摘要
镉(Cd)是一种典型的对人体有毒性的重金属。过去30多年来中国工业化的快速进程导致大面积的耕地遭受镉污染。镉被植物吸收并进入食物链，严重危害粮食安全和人类健康。因此，对重金属污染土壤进行修复具有重要意义。甜高粱（Sorghum bicolor(L.)Moench)对镉有较强的吸收和耐受能力，可用于修复镉污染的土地。目前，关于甜高粱lncRNA在镉响应中作用的机理尚不清楚。 本研究以课题组前期筛选到的镉耐受性高(H18)和低(L69)的两个甜高粱品系作为研究材料，聚焦于长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)在甜高粱镉耐受性调控网络中的功能。 本研究利用甜高粱二代转录组测序数据，建立了一套适用于甜高粱lncRNA鉴定的流程。通过HISAT2和StringTie平台比对组装转录本后，经过长度、表达量及编码能力筛选等步骤，共鉴定到1,988个lncRNA转录本。这些lncRNA的类型以基因间区 lncRNA 为主(long intergenic non-coding RNA,lincRNA),且与编码基因的mRNA相比，这些lncRNA的长度更短，GC含量更低。差异表达分析表明，在甜高粱中共有81个lncRNA响应镉胁迫，有143个lncRNA在H18和L69两个品系间差异表达，这说明，lncRNA可能是两品系镉耐受性差异的关键调控因子。 本研究分别从反式作用内源性竞争和顺式作用两个角度，通过靶基因预测和互作网络分析阐述lncRNA在甜高粱镉耐受性调控网络中的功能。在反式作用方面，甜高粱中共有82个lncRNA和117个miRNA通过内源性竞争机制结合，影响靶基因的积累。通过双荧光素酶互作实验，本研究验证了 lncRNA 15962靶向作用于miR5565e，从而对细胞壁代谢途径相关基因Sb05g026520和Sb09g020970的稳定表达有正调控作用。 在顺式作用方面，lncRNA在转录水平上通过调控顺式靶基因的转录参与调控镉胁迫响应网络。通过富集分析发现，H18和L69品系间差异表达lncRNA的顺式靶基因富集于细胞壁组织、外部封装结构组织和细胞壁修饰途径。结合转录组分析中参与镉胁迫响应的转运蛋白及转录因子，本研究进一步聚焦到lncRNA 11558、lncRNA 1160、lncRNA 511 和 lncRNA 13265,其靶基因分别为:黄色条纹蛋白、铁离子转运蛋白、非特异性脂质转移蛋白和内质网膜蛋白。在优化的甜高粱原生质体分离和转化体系中，本研究验证了 lncRNA 11558、lncRNA 1160、lncRNA 511和lncRNA 13265与其靶基因均呈正调控关系，且过表达以上lncRNA后，原生质体的镉耐受性均得到显著提升。 基于以上研究结果，细胞壁的修饰、代谢，以及转运蛋白转运能力的差异，可能是造成H18和L69两个品系镉耐受性差别的主要原因，而lncRNA在其中发挥着重要的调控作用。本研究通过建立适用于甜高粱lncRNA的生信分析流程，首次鉴定了甜高粱中的lncRNA,解析了 lncRNA在甜高粱响应镉胁迫中的调控网络，并初步验证调控网络中lncRNA的功能，为利用甜高粱修复镉污染土地提供了理论依据和分子元件。
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