项目文章|整合组学解析桂花花期调控的miRNA–靶基因网络与功能机制

桂花（Osmanthus fragrans）作为我国传统名花，其观赏与经济价值受限于仅2-3天的短暂花期。花开放与衰老是受复杂基因网络调控的重要生理过程，涉及细胞形态、色素代谢与激素水平等多方面变化。目前相关研究多集中于模式植物，对桂花等木本观赏植物的分子调控机制，特别是miRNA在其中的作用仍知之甚少。开展桂花开花衰老的分子机制研究，不仅有助于解析这一重要生物学过程，更为突破产业发展瓶颈、延长观赏期提供理论依据，具有重要科学意义与应用价值。

湖北科技学院桂花研究团队发表于期刊Industrial Crops & Products的一项研究通过对转录组、small RNA和降解组的综合分析，首次系统鉴定了参与桂花开放和衰老的miRNA，建立并探讨了桂花开放和衰老的分子调控网络，并阐明其分子调控机制，为今后研究miRNA介导的这些过程的调控奠定了基础。爱基百客为该研究提供small RNA测序的技术支持。

为了研究桂花中RNA的功能，作者对桂花六个开花阶段进行转录组测序，组装注释了36,565个基因，并鉴定出2,917个转录因子，以bHLH家族最为丰富。共识别出17,456个差异表达基因，其中S6_vs_S1组数量最多。加权基因共表达网络分析将基因划分为10个模块，其中绿松石、洋红和蓝色模块分别与开花早、中、晚期显著相关，并富集于类黄酮合成、氨基酸代谢及植物激素信号转导等通路。研究发现各模块中包含大量特异性转录因子，表明其在调控开花过程中不同生物途径的关键作用。

图1 差异表达基因（DEG）的加权基因共表达网络分析

为了研究桂花中的small RNA，作者对桂花六个开花阶段的18个small RNA文库进行测序。数据显示24nt和21nt长度的small RNA最为富集，其中大部分序列能与参考基因组比对上（比对率>75%）。经Rfam数据库注释，发现rRNA是占比最高的small RNA类别（1.37%），而miRNA仅占0.14%。这些结果为后续解析miRNA在桂花开花中的调控功能奠定了基础。

图2. sRNA的分布和丰度

图3.花开放和衰老过程中差异表达的miRNA

图4.差异基因的趋势分析

为了阐明预测的靶基因在花开放和衰老过程中的潜在生物学功能，作者对桂花miRNA靶基因进行功能分析，发现其显著富集于细胞过程、代谢过程和催化活性等生物功能，并参与碳代谢、氨基酸生物合成等关键通路。特别鉴定出96个转录因子作为潜在靶点，以SBP、GRF、GRAS、MYB和ARF家族为主。结果表明miRNA可能通过调控这些转录因子网络，在桂花开花与衰老过程中发挥核心调控作用。

图5.靶基因的功能富集分析

本研究通过整合分析，构建了桂花开花与衰老过程中的miRNA-靶基因调控网络。研究共鉴定出148对差异表达的miRNA-靶基因关系对，其中57对得到降解组测序数据的强力支持。功能富集分析表明，这些靶基因显著参与生长素反应、ABA信号通路及花器官发育等关键生物学过程。

研究进一步揭示了在花开放与衰老不同阶段的特异性调控模式：在花开放期（S3_vs_S1），存在22对关联，主要表现为miRNA上调而靶基因下调的负调控关系；而在衰老期（S5_vs_S1），则存在14对关联，呈现相反的调控趋势。其中，26个靶基因被鉴定为转录因子，包括SPL、NAC、ARF等关键家族成员，形成了如ofr-miR156j-SPL、ofr-miR164b-5p-NAC079等核心调控模块。这些关键的miRNA-靶基因对（如ofr-miR157c-5p/d-SPL13）在整个过程中持续呈现负调控关系。

最终，通过qRT-PCR实验验证了11个关键DEM及其靶基因的表达模式，证实了测序数据的可靠性及所预测调控互作关系的准确性，从而系统阐明了miRNA在转录后水平调控桂花花器官发育与衰老的核心作用。

图7. DEM-靶调控网络

图8. DEM及其靶基因的定量验证

图9.降解基因组验证DEM-靶标

本研究共鉴定了135个miRNA，其中包括73个DEM，构建了以miRNA为靶标的调控网络，并鉴定了控制花开放和衰老的关键调控模块。这项研究对转录组、small RNA、降解组进行了整合，为揭示miRNA在调控桂花开花和衰老中的作用提供了有价值的信息，为进一步进行相关农艺性状的遗传改良提供了潜在的靶点。

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