Preview

Вавиловский журнал генетики и селекции

Расширенный поиск

Генетические механизмы акклиматизации чайного растения (Camellia sinensis (L.) Kuntze) к холодовому стрессу

https://doi.org/10.18699/VJ19.572

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.

Об авторах

Л. С. Самарина
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия

Сочи



Л. С. Малюкова
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия

Сочи



М. В. Гвасалия
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия

Сочи



А. М. Ефремов
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия

Сочи



В. И. Маляровская
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия

Сочи



С. В. Лошкарёва
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
Россия

Сочи



М. Т. Туов
Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур
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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 10.1093/pcp/pcy091.


Просмотров: 379


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


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