的过量表达通过激活miR398靶基因的表达导致植物抗热性减弱。RACE结果暗示MIR398b 和MIR398c基因的miRNA加工过程被它们的天然反义转录本抑制。本项研究结果揭示了MIRNA398基因和它们的天然反义转录本之间形成一个调控环路影响植物的抗热性，为研究非编码RNA之间的调控关系提供了模型，为进一步利用MIR398基因天然反义转录本和人工miR398进行植物抗热性的分子改良提供了科学依据。