Генетические механизмы акклиматизации чайного растения (Camellia sinensis (L.) Kuntze) к холодовому стрессу
Л. С. Самарина,
Л. С. Малюкова,
М. В. Гвасалия,
А. М. Ефремов,
В. И. Маляровская,
С. В. Лошкарёва,
М. Т. Туов https://doi.org/10.18699/VJ19.572
- Р Р‡.МессенРТвЂВВВВВВВВжер
- РћРТвЂВВВВВВВВнокласснРСвЂВВВВВВВВРєРСвЂВВВВВВВВ
- LiveJournal
- Telegram
- ВКонтакте
- РЎРєРѕРїРСвЂВВВВВВВВровать ссылку
Полный текст:
Аннотация
Проведен обзор публикаций о генетических механизмах, лежащих в основе холодоустойчивости чая и других видов высших растений. Холодовой стресс, включающий охлаждение (0…+15°C) и заморозки (< 0°C), нарушает метаболизм в клетках и тканях и ингибирует рост растений. Показано, что в последние десятилетия достигнут большой прогресс в понимании генетических механизмов ответа растений на холодовой стресс, были открыты ключевые гены – ICE (inducer of CBF expression), CBF (C-repeat-binding factor), COR (cold-regulated genes) – и их сигнальные пути. Установлено, что накопление транскриптов CBF происходит уже через 15 мин после начала воздействия низких температур, +4°C, они играют важнейшую роль в холодовой акклиматизации чайного растения. Однако существует и CBF-независимый путь, включающий различные гены и транскрипционные факторы, такие как HSFC1, ZAT12, CZF1, PLD (фосфолипаза D), WRKY, HD-Zip, CsLEA, LOX, NAC, HSP, которые широко распространены у растений и вовлечены в базовые механизмы устойчивости чая к холоду и заморозкам. Обнаружено повышенное накопление транскриптов генов CsDHN1, CsDHN2 и CsDHN3 у устойчивых генотипов чая в сравнении с неустойчивыми сортами в период заморозков. Определена важная роль микроРНК в механизмах ответа на охлаждение и заморозки у чая. Генетический ответ растений на охлаждение и заморозки не одинаков, и экспрессия генов ответа носит генотип-специфический характер. Приведенные результаты исследований подчеркивают необходимость дальнейшего изучения механизмов, посредством которых различные гены регулируют устойчивость чая к холодовому стрессу, для выявления генетических маркеров устойчивости.
Ключевые слова
Camellia sinensis,
морозоустойчивость,
регуляторные гены,
CBF,
транскрипционные факторы,
генетические маркеры,
селекция
При поддержке: This work was supported by the Russian Science Foundation, project 18-76-10001.
Об авторах
Л. С. Самарина
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия
Россия
Сочи
Л. С. Малюкова
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия
Россия
Сочи
М. В. Гвасалия
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия
Россия
Сочи
А. М. Ефремов
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия
Россия
Сочи
В. И. Маляровская
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия
Россия
Сочи
С. В. Лошкарёва
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия
Россия
Сочи
М. Т. Туов
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия
Россия
Сочи
Список литературы
1. Achard P., Gong F., Cheminant S., Alioua M., Hedden P., Genschik P. The coldinducible CBF1 factordependent signaling pathway modulates the accumulation of the growthrepressing DELLA proteins via its effect on gibberellin metabolism. Plant Cell. 2008;20:21172129.
2. Ban Q., Wang X., Pan C., Wang Y., Kong L., Jiang H., Xu Y., Wang W., Pan Y., Li Y., Jiang Ch. Comparative analysis of the response and gene regulation in cold resistant and susceptible tea plants. PLoS One. 2017;12(12):e0188514. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0188514.
3. Cao H., Wang L., Yue C., Hao X., Wang X., Yang Y. Isolation and expression analysis of 18 CsbZIP genes implicated in abiotic stress responses in the tea plant (Camellia sinensis). Plant Physiol. Biochem. 2015;97:432442.
4. Chen J., Gao T., Wan S., Zhang Y., Yang J., Yu Y., Wang W. Genomewide identification, classification and expression analysis of the HSP gene superfamily in tea plant (Camellia sinensis). Int. J. Mol. Sci. 2018;19:2633. https://doi.org/10.3390/ijms19092633.
5. Chinnusamy V., Ohta M., Kanrar S., Lee B.H., Hong X., Agarwal M., Zhu J.K. ICE1: a regulator of coldinduced transcriptome and freezing tolerance in Arabidopsis. Genes Dev. 2003;17:10431054.
6. Ding Z., Li C., Shi H., Wang H., Wang Y. Pattern of CsICE1 expression under cold or drought treatment and functional verification through analysis of transgenic Arabidopsis. Genet. Mol. Res. 2015;14:1125911270.
7. El Kayal W., Navarro M., Marque G., Keller G., Marque C., Teulieres C. Expression profile of CBFlike transcriptional factor genes from Eucalyptus in response to cold. J. Exp. Bot. 2006;57:24552469.
8. Eriksson M.E., Webb A.A.R. Plant cell responses to cold are all about timing. Curr. Opin. Plant Biol. 2011;14:731737.
9. Gao S.Q., Chen M., Xu Z.S. The soybean GmbZIP1 transcription factor enhances multiple abiotic stress tolerances in transgenic plants. Plant Mol. Biol. 2011;75:537553.
10. Hua J. Defining roles of tandemly arrayed CBF genes in freezing tolerance with new genome editing tools. New Phytol. 2016;212: 301302.
11. Jia Y., Ding Y., Shi Y., Zhang X., Gong Z., Yang S. The cbfs triple mutants reveal the essential functions of CBFs in cold acclimation and allow the definition of CBF regulons in Arabidopsis. New Phytol. 2016;212:345353.
12. Kargiotidou A., Deli D., Galanopoulou D., Tsaftaris A., Farmaki T. Low temperature and light regulate delta 12 fatty acid desaturases (FAD2) at a transcriptional level in cotton (Gossypium hirsutum). J. Exp. Bot. 2008;59:20432056. https://doi.org/10.1093/jxb/ern065.
13. Kim J., Kang J.Y., Kim S.Y. Overexpression of a transcription factor regulating ABAresponsive gene expression confers multiple stress tolerance. Plant Biotechnol. J. 2004;2:459466.
14. Kitashiba H., Ishizaka T., Isuzugawa K., Nishimura K., Suzuki T. Expression of a sweet cherry DREB1/CBF ortholog in Arabidopsis confers salt and freezing tolerance. J. Plant Physiol. 2004;161: 11711176.
15. Li L., Lu X., Ma H., Lyu D. Jasmonic acid regulates the ascorbate-glutathione cycle in Malus baccata Borkh. roots under low rootzone temperature. Acta Physiol. Plant. 2017;39:174.
16. Li Q., Lei S., Du K., Li L., Pang X., Wang Zh., Wei M., Fu S., Hu L., Xu L. RNAseq based transcriptomic analysis uncovers αlinolenic acid and jasmonic acid biosynthesis pathways respond to cold acclimation in Camellia japonica. Sci. Rep. 2016;7(6):36463. https://doi.org/10.1038/srep36463.
17. Li W.Q., Li M.Y., Zhang W.H., Welti R., Wang X.M. The plasma membranebound phospholipase D delta enhances freezing tolerance in Аrabidopsis thaliana. Nat. Biotechnol. 2004;22:427433. https://doi.org/10.1038/nbt949.
18. Li W.Q., Wang R.P., Li M.Y., Li L.X., Wang C.M., Welti R., Wang X. Differential degradation of extraplastidic and plastidic lipids during freezing and postfreezing recovery in Arabidopsis thaliana. J. Biol. Chem. 2008;283:461468. https://doi.org/10.1074/jbc.M706692200.
19. Li Y.Y., Zhou Y.Q., Xie X.F., Shu X.T., Deng W.W., Jiang C.J. Cloning and transcription analysis of dehydrin gene (CsDHN) in tea plant (Camellia sinensis). J. Agric. Biotechnol. 2016;24:332341.
20. Megha S., Basu U., Kav N.N.V. Regulation of low temperature stress in plants by microRNAs. Plant Cell Environ. 2018;41:115.
21. Park S., Lee C.M., Doherty C.J., Gilmour S.J., Kim Y., Thomashow M.F. Regulation of the Arabidopsis CBF regulon by a complex lowtemperature regulatory network. Plant J. 2015;82:193207.
22. Paul A., Kumar S. Dehydrin2 is a stressinducible, whereas Dehyd rin1 is constitutively expressed but upregulated gene under varied cues in tea [Camellia sinensis (L.) O. Kuntze]. Mol. Biol. Rep. 2013;40: 38593863. https://doi.org/10.1007/s1103301224662.
23. Pennycooke J.C., Cheng H., Stockinger E.J. Comparative genomic sequence and expression analyses of Medicago truncatula and alfalfa subspecies falcata COLD-ACCLIMATION-SPECIFIC genes. Plant Physiol. 2008;146:12421254. https://doi.org/10.1104/pp.107.108779.
24. SharabiSchwager M., Samach A., Porat R. Overexpression of the CBF2 transcriptional activator in Arabidopsis counteracts hormone activation of leaf senescence. Plant Signal Behav. 2010;5(3):296309.
25. Shen W., Li H., Teng R., Wang Y., Wang W., Zhuang J. Genomic and transcriptomic analyses of HD-Zip family transcription factors and their responses to abiotic stress in tea plant (Camellia sinensis). Genomics. 2018. https://doi.org/10.1016/j.ygeno.2018.07.009.
26. Thomashow M.F. Plant cold acclimation: freezing tolerance genes and regulatory mechanisms. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1999;50:571599.
27. Vogel J.T., Zarka D.G., Van Buskirk H.A., Fowler S.G., Thomashow M.F. Roles of the CBF2 and ZAT12 transcription factors in configuring the low temperature transcriptome of Arabidopsis. Plant J. 2005;41:195211.
28. Vyas D., Kumar S. Tea (Camellia sinensis (L.) O. Kuntze) clone with lower period of winter dormancy exhibits lesser cellular damage in response to low temperature. Plant Physiol. Biochem. 2005;43: 383388.
29. Wang L., Cao H., Qian W., Yao L., Hao X., Li N., Yang Y., Wang X. Identification of a novel bZIP transcription factor in Camellia sinensis as a negative regulator of freezing tolerance in transgenic Arabidopsis. Ann. Bot. 2017;119:11951209.
30. Wang L., Li X., Zhao Q., Jing Sh., Chen Sh., Yuan H. Identification of genes induced in response to lowtemperature treatment in tea leaves. Plant Mol. Biol. Rep. 2009;27:257265. https://doi.org/10.1007/s1110500800797.
31. Wang W., Gao T., Chen J., Yang J., Huang H., Yu Y. The late embryogenesis abundant gene family in tea plant (Camellia sinensis): Genomewide characterization and expression analysis in response to cold and dehydration stress. Plant Physiol. Biochem. 2018;135:277286. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2018.12.009.
32. Wang Y., Jiang C.J., Li Y.Y., Wei C.L., Deng W.W. CsICE1 and CsCBF1: two transcription factors involved in cold responses in Camellia sinensis. Plant Cell Rep. 2012;31:2734. https://doi.org/10.1007/s0029901111365.
33. Wang Y.X., Liu Z.W., Wu Z.J., Li H., Zhuang J. Transcriptomewide identification and expression analysis of the NAC gene family in tea plant [Camellia sinensis (L.) O. Kuntze] PLoS One. 2016a; 11(11):e0166727. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0166727.
34. Wang Y., Shu Z., Wang W., Jiang X., Li D., Pan J., Li X. CsWRKY2, a novel WRKY gene from Camellia sinensis, is involved in cold and drought stress responses. Biol. Plant. 2016b;60:443451. https://doi.org/10.1007/s1053501606182.
35. Welling A., Palva E.T. Molecular control of cold acclimation in trees. Physiol. Plant. 2006;127:167181.
36. Wu Zh., Li X., Liu Zh., Li H., Wang Y., Zhuang J. Transcriptomebased discovery of AP2/ERF transcription factors related to temperature stress in tea plant (Camellia sinensis) Funct. Integr. Genomics. 2015; 15(6):741752. https://doi.org/10.1007/s1014201504579.
37. Yin Y., Ma Q., Zhu Z., Cui Q., Chen Ch., Chen X., Fang W., Li X. Functional analysis of CsCBF3 transcription factor in tea plant (Camellia sinensis) under cold stress. Plant Growth Regul. 2016;80:335. https://doi.org/10.1007/s1072501601720.
38. Yuan H.Y., Zhu X.P., Zeng W., Yang H.M., Sun N., Xie S.X., Cheng L. Isolation and transcription activation analysis of the CsCBF1 gene from Camellia sinensis. Acta Botanica BorealiOccidentalia Sinica. 2013;110:147151.
39. Yue C., Cao H.L., Wang L., Zhou Y.H., Huang Y.T., Hao X.Y., Wang Y.C., Wang B., Yang Y.J., Wang X.C. Effects of CA on sugar metabolism and sugarrelated gene expression in tea plant during the winter season. Plant Mol. Biol. 2015;88:591608. https://doi.org/10.1007/s1110301503457.
40. Zhang L.L., Zhao M.G., Tian Q.Y., Zhang W.H. Comparative studies on tolerance of Medicago truncatula and Medicago falcata to freezing. Planta. 2011;234:445457. https://doi.org/10.1007/s004250111416x.
41. Zhao Ch., Zhang Zh., Xie Sh., Si T., Li Y., Zhu J. Mutational evidence for the critical role of CBF transcription factors in cold acclimation in Arabidopsis. Plant Physiol. 2016;171:27442759.
42. Zhao Ch., Zhu J. The broad roles of CBF genes: From development to abiotic stress. Plant Signal. Behav. 2016;11:8. https://doi.org/10.1080/15592324.2016.1215794.
43. Zheng C., Zhao L., Wang Y., Shen J., Zhang Y., Jia S., Li Y., Ding Z. Integrated RNASeq and sRNASeq analysis identifies chilling and freezing responsive key molecular players and pathways in tea plant (Camellia sinensis). PLoS One. 2015;10(4):e0125031. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0125031.
44. Zhu J., Wang X., Guo L., Xu Q., Zhao S., Li F., Yan X., Liu Sh., Wei Ch. Characterization and alternative splicing profiles of the lipoxygenase gene family in tea plant (Camellia sinensis). Plant Cell Physiol. 2018;59(9):17651781. https://doi.org/10.1093/pcp/pcy091.
Рецензия
Просмотров:
1263
ISSN 2500-3259 (Online)
Послать статью по эл. почте 