Genome-wide identification and comparative analysis of drought-related microRNAs in two maize inbred lines with contrasting drought tolerance by deep sequencing

• DOI: 10.1371/journal.pone.0219176
• Publication Date: 2019-07-05T17:35:06Z
• Authors: Xuyang Liu; Xiaojing Zhang; Baocheng Sun; Luyang Hao; Cheng Liu; Dengfeng Zhang; Huaijun Tang; Chunhui Li; Yongxiang Li; Yunsu Shi; Xiaoqing Xie; Yanchun Song; Tianyu Wang; Yu Li
• Keywords: 0301 basic medicine; Abiotic component; Science; Acclimatization; MYB; Plant Science; Plant Roots; Zea mays; Gene; Molecular Mechanisms of Plant Development and Regulation; Agricultural and Biological Sciences; Abscisic acid; 03 medical and health sciences; Gene Expression Regulation, Plant; Stress, Physiological; Genetics; Drought Resistance; Molecular Responses to Abiotic Stress in Plants; Biology; Plant Proteins; 2. Zero hunger; microRNA; Ecology; Q; R; Botany; High-Throughput Nucleotide Sequencing; Life Sciences; Drought tolerance; 15. Life on land; Abiotic stress; Adaptation, Physiological; 6. Clean water; Droughts; Plant Leaves; MicroRNAs; Plant Responses to Flooding Stress; FOS: Biological sciences; Medicine; Gene expression; Inbred strain; Genome, Plant; Research Article; Genome-Wide Association Study

أصبح الجفاف أحد أخطر الضغوط اللاأحيائية التي تؤثر على إنتاج المحاصيل في جميع أنحاء العالم. إن فهم الشبكات التنظيمية الجزيئية الكامنة وراء التكيف مع الجفاف والتسامح في المحاصيل له أهمية كبيرة للتكاثر في المستقبل. تلعب الرنا الميكروي (miRNAs)، كمكونات مهمة للتنظيم بعد النسخ، أدوارًا حاسمة في الاستجابة للجفاف والتكيف في النباتات. هنا، نبلغ عن تحليل miRNome لخطين فطريين من الذرة مع مستويات متناقضة من تحمل الجفاف تحت جفاف التربة في الحقل. أظهر تحليل التعبير التفاضلي أن 11 و 34 ميرنا استجابوا بشكل فريد للجفاف في H082183 (متسامح مع الجفاف) و Lv28 (حساس للجفاف)، على التوالي، في الأوراق. في الجذور، استجاب 19 و 23 ميرنا بشكل فريد للجفاف في H082183 و Lv28، على التوالي. كشف تحليل التعبير عن وحدات miRNA - mRNA المستجيبة للجفاف هذه عن وجود علاقة تنظيمية سلبية بين miR164 - MYB و miR164 - NAC و miR159 - MYB و miR156 - SPL و miR160 - ARF. أظهر مزيد من التحليل أن وحدات miR164 - MYB و miR164 - NAC في الخط المتسامح عدلت استجابة الإجهاد بطريقة تعتمد على ABA (حمض الأبسيسيك)، في حين شاركت وحدات miR156 - SPL و miR160 - ARF في الخط الحساس في تثبيط الأيض في الأوراق المعرضة للجفاف. توفر نتائجنا معًا نظرة جديدة ليس فقط على شبكات تنظيم الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين المرتبطة بالتسامح مع الجفاف في الذرة ولكن أيضًا على شبكات الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين الرئيسية لمزيد من توصيف وتحسين تحمل جفاف الذرة.<br/>Drought has become one of the most serious abiotic stresses influencing crop production worldwide. Understanding the molecular regulatory networks underlying drought adaption and tolerance in crops is of great importance for future breeding. microRNAs (miRNAs), as important components of post-transcriptional regulation, play crucial roles in drought response and adaptation in plants. Here, we report a miRNome analysis of two maize inbred lines with contrasting levels of drought tolerance under soil drought in the field. Differential expression analysis showed 11 and 34 miRNAs were uniquely responded to drought in H082183 (drought tolerant) and Lv28 (drought sensitive), respectively, in leaves. In roots, 19 and 23 miRNAs uniquely responded to drought in H082183 and Lv28, respectively. Expression analysis of these drought-responsive miRNA-mRNA modules revealed miR164-MYB, miR164-NAC, miR159-MYB, miR156-SPL and miR160-ARF showed a negative regulatory relationship. Further analysis showed that the miR164-MYB and miR164-NAC modules in the tolerant line modulated the stress response in an ABA (abscisic acid)-dependent manner, while the miR156-SPL and miR160-ARF modules in the sensitive line participated in the inhibition of metabolism in drought-exposed leaves. Together, our results provide new insight into not only drought-tolerance-related miRNA regulation networks in maize but also key miRNAs for further characterization and improvement of maize drought tolerance.<br/>La sequía se ha convertido en uno de los estreses abióticos más graves que afectan a la producción agrícola en todo el mundo. Comprender las redes reguladoras moleculares que subyacen a la adaptación y tolerancia a la sequía en los cultivos es de gran importancia para el mejoramiento futuro. Los microARN (miARN), como componentes importantes de la regulación postranscripcional, desempeñan un papel crucial en la respuesta y adaptación a la sequía en las plantas. Aquí, informamos un análisis miRNome de dos líneas endogámicas de maíz con niveles contrastantes de tolerancia a la sequía bajo la sequía del suelo en el campo. El análisis de expresión diferencial mostró que 11 y 34 miARN respondieron de forma única a la sequía en H082183 (tolerante a la sequía) y LV28 (sensible a la sequía), respectivamente, en las hojas. En las raíces, 19 y 23 miARN respondieron de forma única a la sequía en H082183 y Lv28, respectivamente. El análisis de expresión de estos módulos de miARN-mARN que responden a la sequía reveló que miR164-MYB, miR164-NAC, miR159-MYB, miR156-SPL y miR160-ARF mostraron una relación reguladora negativa. Un análisis adicional mostró que los módulos miR164-MYB y miR164-NAC en la línea tolerante modulaban la respuesta al estrés de una manera dependiente de ABA (ácido abscísico), mientras que los módulos miR156-SPL y miR160-ARF en la línea sensible participaban en la inhibición del metabolismo en las hojas expuestas a la sequía. En conjunto, nuestros resultados proporcionan una nueva visión no solo de las redes de regulación de miARN relacionadas con la tolerancia a la sequía en el maíz, sino también de los miARN clave para una mayor caracterización y mejora de la tolerancia a la sequía del maíz.<br/>La sécheresse est devenue l'un des stress abiotiques les plus graves qui influencent la production agricole dans le monde. Comprendre les réseaux de régulation moléculaire sous-jacents à l'adaptation et à la tolérance à la sécheresse dans les cultures est d'une grande importance pour la sélection future. Les microARN (miARN), en tant que composants importants de la régulation post-transcriptionnelle, jouent un rôle crucial dans la réponse et l'adaptation à la sécheresse chez les plantes. Ici, nous rapportons une analyse miRNome de deux lignées consanguines de maïs avec des niveaux contrastés de tolérance à la sécheresse sous la sécheresse du sol sur le terrain. L'analyse de l'expression différentielle a montré que 11 et 34 miARN répondaient de manière unique à la sécheresse dans H082183 (tolérant à la sécheresse) et Lv28 (sensible à la sécheresse), respectivement, dans les feuilles. Dans les racines, 19 et 23 miARN ont réagi de manière unique à la sécheresse dans H082183 et Lv28, respectivement. L'analyse de l'expression de ces modules miRNA-mRNA sensibles à la sécheresse a révélé miR164-MYB, miR164-NAC, miR159-MYB, miR156-SPL et miR160-ARF a montré une relation réglementaire négative. Une analyse plus approfondie a montré que les modules miR164-MYB et miR164-NAC dans la lignée tolérante ont modulé la réponse au stress d'une manière dépendante de l'ABA (acide abscissique), tandis que les modules miR156-SPL et miR160-ARF dans la lignée sensible ont participé à l'inhibition du métabolisme dans les feuilles exposées à la sécheresse. Ensemble, nos résultats fournissent de nouvelles informations sur les réseaux de régulation des miARN liés à la tolérance à la sécheresse dans le maïs, mais aussi sur les miARN clés pour une caractérisation plus poussée et une amélioration de la tolérance à la sécheresse du maïs.<br/>