Генетическое картирование симбиотических генов у гороха посевного (Pisum sativum L.)

Генетическое картирование симбиотических генов у гороха посевного (Pisum sativum L.)

Автор: Жуков В.А., Штарк О.Ю., Неманкин Т.А., Крюков А.А., Борисов А.Ю., Тихонович И.А.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Обзоры, проблемы

Статья в выпуске: 5 т.51, 2016 года.

Бесплатный доступ

Статья обобщает современные данные по методам, результатам и проблемам генетического картирования генов гороха посевного ( Pisum sativum L.), участвующих в развитии и регуляции арбускулярно-микоризного и бобово-ризобиального симбиозов. С помощью мутационного анализа у модельных и сельскохозяйственно ценных бобовых выявлено множество регуляторных симбиотических генов ( Sym -генов), в частности у гороха - более 40 Sym -генов. Некоторые из них клонированы и секвенированы, для различных видов бобовых показано структурное и функциональное сходство ортологичных Sym -генов. Их функции разнообразны и включают контроль рецепции сигнальных молекул микросимбионта, активации сигнального каскада, общего для бобово-ризобиального и арбускулярно-микоризного симбиозов, и последующих транскрипционных изменений в коре корня. Для идентификации последовательностей генов гороха, затронутых мутациями, применяют подход, основанный на сравнительном генетическом картировании и поиске генов-кандидатов в геноме близкородственного бобового растения люцерны слабоусеченной ( Medicago truncatula Gaertn.). На сайте http://www.phytozome.net (D.M. Goodstein с соавт., 2012) представлено текущее состояние работы по секвенированию генома люцерны в формате современного геномного браузера, что облегчает поиск гомологичных генов и анализ последовательностей генов-кандидатов. Высокое сходство геномов гороха и люцерны позволяет создавать геноспецифичные молекулярные маркеры на основе последовательностей генов люцерны, сопоставлять полученные генетические карты гороха с геномом люцерны и (в случае нахождения мутаций со сходным фенотипическим проявлением) клонировать гены гороха. На настоящий момент большинство известных Sym -генов гороха картированы в геноме, что позволило идентифицировать у гороха последовательности 14 симбиотических генов. В частности, авторам настоящего обзора удалось секвенировать гены гороха Sym35 (гомолог NIN лядвенца японского Lotus japonicus (Regel.) K. Larsen) (A.Y. Borisov с соавт., 2003), Sym37 (гомолог NFR1 лядвенца) (V.A. Zhukov с соавт., 2008), Sym33 (гомолог IPD3 люцерны слабоусеченной) (E. Ovchinnikova с соавт., 2011), Cochleata (гомолог NOOT люцерны слабоусеченной) (J.M. Couzigou с соавт., 2012). В последние годы, с развитием современных технологий секвенирования следующего поколения (Next Generation Sequencing - NGS) и массового генотипирования, прослеживается лавинообразное накопление данных по картированию геноспецифичных маркеров у гороха. Насыщение генетической карты маркерами, несомненно, упростит работу по картированию симбиотических генов и выявлению их последовательностей, что поможет расширить понимание того, как функционирует система генов гороха, контролирующих взаимодействие с полезными почвенными микроорганизмами.

Еще

Бобовые, бобово-ризобиальный симбиоз, арбуcкулярная микориза, симбиотические гены растений, генетическое картирование, синтения, геноспецифичные молекулярные маркеры

Короткий адрес: https://sciup.org/142213713

IDR: 142213713   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2016.5.593rus

Список литературы Генетическое картирование симбиотических генов у гороха посевного (Pisum sativum L.)

  • Gianinazzi-Pearson V. Plant cell responses to arbuscular mycorrhizal fungi: getting to the roots of the symbiosis. The Plant Cell, 1996, 8: 1871-1883 ( ) DOI: 10.1105/tpc.8.10.1871
  • Brundrett M.C. Coevolution of roots and mycorrhizas of land plants. New Phytologist, 2002, 154: 275-304 ( ) DOI: 10.1046/j.1469-8137.2002.00397.x
  • Dilworth M.J., James E.K., Sprent J.I., Newton W.I. Nitrogen-fixing leguminous symbioses. Springer Science+Business Media B.V., 2008 ( ) DOI: 10.1007/978-1-4020-3548-7
  • Smith S.E., Read D.J. Mycorrhizal symbiosis. Academic Press, NY, USA, 2008.
  • Parniske M. Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses. Nat. Rev. Microbiol., 2008, 6: 763-775 ( ) DOI: 10.1038/nrmicro1987
  • Oldroyd G.E. Speak, friend, and enter: signalling systems that promote beneficial symbiotic associations in plants. Nat. Rev. Microbiol., 2013, 11(4): 252-263 ( ) DOI: 10.1038/nrmicro2990
  • Gobbato E. Recent developments in arbuscular mycorrhizal signaling. Curr. Opin. Plant Biol., 2015, 26: 1-7 ( ) DOI: 10.1016/j.pbi.2015.05.006
  • Борисов А.Ю., Штарк О.Ю., Жуков В.А. и др. Взаимодействие бобовых с полезными почвенными микроорганизмами: от генов растений к сортам. Сельскохозяйственная биология, 2011, 3: 41-47.
  • Borisov A.Y., Danilova T.N., Koroleva T.A., Naumkina T.S., Pavlova Z.B., Pinaev A.G., Shtark O.Y., Tsyganov V.E., Voroshilova V.A., Zhernakov A.I., Zhukov V.A., Tikhonovich I.A. Pea (Pisum sativum L.) regulatory genes controlling development of nitrogen-fixing nodule and arbuscular mycorrhiza: fundamentals and application. Biologia, 2004, 59(Suppl 13): 137-144.
  • Sandal N., Petersen T.R., Murray J. et al. Genetics of symbiosis in Lotus japonicus: recombinant inbred lines, comparative genetic maps, and map position of 35 symbiotic loci. Mol.-Plant Microbe Interact., 2006, 19: 80-91 ( ) DOI: 10.1094/MPMI-19-0080
  • Pislariu C.I., Murray J.D., Wen J., Cosson V., Muni R.R.D., Wang M., Benedito V.A., Andriankaja A., Cheng X., Torres J.I., Mondy S., Zhang S., Taylor M.E., Tadege M., Ratet P., Mysore K.S., Chen R., Udvardi M.K. A Medicago truncatula tobacco retrotransposon insertion mutant collection with defects in nodule development and symbiotic nitrogen fixation. Plant Physiol., 2012, 159(4): 1686-1699 ( ) DOI: 10.1104/pp.112.197061
  • Lie T.A. Temperature-dependent root-nodule formation in pea cv. Iran. Plant and Soil, 1971, 34: 751-752.
  • Oldroyd G.E., Downie J.A. Coordinating nodule morphogenesis with rhizobial infection in legumes. Annu. Rev. Plant Biol., 2008, 59: 519-546 (doi: 10.1146/annurev.arplant.59.032607.092839).
  • Graham P.H., Vance C.P. Legumes: importance and constraints to greater use. Plant Physiol., 2003, 131: 872-877 ( ) DOI: 10.1104/pp.017004
  • Guinel F.C., Geil R.D. A model for the development of the rhizobial and arbuscular mycorrhizal symbioses in legumes and its use to understand the roles of ethylene in the establishment of these two symbioses. Can. J. Bot., 2002, 80: 695-720 ( ) DOI: 10.1139/b02-066
  • Tsyganov V.E., Voroshilova V.A., Priefer U.B., Borisov A.Y., Tikhonovich I.A. Genetic dissection of the initiation of the infection process and nodule tissue development in the Rhizobium-pea (Pisum sativum L.) symbiosis. Ann. Bot., 2002, 89: 357-366 ( ) DOI: 10.1093/aob/mcf051
  • Jacobi L.M., Petrova O.S., Tsyganov V.E., Borisov A.Y., Tikhonovich I.A. Effect of mutations in the pea genes Sym33 and Sym40. I. Arbuscular mycorrhiza formation and function. Mycorrhiza, 2003, 13: 3-7 ( ) DOI: 10.1007/s00572-002-0188-3
  • Jacobi L.M., Zubkova L.A., Barmicheva E.M., Tsyganov V.E., Borisov A.Y., Tikhonovich I.A. Effect of mutations in the pea genes Sym33 and Sym40. II. Dynamics of arbuscule development and turnover. Mycorrhiza, 2003, 13: 9-16 ( ) DOI: 10.1007/s00572-002-0189-2
  • Voroshilova V.A., Demchenko K.N., Brewin N.J., Borisov A.Y., Tikhonovich I.A. Initiation of a legume nodule with an indeterminate meristem involves proliferating host cells that harbour infection threads. New Phytologist, 2009, 181: 913-923 ( ) DOI: 10.1111/j.1469-8137.2008.02723.x
  • Ovchinnikova E. Genetic analysis of symbiosome formation. PhD thesis. Wageningen University, Wageningen, NL, 2012.
  • Shtark O.Y., Sulima A.S., Zhernakov A.I., Kliukova M.S., Fedorina J.V., Pinaev A.G., Kryukov A.A., Akhtemova G.A., Tikhonovich I.A., Zhukov V.A. Arbuscular mycorrhiza development in pea (Pisum sativum L.) mutants impaired in five early nodulation genes including putative orthologs of NSP1 and NSP2. Symbiosis, 2016, 68(1): 129-144 ( ) DOI: 10.1007/s13199-016-0382-2
  • Aubert G., Morin J., Jacquin F., Loridon K., Quillet M.C., Petit A., Rameau C., Lejeune-Hénaut I., Huguet T., Burstin J. Functional mapping in pea, as an aid to the candidate gene selection and for investigating synteny with the model legume Medicago truncatula. Theor. Appl. Genet., 2006, 112(6): 1024-1041 ( ) DOI: 10.1007/s00122-005-0205-y
  • Жуков В.А., Штарк О.Ю., Борисов А.Ю., Тихонович И.А. Молекулярно-генетические механизмы контроля растением ранних стадий развития взаимовыгодных (мутуалистических) симбиозов бобовых. Генетика, 2009, 45(11): 1449-1460.
  • Young N.D., Udvardi M. Translating Medicago truncatula genomics to crop legumes. Curr. Opin. Plant Biol., 2009, 12(2): 193-201 ( ) DOI: 10.1016/j.pbi.2008.11.005
  • Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. СПб, 2010.
  • Lander E.S., Green P., Abrahamson J., Barlow A., Daly M.J., Lincoln S.E., Newburg L. MAPMAKER, an interactive computer package for constructing primary genetic linkage maps of experimental and natural populations. Genomics, 1987, 1: 174-181 ( ) DOI: 10.1016/0888-7543(87)90010-3
  • Ukai Y. MAPL: a package of computer programs for construction of DNA polymorphism linkage maps and analysis of QTL. Breeding Sci., 1995, 45: 139-142 ( ) DOI: 10.1270/jsbbs1951.45.139
  • Van Ooijen J.W. Multipoint maximum likelihood mapping in a full-sib family of an outbreeding species. Genet. Res., 2011, 93(5): 343-349 ( ) DOI: 10.1017/S0016672311000279
  • Cheema J., Dicks J. Computational approaches and software tools for genetic linkage map estimation in plants. Briefing in Bioinformatics, 2009, 10(6): 595-608 ( ) DOI: 10.1093/bib/bbp045
  • Жернаков А.И. F2Breed. Программа для оценки рекомбинации между генетическими локусами и генетических маркеров в многомерном пространстве при анализе косегрегации признаков в F2-популяции. Свид. о гос. регистр. прогр. для ЭВМ № 2012619482. Зарегистрир. в Реестре программ для ЭВМ 19 октября 2012 г.
  • Ежова Т.А., Лебедева О.В., Огаркова О.А., Пенин А.А., Солдатова О.П., Шестаков С.В. Arabidopsis thaliana -модельный объект генетики растений. М., 2003.
  • Weeden N.F., Swiecicki W.K., Ambrose M., Timmerman G.M. Linkage groups of pea. Pisum Genetics, 1993, 25: 4.
  • Weeden N.F., Swiecicki W.K., Timmerman-Vaughan G.M., Ellis T.H.N., Ambrose M. The current pea linkage map. Pisum Genetics, 1996, 28: 1-4.
  • Hall K.J., Parker J.S., Ellis T.H.N., Turner L., Knox M.R., Hofer J.M.I., Lu J., Ferrandiz C., Hunter P.J., Taylor J.D., Baird K. The relationship between genetic and cytogenetic maps of pea. II. Physical maps of linkage mapping populations. Genome, 1997, 40: 755-769 ( ) DOI: 10.1139/g97-798
  • Flavell A.J., Knox M.R., Pearce S.R., Ellis T.H. Retrotransposon-based insertion polymorphisms (RBIP) for high throughput marker analysis. Plant Journal, 1998, 16(5): 643-650 ( ) DOI: 10.1046/j.1365-313x.1998.00334.x
  • Laucou V., Haurogne K., Ellis N., Rameau C. RAPD-based genetic linkage map of Pisum sativum. Theor. Appl. Genet., 1998, 97: 905-915 ( ) DOI: 10.1007/s001220050971
  • Weeden N.F., Ellis T.H.N., Timmerman-Vaughan G.M., Swiecicki W.K., Rozov S.M., Berdnikov V.A. A consensus linkage map for Pisum sativum. Pisum Genetics, 1998, 30: 1-4.
  • Irzykowska L., Wolko B., Swiecicki W.K. The genetic linkage map of pea (Pisum sativum L.) based on molecular, biochemical and morphological markers. Pisum Genetics, 2001, 33: 13-18.
  • Weeden N.F., Moffet M. Identification of genes affecting root mass and root/shoot ratio in a JI1794 x «Slow» RIL population. Pisum Genetics, 2002, 34: 28-31.
  • Bordat A., Savois V., Nicolas M., Salse J., Chauveau A., Bourgeois M., Potier J., Houtin H., Rond C., Murat F., Marget P., Aubert G., Burstin J. Translational genomics in legumes allowed placing in silico 5460 unigenes on the pea functional map and identified candidate genes in Pisum sativum L. G3: Genes, Genomes, Genetics, 2011, 1(2): 93-103 ( ) DOI: 10.1534/g3.111.000349
  • Leonforte A., Sudheesh S., Cogan N.O., Salisbury P.A., Nicolas M.E., Materne M., Forster J.W., Kaur S. SNP marker discovery, linkage map construction and identification of QTLs for enhanced salinity tolerance in field pea (Pisum sativum L.). BMC Plant Biol., 2013, 13: 161 ( ) DOI: 10.1186/1471-2229-13-161
  • Duarte J., Riviere N., Baranger A., Aubert G., Burstin J., Cornet L., Lavaud C., Lejeune-Henaut I., Martinant J.P., Pichon J.P., Pilet-Nayel M.L., Boutet G. Transcriptome sequencing for high throughput SNP development and genetic mapping in Pea. Genomics, 2014, 15: 126 ( ) DOI: 10.1186/1471-2164-15-126
  • Sindhu A., Ramsay L., Sanderson L.A., Stonehouse R., Li R., Condie J., Shunmugam A.S.K., Liu Y., Jha A.B., Diapari M., Burstin J., Aubert G., Tar'an B., Bett K.E., Warkentin T.D., Sharpe A.G. Gene-based SNP discovery and genetic mapping in pea. Theor. Appl. Genet., 2014, 127(10): 2225-2241 ( ) DOI: 10.1007/s00122-014-2375-y
  • Konieczny A., Ausubel F.M. A procedure for mapping Arabidopsis mutations using co-dominant ecotype-specific PCR-based markers. The Plant Journal, 1993, 4: 403-410 ( ) DOI: 10.1046/j.1365-313X.1993.04020403.x
  • Zhukov V.A., Kuznetsova E.V., Ovchinnikova E.S., Rychagova T.S., Titov V.S., Pinaev A.G., Borisov A.Y., Moffet M., Domoney C., Ellis T.H.N., Ratet P., Weeden N.F., Tikhonovich I.A Gene-based markers of pea linkage group V for mapping genes related to symbioses. Pisum Genetics, 2007, 39: 19-25.
  • Goodstein D.M., Shu S., Howson R., Neupane R., Hayes R.D., Fazo J., Mitros T., Dirks W., Hellsten U., Putnam N., Rokhsar D.S. Phytozome: a comparative platform for green plant genomics. Nucl. Acids Res., 2012, 40(Database issue): D1178-D1186 ( ) DOI: 10.1093/nar/gkr944
  • Жуков В.А., Неманкин Т.А., Овчинникова Е.С., Кузнецова Е.В., Жернаков А.И., Титов В.С., Гришина О.А., Сулима А.С., Борисов Я.Г., Борисов А.Ю., Тихонович И.А. Создание серии ген-специфичных молекулярных маркеров для сравнительного картирования геномов гороха посевного (Pisum sativum L.) и диплоидной люцерны (Medicago truncatula Gaertn.). В сб.: Фактори експериментальної еволюцii органiзмiв. Киев, 2010. Т. 9: 30-34.
  • Неманкин Т.А. Анализ генетической системы гороха (Pisum sativum L.), контролирующей развитие арбускулярной микоризы и азотфиксирующего симбиоза. Автореф. канд. дис. СПб, 2011.
  • Титов В.С. Генетическое картирование симбиотических генов гороха посевного (Pisum sativum L.). Квалификационная работа магистра. СПб, 2012.
  • Kneen B.E., Weeden N.F., LaRue T.A. Non-nodulating mutants of Pisum sativum (L.) cv. Sparkle. J. Hered., 1994, 85(2): 129-133.
  • Krusell L., Madsen L.H., Sato S., Aubert G., Genua A., Szczyglowski K., Duc G., Kaneko T., Tabata S., de Bruijn F., Pajuelo E., Sandal N., Stougaard J. Shoot control of root development and nodulation is mediated by a receptor-like kinase. Nature, 2002, 420(6914): 422-426 ( ) DOI: 10.1038/nature01207
  • Borisov A.Y., Madsen L.H., Tsyganov V.E., Umehara Y., Voroshilova V.A., Batagov A.O., Sandal N., Mortensen A., Schauser L., Ellis N., Tikhonovich I.A., Stougaard J. The Sym35 gene required for root nodule development in pea is an ortholog of Nin from Lotus japonicus. Plant Physiol., 2003, 131: 1009-1017 ( ) DOI: 10.1104/pp.102.016071
  • Lévy J., Bres C., Geurts R., Chalhoub B., Kulikova O., Duc G., Journet E.P., Ané J.M., Lauber E., Bisseling T., Dénarié J., Rosenberg C., Debellé F. A putative Ca2+ and calmodulin-dependent protein kinase required for bacterial and fungal symbioses. Science, 2004, 303(5662): 1361-1364 ( ) DOI: 10.1126/science.1093038
  • Zhukov V., Radutoiu S., Madsen L.H., Rychagova T., Ovchinnikova E., Borisov A., Tikhonovich I., Stougaard J. The pea Sym37 receptor kinase gene controls infection-thread initiation and nodule development. Mol. Plant-Microbe Interact., 2008, 21(12): 1600-1608 ( ) DOI: 10.1094/MPMI-21-12-1600
  • Krusell L., Sato N., Fukuhara I., Koch B.E., Grossmann C., Okamoto S., Oka-Kira E., Otsubo Y., Aubert G., Nakagawa T., Sato S., Tabata S., Duc G., Parniske M., Wang T.L., Kawaguchi M., Stougaard J. The Clavata2 genes of pea and Lotus japonicus affect autoregulation of nodulation. The Plant Journal, 2011, 65(6): 861-871 ( ) DOI: 10.1111/j.1365-313X.2010.04474.x
  • Ovchinnikova E., Journet E.P., Chabaud M., Cosson V., Ratet P., Duc G., Fedorova E., Liu W., Op den Camp R., Zhukov V., Tikhonovich I., Borisov A., Bisseling T., Limpens E. IPD3 controls the formation of nitrogen-fixing symbiosomes in pea and Medicago spp. Mol. Plant-Microbe Interact., 2011, 24(11): 1333-1344 ( ) DOI: 10.1094/MPMI-01-11-0013
  • Couzigou J.M., Zhukov V., Mondy S., Abu el Heba G., Cosson V., Ellis T.H., Ambrose M., Wen J., Tadege M., Tikhonovich I., Mysore K.S., Putterill J., Hofer J., Borisov A.Y., Ratet P. NODULE ROOT and COCHLEATA maintain nodule development and are legume orthologs of Arabidopsis BLADE-ON-PETIOLE genes. The Plant Cell, 2012, 24(11): 4498-4510 ( ) DOI: 10.1105/tpc.112.103747
  • Varshney R.K., Close T.J., Singh N.K., Hoisington D.A., Cook D.R. Orphan legume crops enter the genomics era! Curr. Opin. Plant Biol., 2009, 12(2): 202-210 ( ) DOI: 10.1016/j.pbi.2008.12.004
  • Жуков В.А., Кулаева О.А., Жернаков А.И., Тихонович И.А. «Секвенирование следующего поколения» для изучения транскриптомных профилей тканей и органов гороха посевного (Pisum sativum L.). Сельскохозяйственная биология, 2015, 50(3): 278-287 ( , 10.15389/agrobiology.2015.3.278eng) DOI: 10.15389/agrobiology.2015.3.278rus
  • Sudheesh S., Sawbridge T.I., Cogan N.O., Kennedy P., Forster J.W., Kaur S. De novo assembly and characterisation of the field pea transcriptome using RNA-Seq. BMC Genomics, 2015, 16: 611 ( ) DOI: 10.1186/s12864-015-1815-7
  • Alves-Carvalho S., Aubert G., Carrère S., Cruaud C., Brochot A.L., Jacquin F., Klein A., Martin C., Boucherot K., Kreplak J., da Silva C., Moreau S., Gamas P., Wincker P., Gouzy J., Burstin J. Full-length de novo assembly of RNA-seq data in pea (Pisum sativum L.) provides a gene expression atlas and gives insights into root nodulation in this species. Plant Journal, 2015, 84(1): 1-19 ( ) DOI: 10.1111/tpj.12967
  • Zhukov V.A., Zhernakov A.I., Kulaeva O.A., Ershov N.I., Borisov A.Y., Tikhonovich I.A. De novo assembly of the pea (Pisum sativum L.) nodule transcriptome. International Journal of Genomics, 2015, article 695947 ( ) DOI: 10.1155/2015/695947
Еще
Статья обзорная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp