Активные формы кислорода (АФК) – один из ключевых повреждающих факторов для живых организмов. АФК производятся в реакциях нормального метаболизма, в стрессовых условиях их выработка повышается. Улучшение характеристик ферментативной системы антиоксидантной защиты культурных растений позволит повысить их устойчивость к абиотическим стрессам, таким как засоленность, засуха и холод. Однако компоненты системы вырождены – каждая реакция катализируется серией ферментов, кодируемых разными генами. Выбор наиболее важных компонентов позволит ускорить нахождение оптимальной селекционной стратегии для улучшения свойств всей системы у хозяйственно ценных видов растений. В настоящей работе впервые проведен системно-биологический анализ особенностей молекулярной эволюции и характеристик экспрессии генов, принадлежащих к четырем функциональным группам ферментов антиоксидантной защиты (APX, GPX, SOD и CAT), у шести представителей C3 и трех представителей C4 злаковых растений. Выделены и проанализированы 25 ортологических групп генов. Выявлены шесть ортологических групп с наиболее высоким уровнем экспрессии и наибольшим давлением стабилизирующего отбора для дальнейшей верификации и использования в селекции. Эти шесть ортологических групп, предположительно, вносят больший вклад в функционирование антиоксидантной системы изученных C3 и C4 злаковых растений. Показано, что интеграция эволюционных характеристик и экспрессионных данных представляет перспективный подход к предсказанию важных для селекции генов в геномах хозяйственно ценных растений.
Reactive oxygen species (ROS) are some of the most damaging factors for living systems. Cells produce ROS during normal metabolism reactions, but ROS production increases under stressful conditions. Improving the antioxidant system in cultivated plants will increase their tolerance to abiotic stresses, such as salinity, drought and cold. However, the biochemical components of the system are redundant, for each reaction is catalyzed by a series of enzymes encoded by different genes. Choosing the most perspective components of this system will help speed up evaluating the optimal breeding strategy for improving abiotic stress tolerance in economically valuable plants. In the present research article, we present the results of an integrative analysis of evolution- and expressionrelated characteristics. The work was carried out on a series of genes that belong to 4 functional groups (APX, GPX, SOD and CAT) of enzymatic components of the antioxidant defense system in six species of C3 cereal plants and 3 species of C4 cereal plants. As a result, 25 groups of orthologous genes were evaluated and described. The highest gene expression level and the greatest pressure of purifying selection were found to characterize six groups. These genes were chosen for further verification and use in breeding. Because these genes undergo the most conservative evolution and have the highest level of mRNA expression, we may assume that they contribute a lot to the antioxidant system functioning of the C3 and C4 cereal plants studied. We have shown that the integration of evolutionary characteristics and expression data represents a promising approach to predict target genes for plant breeding.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.