Структурно-функциональный анализ генов-гомологов GME1 и накопление аскорбата в плодах у культурных и дикорастущих видов томата

Структурно-функциональный анализ генов-гомологов GME1 и накопление аскорбата в плодах у культурных и дикорастущих видов томата

Автор: Тяпкина Д.Ю., Слугина М.А., Кочиева Е.З.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Генетика и геномика

Статья в выпуске: 5 т.56, 2021 года.

Бесплатный доступ

Аскорбиновая кислота (аскорбат, витамин С) играет важную роль в различных метаболических процессах и у растений, и у человека, поэтому увеличение содержания аскорбата в клетках растений при помощи селекционных подходов важно для повышения как пищевой ценности плодов, так и устойчивости растений к стрессу. Известно, что томат обладает высоким потенциалом как источник аскорбата в рационе человека. К сожалению, у современных сортов и гибридов томата овощного ( Solanum lycopersicum L.) содержание аскорбата в спелых плодах мало в сравнении с его дикорастущими родственными видами. Исследования показали, что селекционные программы с привлечением дикорастущих видов томата могут значительно увеличить содержание аскорбата в спелых плодах. Однако для эффективной селекции по этому признаку необходимо более детальное изучение генетических детерминант, ответственных за накопление аскорбата в спелых плодах. В представляемой работе нами впервые амплифицированы, клонированы и секвенированы гомологи гена GME1, играющего ключевую роль в биосинтезе аскорбата, у томата овощного и 11 дикорастущих видов томата. Структурный анализ показал низкую степень вариабельности гена GME1 у изученных образцов. В кодирующих последовательностях GME1 выявлено 28 однонуклеотидных замен (single nucleotide polymorphisms, SNPs), из которых только две (G2E и E281D) приводили к несинонимичным заменам у видов S. neorickii и S. peruvianum var. dentatum. Анализ мотивов и доменов белка GME1 томатов не выявил каких-либо специфических мотивов ни на межвидовом уровне, ни на более отдаленных таксономических уровнях. Наблюдаемый высокий консерватизм GME1 у достаточно эволюционно отдаленных видов томата, по всей видимости, служит свидетельством функциональной значимости этого фермента для синтеза аскорбата и, опосредованно, для защиты от стрессовых факторов, прежде всего фотостресса. Корреляцию между аминокислотными (нуклеотидными) заменами и содержанием аскорбата в плодах мы не обнаружили. При сравнительном межвидовом органоспецифическом анализе и анализе зависимости количества аскорбата в зрелых плодах у сортов и дикорастущих образцов от уровня экспрессии GME1 мы также не выявили связи между транскрипционной активностью GME1 и концентрацией аскорбата. Можно также предположить, что определяющее влияние на конечное содержание аскорбата в созревшем плоде томата, вероятно, оказывает не интенсивность экспрессии GME1 на завершающей стадии созревания плода, а то, насколько ген GME1 был активен на более ранних стадиях созревания.

Еще

Gme1, уровень экспрессии, однонуклеотидные замены, snp, solanum lycopersicum l, томат, дикие виды, культивируемые виды, зрелые плоды, содержание аскорбата

Короткий адрес: https://sciup.org/142231387

IDR: 142231387   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2021.5.885rus

Список литературы Структурно-функциональный анализ генов-гомологов GME1 и накопление аскорбата в плодах у культурных и дикорастущих видов томата

  • Barth C., De Tullio M., Conklin P. The role of ascorbic acid in the control of flowering time and the onset of senescence. Journal of Experimental Botany, 2006, 57(8): 1657-1665 (doi: 10.1093/jxb/erj198).
  • Fotopoulos V., De Tullio M.C., Barnes J., Kanellis K. Altered stomatal dynamics in ascorbate oxidase over-expressing tobacco plants suggest a role for dehydroascorbate signalling. Journal of Experimental Botany, 2008, 59(4): 729-737 (doi: 10.1093/jxb/erm359).
  • Foyer C.H., Noctor G. Ascorbate and glutathione: the heart of the redox hub. Plant Physiology, 2011, 155(1): 2-18 (doi: 10.1104/pp.110.167569).
  • Fotopoulos V., Kanellis A.K. Altered apoplastic ascorbate redox state in tobacco plants via ascorbate oxidase overexpression results in delayed dark-induced senescence in detached leaves. Plant Physiology and Biochemistry, 2013, 73: 154-160 (doi: 10.1016/j.plaphy.2013.09.002).
  • Smirnoff N. Ascorbic acid metabolism and functions: a comparison of plants and mammals. Free Radical Biology and Medicine, 2018, 122: 116-129 (doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2018.03.033).
  • Conklin P.L., Barth C. Ascorbic acid, a familiar small molecule intertwined in the response of plants to ozone, pathogens, and the onset of senescence. Plant Cell and Environment, 2004, 27(8): 959-970 (doi: 10.1111/j.1365-3040.2004.01203.x).
  • Müller-Moulé P., Golan T., Niyogi K.K. Ascorbate-deficient mutants of Arabidopsis grow in high light despite chronic photooxidative stress. Plant Physiology, 2004, 134(3): 1163-1172 (doi: 10.1104/pp.103.032375).
  • Linster C.L., Van Schaftingen E. Vitamin C. Biosynthesis, recycling and degradation in mammals. FEBS Journal, 2007, 274(1): 1-22 (doi: 10.1111/j.1742-4658.2006.05607.x).
  • Granger M., Eck P. Dietary vitamin C in human health. Advances in Food and Nutrition Research, 2018, 83: 281-310 (doi: 10.1016/bs.afnr.2017.11.006).
  • Celma A.R., Cuadros F., López-Rodríguez F. Characterisation of industrial tomato by-products from infrared drying process. Food and Bioproducts Processing, 2009, 87(4): 282-291 (doi: 10.1016/J.FBP.2008.12.003).
  • FAOSTAT. Food and Agriculture Organization of the United Nations Statistical Databases, 2019. Режим доступа: http://faostat.fao.org/. Без даты.
  • Wang F., Kang S.Z., Du T.S., Li F.S., Qiu R.J. Determination of comprehensive quality index for tomato and its response to different irrigation treatments. Agricultural Water Management, 2011, 98(8): 1228-1238 (doi: 10.1016/j.agwat.2011.03.004).
  • Di Matteo A., Sacco A., Anacleria M., Pezzotti M., Delledonne M., Ferrarini A., Frusciante L., Barone A. The ascorbic acid content of tomato fruits is associated with the expression of genes involved in pectin degradation. BMC Plant Biology, 2010, 10(1): 1-11 (doi: 10.1186/1471-2229-10-163).
  • Rousseaux M.C., Jones C.M., Adams D., Chetelat R., Bennett A., Powell, A. QTL analysis of fruit antioxidants in tomato using Lycopersicon pennellii introgression lines. Theoretical and Applied Genetics, 2005, 111(7): 1396-1408 (doi: 10.1007/s00122-005-0071-7).
  • Schauer N., Semel Y., Roessner U., Gur A., Balbo I., Carrari F., Pleban T., Perez-Melis A., Bruedigam C., Kopka J., Willmitzer L., Zamir D., Fernie A.R. Comprehensive metabolic profiling and phenotyping of interspecific introgression lines for tomato improvement. Nature Biotechnology, 2006, 24(4): 447-454 (doi: 10.1038/nbt1192).
  • Schauer N., Semel Y., Balbo I., Steinfath M., Repsilber D., Selbig J., Pleban T., Zamir D., Fernie A.R. Mode of inheritance of primary metabolic traits in tomato. The Plant Cell, 2008, 20(3): 509-523 (doi: 10.1105/tpc.107.056523).
  • Stevens R., Buret M., Duffe P., Garchery C., Baldet P., Rothan C., Causse M. Candidate genes and quantitative trait loci affecting fruit ascorbic acid content in three tomato populations. Plant Physiology, 2007, 143(4): 1943-1953 (doi: 10.1104/pp.106.091413).
  • Stevens R., Page D., Gouble B., Garchery C., Zamir D., Causse M. Tomato fruit ascorbic acid content is linked with monodehydroascorbate reductase activity and tolerance to chilling stress. Plant, Cell and Environment, 2008, 31(8): 1086-1096 (doi: 10.1111/j.1365-3040.2008.01824.x).
  • Zou L.P., Li H.X., Ouyang B., Zhang J.H., Ye Z.B. Cloning, expression, and mapping of GDP-D-mannose pyrophosphorylase cDNA from tomato (Lycopersicon esculentum). Yi Chuan Xue Bao, 2006, 33(8): 757-764 (doi: 10.1016/S0379-4172(06)60108-X).
  • Gilbert L., Alhagdow M., Nunes-Nesi A., Quemener B., Guillon F., Bouchet B., Faurobert M., Gouble B., Page D., Garcia V., Petit J. GDP-D-mannose 3,5-epimerase (GME) plays a key role at the intersection of ascorbate and non-cellulosic cell-wall biosynthesis in tomato. The Plant Journal, 2009, 60(3): 499-508 (doi: 10.1111/j.1365-313X.2009.03972.x).
  • Zhang C., Liu J., Zhang Y., Cai X., Gong P., Zhang J., Wang T., Li H., Ye Z. Overexpression of SlGMEs leads to ascorbate accumulation with enhanced oxidative stress, cold, and salt tolerance in tomato. Plant Cell Rep., 2011, 30(3): 389-398 (doi: 10.1007/s00299-010-0939-0).
  • Li M., Ma F., Liang D., Li J., Wang Y. Ascorbate biosynthesis during early fruit development is the main reason for its accumulation in kiwi. PLoS ONE, 2010, 5(12): 14281 (doi: 10.1371/journal.pone.0014281).
  • Liu F., Wang L., Gu L., Zhao W., Su H., Cheng X. Higher transcription levels in ascorbic acid biosynthetic and recycling genes were associated with higher ascorbic acid accumulation in blueberry. Food Chemistry, 2015, 188: 399-405 (doi: 10.1016/j.foodchem.2015.05.036).
  • Tao J., Wu H., Li Z., Huang C., Xu X. Molecular evolution of GDP-D-mannose epimerase (GME), a key gene in plant ascorbic acid biosynthesis. Frontiers in Plant Science, 2018, 9: 1293 (doi: 10.3389/fpls.2018.01293).
  • Giovanelli G., Zanoni B., Lavelli V., Nani R. Water sorption, drying and antioxidant properties of dried tomato products. Journal of Food Engineering, 2002, 52(2): 135-141 (doi: 10.1016/S0260-8774(01)00095-4).
  • Edwards K., Johnstone C., Thompson C. A simple and rapid method for the preparation of plant genomic DNA for PCR analysis. Nucleic Acids Research, 1991, 19(6): 1349 (doi: 10.1093/nar/19.6.1349).
  • González-Aguilera K.L., Saad C.F., Chávez Montes R.A., Alves-Ferreira M., de Folter S. Selection of reference genes for quantitative real-time RT-PCR studies in tomato fruit of the genotype MT-Rg1. Frontiers in Plant Science, 2016, 7: 1386 (doi: 10.3389/fpls.2016.01386).
  • Slugina M.A., Filyushin M.A., Shchennikova A.V., Kochieva E.Z., Skryabin K.G. FAS, YABBY2, and YABBY5 gene expression profile correlates with different fruit locule number in tomato. Russian Journal of Genetics, 2020, 56(4): 401-407 (doi: 10.31857/S0016675820030157).
  • Kumar S., Stecher G., Tamura K. MEGA7: Molecular Evolutionary Genetics Analysis Version 7.0 for bigger datasets. Molecular Biology and Evolution, 2016, 33(7): 1870-1874 (doi: 10.1093/molbev/msw054).
  • Choi Y., Sims G.E., Murphy S., Miller J.R., Chan A.P. Predicting the functional effect of amino acid substitutions and indels. PLoS ONE, 2012, 7(10): e46688 (doi: 10.1371/journal.pone.0046688).
  • Bailey T.L., Boden M., Buske F.A. “MEME SUITE: tools for motif discovery and searching”. Nucleic Acids Research, 2009, 37(2): 202-208 (doi: 10.1093/nar/gkp335).
  • Mellidou I., Koukounaras A., Kostas S., Patelou E., Kanellis A.K. Regulation of vitamin C accumulation for improved tomato fruit quality and alleviation of abiotic stress. Genes, 2021, 2(5): 694 (doi: 10.3390/genes12050694).
  • The 100 Tomato Genome Sequencing Consortium, 2014. Режим доступа: https://solgenomics.net/projects/tomato100/. Без даты.
  • Wolucka B.A., Van Montagu M. The VTC2 cycle and the de novo biosynthesis pathways for vitamin C in plants: an opinion. Phytochemistry, 2007, 68(21): 2602-2613 (doi: 10.1016/j.phytochem.2007.08.034).
  • Bairoch A., Apweiler R., Wu C.H., Barker W.C., Boeckmann B., Ferro S., Gasteiger E., Huang H., Lopez R., Magrane M., Martin M.J., Natale D.A., O'Donovan C., Redaschi N., Yeh L.S. The Universal Protein Resource (UniProt). Nucleic Acids Research, 2004, 33(1): 154-159 (doi: 10.1093/nar/gki070).
  • Major L.L., Wolucka B.A., Naismith J.H. Structure and function of GDP-mannose-3',5'-epimerase: an enzyme which performs three chemical reactions at the same active site. Journal of the American Chemical Society, 2005, 127(51): 18309-18320 (doi: 10.1021/ja056490i).
  • Wierenga R.K., De Maeyer M.C.H., Hol W.G.J. Interaction of pyrophosphate moieties with α-helixes in dinucleotide binding proteins. Biochemistry, 1985, 24(6): 1346-1357 (doi: 10.1021/bi00327a012).
  • Mounet-Gilbert L., Dumont M., Ferrand C., Bournonville C., Monier A., Jorly J., Lemaire-Chamley M., Mori K., Atienza I., Hernould M., Stevens R. Two tomato GDP-D-mannose epimerase isoforms involved in ascorbate biosynthesis play specific roles in cell wall biosynthesis and development. Journal of Experimental Botany, 2016, 67(15): 4767-4777 (doi: 10.1093/jxb/erw260).
  • Munir S., Mumtaz M.A., Ahiakpa J.K., Liu G., Chen W., Zhou G., Zheng W., Ye Z., Zhang Y. Genome-wide analysis of Myo-inositol oxygenase gene family in tomato reveals their involvement in ascorbic acid accumulation. BMC Genomics, 2020, 21(1): 1-15 (doi: 10.1186/s12864-020-6708-8).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp