ПРЕДСКАЗАНИЕ МЕТОДАМИ СИСТЕМНОЙ БИОЛОГИИ НАИБОЛЕЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГЕНОВ-МИШЕНЕЙ ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К ОКИСЛИТЕЛЬНОМУ СТРЕССУ C3 И C4 КУЛЬТУРНЫХ ЗЛАКОВ


https://doi.org/10.18699/VJ18.339

Полный текст:


Аннотация

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.


Об авторах

А. В. Дорошков
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
Россия


А. В. Бобровских
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
Россия


Список литературы

1. Altschul S.F., Gish W., Miller W., Myers E.W., Lipman D.J. Basic local alignment search tool. J. Mol. Biol. 1990;215(3):403-410. DOI 10.1016/S0022-2836(05)80360-2.

2. Arvestad L. Efficient methods for estimating amino acid replacement rates. J. Mol. Evol. 2006;62(6):663-673. DOI 10.1007/s00239-004-0113-9.

3. Das K., Roychoudhury A. Reactive oxygen species (ROS) and response of antioxidants as ROS-scavengers during environmental stress in plants. Front. Environ. Sci. 2014;2:53. DOI 10.3389/fenvs.2014.00053.

4. De La Torre A.R., Lin Y., Van de Peer Y., Ingvarsson P.K. Genomewide analysis reveals diverged patterns of codon bias, gene expression, and rates of sequence evolution in Picea gene families. Genome Biol. Evol. 2015;7(4):1002-1015. DOI 10.1093/gbe/evv044.

5. Ehleringer J.R., Sage R.F., Flanagan L.B., Pearcy R.W. Climate change and the evolution of C4 photosynthesis. Trends Ecol. Evol. 1991;6(3):95-99. DOI 10.1016/0169-5347(91)90183-X.

6. Gill S.S., Tajrishi M., Madan M., Tuteja N. A DESD-box helicase functions in salinity stress tolerance by improving photosynthesis and antioxidant machinery in rice (Oryza sativa L. cv. PB1). Plant Mol. Biol. 2013;82(1-2):1-22. DOI 10.1007/s11103-013-0031-6.

7. Gill S.S., Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiol. Biochem. 2010;48(12):909-930. DOI 10.1016/j.plaphy.2010.08.016.

8. Guindon S., Gascuel O. A simple, fast, and accurate algorithm to estimate large phylogenies by maximum likelihood. Syst. Biol. 2003; 52(5):696-704. DOI 10.1080/10635150390235520.

9. Gunbin K.V., Suslov V.V., Genaev M.A., Afonnikov D.A. Computer system for analysis of molecular evolution modes (SAMEM): analysis of molecular evolution modes at deep inner branches of the phylogenetic tree. In Silico Biol. 2012;11(3,4):109-123. DOI 10.3233/ISB-2012-0446.

10. Hammer Ø., Harper D.A.T., Ryan P.D. Paleontological statistics software: Package for education and data analysis. Palaeontol. Electronica. 2001;4. Available at: http://palaeo-electronica.org/2001_1/past/issue1_01.htm.

11. Hammond-Kosack K.E., Jones J.D. Resistance gene-dependent plant defense responses. Plant Cell. 1996;8(10):1773-1791.

12. Han M.V., Zmasek C.M. phyloXML: XML for evolutionary biology and comparative genomics. BMC Bioinformatics. 2009;10(1):356. DOI 10.1186/1471-2105-10-356.

13. Hatch M.D. C4 photosynthesis: a unique elend of modified biochemistry, anatomy and ultrastructure. Biochim. Biophys. Acta – Rev. Bioenergetics. 1987;895(2):81-106. DOI 10.1016/S0304-4173(87)80009-5.

14. Hatch M.D. C4 photosynthesis: discovery and resolution. In: Govindjee, Beatty J.T., Gest H., Allen J.F. (Eds.). Discoveries in Photosynthesis. Springer, 2005:875-880.

15. Henikoff S., Henikoff J.G. Amino acid substitution matrices from protein blocks. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1992;89(22):10915-10919.

16. Hohmann-Marriott M.F., Blankenship R.E. Evolution of photosynthesis. Annu. Rev. Plant Biol. 2011;62(1):515-548. DOI 10.1146/annurev-arplant-042110-103811.

17. Ingvarsson P.K. Gene expression and protein length influence codon usage and rates of sequence evolution in Populus tremula. Mol. Biol. Evol. 2007;24(3):836-844. DOI 10.1093/molbev/msl212.

18. Jia J., Zhao S., Kong X., Li Y., Zhao G., He W., Appels R., Pfeifer M., Tao Y., Zhang X., Jing R., Zhang C., Ma Y., Gao L., Gao C., Spannagl M., Mayer K., Li D., Pan S., Zheng F., Hu Q., Xia X., Li J., Liang Q., Chen J., Wicker T., Gou C., Kuang H., He G., Luo Y., Keller B., Xia Q., Lu P., Wang J., Zou H., Zhang R., Xu J., Gao J., Middleton C., Quan Z., Liu G., Wang J., International Wheat Genome Sequencing Consortium, Yang H., Liu X., He Z., Mao L., Wang J. Aegilops tauschii draft genome sequence reveals a gene repertoire for wheat adaptation. Nature. 2013;496:91-95. DOI 10.5524/100054.

19. Karpilov Y.S. The distribution of radioactive carbon 14 amongst the products of photosynthesis of maize. Trudy Kazanskogo sel’skokhozyaystvennogo instituta = Works of the Kazan Agricultural Institute. 1960;41(1):15-24. (in Russian)

20. Katoh K., Toh H. Recent developments in the MAFFT multiple sequence alignment program. Brief. Bioinform. 2008;9(4):286-298. DOI 10.1093/bib/bbn013.

21. Khaliq A., Zia-ul-Haq M., Ali F., Aslam F., Matloob A., Navab A., Hussain S. Salinity tolerance in wheat cultivars is related to enhanced activities of enzymatic antioxidants and reduced lipid peroxidation. CLEAN – Soil, Air, Water. 2015;43(8):1248-1258. DOI 10.1002/clen.201400854.

22. Li W.L., Faris J.D., Chittoor J.M., Leach J.E., Hulbert S.H., Liu D.J., Chen P.D., Gill B.S. Genomic mapping of defense response genes in wheat. Theor. Appl. Genet. 1999;98(2):226-233. DOI 10.1007/s001220051062.

23. Li W.H., Yang J., Gu X. Expression divergence between duplicate genes. Trends Genet. 2005;21(11):602-607. DOI 10.1016/j.tig.2005.08.006.

24. Mittler R., Vanderauwera S., Gollery M., Van Breusegem F. Reactive oxygen gene network of plants. Trends Plant Sci. 2004;9(10):490-498. DOI 10.1016/j.tplants.2004.08.009.

25. Neuman P.R., Hart G.E. Genetic control of the mitochondrial form of superoxide dismutase in hexaploid wheat. Biochem. Genet. 1986; 24(5-6):435-446.

26. Noctor G., Foyer C.H. Ascorbate and glutathione: keeping active oxygen under control. Annu. Rev. Plant Biol. 1998;49(1):249-279. DOI 10.1146/annurev.arplant.49.1.249.

27. Orozco-Cardenas M., Ryan C.A. Hydrogen peroxide is generated systemically in plant leaves by wounding and systemin via the octadecanoid pathway. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999;96(11):6553-6557. DOI 10.1073/pnas.96.11.6553.

28. Osipova S., Permyakov A., Permyakova M., Pshenichnikova T., Verkhoturov V., Rudikovsky A., Rudikovskaya E., Shishparenok A., Doroshkov A., Börner A. Regions of the bread wheat D genome associated with variation in key photosynthesis traits and shoot biomass under both well watered and water deficient conditions. J. Appl. Genet. 2016;57(2):151-163. DOI 10.1007/s13353-015-0315-4.

29. Peremyslov V.V., Mockler T.C., Filichkin S.A., Fox S.E., Jaiswal P., Makarova K.S., Koonin E.V., Dolja V.V. Expression, splicing, and evolution of the myosin gene family in plants. Plant Physiol. 2011; 155(3):1191-1204. DOI 10.1104/pp.110.170720.

30. Rambaut A. FigTree, version 1.4: tree figure drawing tool. 2008. http://tree.bio.ed.ac.uk/software/figtree/.

31. Reynolds M., Foulkes M.J., Slafer G.A., Berry P., Parry M.A., Snape J.W., Angus W.J. Raising yield potential in wheat. J. Exp. Bot. 2009;60(7):1899-1918. DOI 10.1093/jxb/erp016.

32. Sage R.F., Sage T.L., Kocacinar F. Photorespiration and the evolution of C4 photosynthesis. Annu. Rev. Plant Biol. 2012;63:19-47. DOI 10.1146/annurev-arplant-042811-105511.

33. Trethowan R.M., Mujeeb-Kazi A. Novel germplasm resources for improving environmental stress tolerance of hexaploid wheat. Crop Sci. 2008;48(4):1255-1265. DOI 10.2135/cropsci2007.08.0477.

34. Wang X., Cai J., Liu F., Dai T., Cao W., Wollenweber B., Jiang D. Multiple heat priming enhances thermo-tolerance to a later high temperature stress via improving subcellular antioxidant activities in wheat seedlings. Plant Physiol. Biochem. 2014;74:185-192. DOI 10.1016/j.plaphy.2013.11.014.

35. Wright S.I., Yau C.K., Looseley M., Meyers B.C. Effects of gene expression on molecular evolution in Arabidopsis thaliana and Arabidopsis lyrata. Mol. Biol. Evol. 2004;21(9):1719-1726. DOI 10.1093/molbev/msh191.

36. Wu G., Wilen R.W., Robertson A.J., Gusta L.V. Isolation, chromosomal localization, and differential expression of mitochondrial manganese superoxide dismutase and chloroplastic copper/zinc superoxide dismutase genes in wheat. Plant Physiol. 1999;120(2):513-520. DOI 10.1104/pp.120.2.513.

37. Zhang J. Evolution by gene duplication: an update. Trends Ecol. Evol. 2003;18(6):292-298. DOI 10.1016/S0169-5347(03)00033-8.

38. Zmasek C.M. Archaeopteryx: visualization, analysis, and editing of phylogenetic trees. 2015. Available at: https://sites.google.com/site/cmzmasek/home/software/archaeopteryx.


Дополнительные файлы

Просмотров: 189

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2500-0462 (Print)
ISSN 2500-3259 (Online)