Молекулярные основы признака карликовости у культурных растений. Сообщение II. Della-белки, их структура и функции

Молекулярные основы признака карликовости у культурных растений. Сообщение II. Della-белки, их структура и функции

Автор: Билова Т.Е., Рябова Д.Н., Анисимова И.Н.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Обзоры, проблемы

Статья в выпуске: 5 т.51, 2016 года.

Бесплатный доступ

Ген пшеницы RHt ( Reduced height ), предопределивший успех «зеленой революции» и используемый при создании низкорослых и устойчивых к полеганию сортов, кодирует белок с высококонсервативным DELLA доменом (J. Peng с соавт., 1999). Большинство карликовых форм культурных растений содержат мутации в генах, кодирующих DELLA-белки. Такие мутации весьма перспективны для использования в селекции, поскольку они не оказывают влияния на жизнеспособность и размножение растений (M. Ueguchi-Tanaka с соавт., 2007). Помимо карликовости, некоторые мутации в генах DELLA-белков могут привести к противоположному фенотипу с сильно вытянутыми стеблями ( slender -формы, или великаны). К какому фенотипу (карлик или великан) приведет мутация, зависит от ее природы (P. Achard, P. Genschik, 2009). В статье подробно обсуждается структура, локализация, посттрансляционные модификации и функции DELLA-белков. Участвуя в сложных белок-белковых взаимодействиях, они играют роль репрессоров в трансдукции гиббереллинового (ГА) сигнала. DELLA-белки ассоциируют с транскрипционными факторами (ТФ), ингибируя их активность и, как следствие, вызывают торможение роста растений. В присутствии гиббереллина удлинение стебля активируется, поскольку резко снижается стабильность DELLA-белков и DELLA-зависимая репрессия ТФ прекращается. Низкий рост мутанта пшеницы rht, как и многих других встречающихся в природе карликовых форм растений, обусловлен накоплением DELLA-белков вследствие их повышенной стабильности. Стабильность DELLA-белка увеличивается в результате мутаций, которые могут быть связаны с нарушением в его структуре и(или) в структуре доменов других участников передачи ГА-сигнала, таких как рецептор GID1 и белки F-бокса убиквитин-протеин-лигазы E3 (GID2 - у риса, SLY1 - у арабидопсиса), вовлеченные в образование сложного белкового комплекса, который необходим для индукции протеолиза DELLA-белков (B.C. Willige с соавт., 2007; K. Hirano с соавт., 2010). В статье подробно рассматривается роль различных функциональных мотивов DELLA-белка в передаче ГА-сигнала (DELLA, TVHYNP, polySTV на N-концевой части молекулы и С-концевой GRAS домен, включающий участки LR, VHIID, PFYRE и SAW). В DELLA-белках нет ДНК-связывающего домена. По-видимому, репрессивная функция DELLA-белка, обусловлена наличием GRAS домена и реализуется через белок-белковые взаимодействия мотива лейциновых повторов LRI с транскрипционными факторами (R. Zentella с соавт., 2007; K. Hirano с соавт., 2010). Участок polySTV выполняет регуляторную роль. В нем обнаружены сайты, по которым осуществляются посттрансляционные модификации, способные изменить партнеров в межбелковых взаимодействиях и(или) локализацию DELLA-белков (L.M. Hartweck, 2008). Участки DELLA, TVHYNP и часть GRAS домена вовлечены в формирование белкового комплекса c рецептором GID1 и убиквитин-протеин-лигазой, необходимого для протеолиза DELLA-белков (M. Ueguchi-Tanaka с соавт, 2005; K. Hirano с соавт., 2010). Обсуждается функция DELLA-белка как интегратора сигнальных путей гормонов и внешних стимулов, способного корректировать ростовую реакцию растений в зависимости от условий (X.-H. Gao с соавт., 2011). Таким образом, активность DELLA-белков может лежать в основе фенотипической пластичности и обусловливать замедленный рост растений при воздействии неблагоприятных факторов.

Еще

Карликовость, торможение роста, трансдукция гиббереллинового сигнала, della-белок, репрессивная функция, протеолиз

Короткий адрес: https://sciup.org/142213711

IDR: 142213711   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2016.5.571rus

Список литературы Молекулярные основы признака карликовости у культурных растений. Сообщение II. Della-белки, их структура и функции

  • Ueguchi-Tanaka M., Nakajima M., Motoyuki A., Matsuoka M. Gibberellin receptor and its role in gibberellin signaling in plants. Annu. Rev. Plant Biol., 2007, 58(1): 183-198 (doi: 10.1146/annurev.arplant.58.032806.103830).
  • Peng J., Richards D.E., Hartley N.M., Murphy G.P., Devos K.M., Flintham J.E., Beales J., Fish L.J., Worland A.J., Pelica F., Sudhakar D., Christou P., Spape J.W., Gale M.D., Harberd N.P. «Green Revolution» genes encode mutant gibberellin response modulators. Nature, 1999, 400(6741): 256-261 ( ) DOI: 10.1038/22307
  • Кулаева О.Н. Карликовые мутанты и их роль в «зеленой революции». Соросовский образовательный журнал, 2000, 6(8): 18-23.
  • Achard P., Renou J.P., Berthome R., Harberd N.P., Genschik P. Plant DELLAs restrain growth and promote survival of adversity by reducing the levels of reactive oxygen species. Curr. Biol., 2008, 18(9): 656-660 ( ) DOI: 10.1016/j.cub.2008.04.034
  • Hirano K., Asano K., Tsuji H., Kawamura M., Mori H., Kitano H., Ueguchi-Tanaka M., Matsuoka M. Characterization of the molecular mechanism underlying gibberellin perception complex formation in rice. Plant Cell, 2010, 22(8): 2680-2696 ( ) DOI: 10.1105/tpc.110.075549
  • Chen J., Cheng T., Wang P., Tian L., Wang G., Luo Y., Wang J., Yang L., Shi J. Genome-wide bioinformatics analysis of DELLA-family proteins from plants. Plant Omics, 2013, 6(3): 201-207.
  • Achard P., Genschik P. Releasing the brakes of plant growth: how GAs shutdown DELLA proteins. J. Exp. Bot., 2009, 60(4): 1085-1092 ( ) DOI: 10.1093/jxb/ern301
  • Wang F., Zhu D., Huang X., Li S., Gong Y., Yao Q., Fu X., Fan L.-M., Deng X.W. Biochemical insights on degradation of Arabidopsis DELLA proteins gained from a cell-free assay system. Plant Cell, 2009, 21: 2378-2390 ( ) DOI: 10.1105/tpc.108.065433
  • Winkler R.G., Freeling M. Physiological genetics of the dominant gibberellin-nonresponsive maize dwarfs, Dwarf8 and Dwarf9. Planta, 1994, 193(3): 341-348 ( ) DOI: 10.1007/BF00201811
  • Lawit S.J., Wych H.M., Xu D., Kundu S., Tomes D.T. Maize DELLA proteins Dwarf plant8 and Dwarf plant9 as modulators of plant development. Plant Cell Physiol., 2010, 51(11): 1854-1868 ( ) DOI: 10.1093/pcp/pcq153
  • Pearce S., Saville R., Vaughan S.P., Chandler P.M., Wilhelm E.P., Sparks A.C., Al-Caff N., Korolev A., Boulton M.I., Phillips A.L., Hedden P., Nicholson P., Thomas S.G. Molecular characterization of Rht-1 dwarfing genes in hexaploid wheat. Plant Physiol., 2011, 157(4): 1820-1831 ( ) DOI: 10.1104/pp.111.183657
  • Muangprom A., Thomas S.G., Sun T.P., Osborn T.C. A novel dwarfing mutation in a green revolution gene from Brassica rapa. Plant Physiol., 2005, 137(3): 931-938 ( ) DOI: 10.1104/pp.104.057646
  • Boss P.K., Thomas M.R. Association of dwarfism and floral induction with a grape «green revolution» mutation. Nature, 2002, 416(6883): 847-850 ( ) DOI: 10.1038/416847a
  • Ikeda A., Ueguchi-Tanaka M., Sonoda Y., Kitano H., Koshioka M., Futsuhara Y., Matsuoka M., Yamaguchi J. slender Rice, a constitutive gibberellin response mutant is caused by a null mutation of the SLR1 gene, an ortholog of the height-regulating gene GAI/RGA/RHT/D8. Plant Cell, 2001, 13(5): 999-1010 ( ) DOI: 10.1105/tpc.13.5.999
  • Chandler P.M., Marion-Poll A., Ellis M., Gubler F. Mutants at the Slender1 locus of ‘Himalaya’ barley: molecular and physiological characterization. Plant Physiol., 2002, 129(1): 181-190 ( ) DOI: 10.1104/pp.010917
  • Weston D.E., Elliott R.C., Lester D.R., Rameau C., Reid J.B., Murfet I.C., Ross J.J. The pea DELLA proteins LA and CRY are important regulators of gibberellin synthesis and root growth. Plant Physiol., 2008, 147(1): 199-205 ( ) DOI: 10.1104/pp.108.115808
  • De Lucas M., Daviere J.-M., Rodriguez-Falcon M., Pontin M., Iglesias-Pedraz J.M., Lorrain S., Fankhause C., Blazquez M.A., Titarenko E., Prat S. A molecular framework for light and gibberellin control of cell elongation. Nature, 2008, 451(7177): 480-484 ( ) DOI: 10.1038/nature06520
  • Bassel G.W., Mullen R.T., Bewley J.D. Procera is a putative DELLA mutant in tomato (Solanum lycopersicum): effects on the seed and vegetative plant. J. Exp. Bot., 2008, 59(3): 585-593 ( ) DOI: 10.1093/jxb/erm354
  • Peng J., Carol P., Richards D.E., King K.E., Cowling R.J., Murphy G.P., Harberd N.P. The Arabidopsis GAI gene defines a signaling pathway that negatively regulates gibberellin responses. Genes Dev., 1997, 11(23): 3194-3205 ( ) DOI: 10.1101/gad.11.23.3194
  • Silverstone A.L., Ciampaglio C.N., Sun T. The Arabidopsis RGA gene encodes a transcriptional regulator repressing the gibberellin signal transduction pathway. Plant Cell, 1998, 10(3): 155-169 ( ) DOI: 10.1105/tpc.10.2.155
  • Wen C.K., Chang C. Arabidopsis RGL1 encodes a negative regulator of gibberellin responses. Plant Cell, 2002, 14(1): 87-100 ( ) DOI: 10.1105/tpc.010325
  • Tyler L., Thomas S.G., Hu J., Dill A., Alonso J.M., Ecker J.R., Sun T. DELLA proteins and gibberellin-regulated seed germination and floral development in Arabidopsis. Plant Physiol., 2004, 135(2): 1008-1019 ( ) DOI: 10.1104/pp.104.039578
  • Ariizumi T., Steber C.M. Ubiquitin becomes ubiquitous in GA signaling. In: Plant physiology/L. Taiz, E. Zeiger (eds.). Sunderland, MA, 2006. V. 20: 20.3. Режим доступа: http://www.ars.usda.gov/research/publications/publications.htm?SEQ_NO_115=198851. Без даты.
  • Dill A., Sun T.-P. Synergistic derepression of gibberellin signaling by removing RGA and GAI function in Arabidopsis thaliana. Genetics, 2001, 159: 777-785.
  • Ogawa M., Kusano T., Katsumi M., Sano H. Rice gibberellin-insensitive Gene homolog, OsGAI, encodes a nuclear-localized protein capable of Gene activation at transcriptional level. Gene, 2000, 245(1): 21-29 ( ) DOI: 10.1016/S0378-1119(00)00018-4
  • Fleck B., Harberd N.P. Evidence that the Arabidopsis nuclear gibberellin signaling protein GAI is not destabilized by gibberellin. Plant J., 2002, 32(6): 935-947 ( ) DOI: 10.1046/j.1365-313X.2002.01478.x
  • Ueguchi-Tanaka M., Ashikari M., Nakajima M., Itoh H., Katoh E., Kobayashi M., Chow T.Y., Hsing Y.I., Kitano H., Yamaguchi I., Matsuoka M. GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 encodes a soluble receptor for gibberellins. Nature, 2005, 437(7059): 693-698 ( ) DOI: 10.1038/nature04028
  • Murase K., Hirano Y., Sun T.-P., Hakoshima T. Gibberellin induced DELLA recognition by the gibberellin receptor GID1. Nature, 2008, 456(7221): 459-463 ( ) DOI: 10.1038/nature07519
  • Hartweck L.M. Gibberellin signaling. Planta, 2008, 229(1): 1-13 ( ) DOI: 10.1007/s00425-008-0830-1
  • Itoh H., Ueguchi-Tanaka M., Sato Y., Ashikari M., Matsuoka M. The gibberellin signaling pathway is regulated by appearance and disappearance of SLENDER RICE1 in nuclei. Plant Cell, 2002, 14(1): 57-70 ( ) DOI: 10.1105/tpc.010319
  • Willige B.C., Ghosh S., Nill C., Zourelidou M., Dohmann E.M., Maier A., Schwechheimer C. The DELLA domain of GA INSENSITIVE mediates the interaction with the GA INSENSITIVE DWARF1a gibberellin receptor of Arabidopsis. Plant Cell, 2007, 19(4): 1209-1220 ( ) DOI: 10.1105/tpc.107.051441
  • Cassani E., Bertolini E., Badone F.C., Landoni M., Gavina D., Sirizzotti A., Pilu R. Characterization of the first dominant dwarf maize mutant carrying a single amino acid insertion in the VHYNP domain of the dwarf8 gene. Mol. Breed., 2009, 24(4): 375-385 ( ) DOI: 10.1007/s11032-009-9298-3
  • Itoh H., Shimada A., Ueguchi-Tanaka M., Kamiya N., Hasegawa Y., Ashikari M., Matsuoka M. Overexpression of a GRAS protein lacking the DELLA domain confers altered gibberellin responses in rice. Plant J., 2005, 44(4): 669-679 ( ) DOI: 10.1111/j.1365-313X.2005.02562.x
  • Sun T.-P. The molecular mechanism and evolution of the review GA-GID1-DELLA signaling module in plants. Curr. Biol., 2011, 21(9): R338-R345 ( ) DOI: 10.1016/j.cub.2011.02.036
  • Dill A., Thomas S.G., Hu J., Steber C.M., Sun T.-P. The Arabidopsis F-box protein SLEEPY1 targets gibberellin signaling repressors for gibberellin-induced degradation. Plant Cell, 2004, 16: 1392-1405 ( ) DOI: 10.1105/tpc.020958
  • Ramos M.L., Altieri E., Bulos M., Sala C.A. Phenotypic characterization, genetic mapping and candidate gene analysis of a source conferring reduced plant height in sunflower. Theor. Appl. Genet., 2013, 126(1): 251-263 ( ) DOI: 10.1007/s00122-012-1978-4
  • Asano K., Hirano K., Ueguchi-Tanaka M., Angeles-Shim R.B., Komura T., Satoh H., Kitano H., Matsuoka M., Ashikari M. Isolation and characterization of dominant dwarf mutants, Slr1-d, in rice. Mol. Genet. Genomics, 2009, 281: 223-231 ( ) DOI: 10.1007/s00438-008-0406-6
  • Silverstone A.L., Tseng T.-S., Swain S., Dill A., Jeong S.Y., Olszewski N.E., Sun T.-P. Functional analysis of SPINDLY in gibberellins signaling in Arabidopsis. Plant Physiol., 2007, 143(2): 987-1000 ( ) DOI: 10.1104/pp.106.091025
  • Shimada A., Ueguchi-Tanaka M., Sakamoto T., Fujioka S., Takatsuto S., Yoshida S., Sazuka T., Ashikari M., Matsuoka M. The rice SPINDLY gene functions as a negative regulator of gibberellins signaling by controlling the suppressive function of the DELLA protein, SLR1, and modulating brassinosteroid synthesis. Plant J., 2006, 48(3): 390-402 ( ) DOI: 10.1111/j.1365-313X.2006.02875.x
  • Sasaki A., Itoh H., Gomi K., Ueguchi-Tanaka M., Ishiyama K., Kobayashi M., Jeong D.H., An G., Kitano H., Ashikari M., Matsuoka M. Accumulation of phosphorylated repressor for gibberellin signaling in an F-box mutant. Science, 2003, 299(5614): 1896-1898 ( ) DOI: 10.1126/science.1081077
  • Richter R., Behringer C., Muller I.K., Schwechheimer C. The GATA-type transcription factors GNC and GNL/CGA1 repress gibberellin signaling downstream from DELLA proteins and PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORS. Genes Dev., 2010, 24(18): 2093-2104 ( ) DOI: 10.1101/gad.594910
  • Zhang Z.-L., Ogawab M., Fleeta C.M., Zentella R., Hua J., Heoc J.-O., Limc J., Kamiyab Y., Yamaguchib S., Sun T. SCARECROW-LIKE 3 promotes gibberellin signaling by antagonizing master growth repressor DELLA in Arabidopsis. PNAS USA, 2011, 108(5): 2160-2165 ( ) DOI: 10.1073/pnas.1012232108
  • Itoh H., Sasaki A., Ueguchi-Tanaka K., Kobayashi M., Hasegawa Y., Minami E., Ashikari M., Matsuoka M. Dissection of the phosphorylation of rice DELLA protein, SLENDER RICE1. Plant Cell Physiol., 2005, 46(8): 1392-1399 ( ) DOI: 10.1093/pcp/pci152
  • Hussain A., Cao D., Peng J. Identification of conserved tyrosine residues important for gibberellin sensitivity of Arabidopsis RGL2 protein. Planta, 2007, 226(2): 475-483 ( ) DOI: 10.1007/s00425-007-0497-z
  • Dai C., Xue H.-W. Rice early flowering1, a CKI, phosphorylates DELLA protein SLR1 to negatively regulate gibberellin signalling. The EMBO Journal, 2010, 29: 1916-1927 ( ) DOI: 10.1038/emboj.2010.75
  • Jacobsen S.E., Binkowski K.A., Olszewski N.E. SPINDLY, a tetratricopeptide repeat protein involved in gibberellins signal transduction in Arabidopsis. PNAS USA, 1996, 93(17): 9292-9296 ( ) DOI: 10.1073/pnas.93.17.9292
  • Pysh L.D., Wysocka-Diller J.W., Camilleri C., Bouchez D., Benfey P.N. The GRAS gene family in Arabidopsis: sequence characterization and basic expression analysis of the SCARECROW-LIKE genes. Plant J., 1999, 18(1): 111-119 ( ) DOI: 10.1046/j.1365-313X.1999.00431.x
  • Tian C., Wan P., Sun S., Li J., Chen M. Genome-wide analysis of the GRAS gene family in rice and Arabidopsis. Plant Mol. Biol., 2004, 54(4): 519-532 ( ) DOI: 10.1023/B:PLAN.0000038256.89809.57
  • Hirsch S., Oldroyd G.E.D. GRAS-domain transcription factors that regulate plant development. Plant Signal. Behav., 2009, 4(8): 698-700 ( ) DOI: 10.4161/psb.4.8.9176
  • Zentella R., Zhang Z.L., Park M., Thomas S.G., Endo A., Murase K., Fleet C.M., Jikumaru Y., Nambara E., Kamiya Y., Sun T.P. Global analysis of DELLA direct targets in Early Gibberellin Signaling in Arabidopsis. Plant Cell, 2007, 19(10): 3037-3057 ( ) DOI: 10.1105/tpc.107.054999
  • Yoshida H., Hirano K., Sato T., Mitsuda N., Nomoto M., Maeo K., Koketsu E., Mitani R., Kawamura M., Ishiguro S., Tada Y., Ohme-Takagi M., Matsuoka M., Ueguchi-Tanaka M. DELLA protein functions as a transcriptional activator through the DNA binding of the indeterminate domain family proteins. PNAS USA, 2014, 111(21): 7861-7866 ( ) DOI: 10.1073/pnas.1321669111
  • Bolle C. The role of GRAS proteins in plant signal transduction and development. Planta, 2004, 218(5): 683-692 ( ) DOI: 10.1007/s00425-004-1203-z
  • Gao X.-H., Xiao S.-L., Yao Q.-F., Wang Y.-J., Fu X.-D. An updated GA signaling «Relief of repression» regulatory model. Mol. Plant., 2011, 4(4): 601-606 ( ) DOI: 10.1093/mp/ssr046
  • Achard P., Cheng H., De Grauwe L., Decat J., Schoutteten H., Moritz T., Van Der Straeten D., Peng J., Harberd N.P. Integration of plant responses to environmentally activated phytohormonal signals. Science, 2006, 311(5757): 91-94 ( ) DOI: 10.1126/science.1118642
  • Feng S., Martinez C., Gusmaroli G., Wang Y., Zhou J., Wang F., Chen L.Y., Yu L., Iglesias-Pedraz J.M., Kircher S., Schafer E., Fu X.D., Fan L.M., Deng X.W. Coordinated regulation of Arabidopsis thaliana development by light and gibberellins. Nature, 2008, 451(7177): 475-479 ( ) DOI: 10.1038/nature06448
  • Alabadi D., Gallego-Bartolome J., Orlando L., Garcia-Carcel L., Rubio V., Martinez C., Frigerio M., Iglesias-Pedraz J.M., Espinosa A., Deng X.W., Blazquez M.A. Gibberellins modulate light signaling pathways to prevent Arabidopsis seedling de-etiolation in darkness. Plant J., 2008, 53(2): 324-335 ( ) DOI: 10.1111/j.1365-313X.2007.03346.x
  • Arnaud N., Grain T., Sorefan K., Fuentes S., Wood T.A., Lawrenson T., Sablowski R., Ostergaard L. Gibberellins control fruit patterning in Arabidopsis thaliana. Gene Dev., 2010, 24(19): 2127-2132 ( ) DOI: 10.1101/gad.593410
  • Ubeda-Tomás S., Swarup R., Coates J., Swarup K., Laplaze L., Beemster G.T.S., Hedden P., Bhalerao R., Bennett M.J. Root growth in Arabidopsis requires gibberellin/DELLA signalling in the endodermis. Nat. Cell Biol., 2008, 10(5): 625-628 ( ) DOI: 10.1038/ncb1726
  • Hou X., Lee L.Y.C., Xia K., Yan Y., Yu H. DELLAs modulate jasmonate signaling via competitive binding to JAZs. Dev. Cell, 2010, 19(6): 884-894 ( ) DOI: 10.1016/j.devcel.2010.10.024
  • Wild M., Davière J.M., Cheminant S., Regnault T., Baumberger N., Heintz D., Baltz R., Genschik P., Achard P. The Arabidopsis DELLA RGA-LIKE3 is a direct target of MYC2 and modulates jasmonate signaling responses. Plant Cell, 2012, 24(8): 3307-3319 ( ) DOI: 10.1105/tpc.112.101428
Еще
Статья обзорная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp