Структурно-функциональные особенности изоформ фитоинсинтазы PSY1 и PSY2 у сортов перца Capsicum annuum L.

Плоды сортов перца характеризуются различной окраской, которая определяется соотношением пигментов, при этом в спелых плодах доминируют каротиноиды, тогда как в неспелых – хлорофиллы (иногда вместе с антоцианами). Ключевым регулятором биосинтеза каротиноидов является фитоинсинтаза, кодируемая геном PSY. Геном перца Capsicum annuum содержит два гена, кодирующих фитоинсинтазы, одна из которых локализуется преимущественно в пластидах листа (PSY2), другая – в пластидах плода (PSY1). В данной работе были идентифицированы полногеномные последовательности PSY1 и PSY2 у девяти сортов C. annuum, различающихся окраской спелого плода. Вариабельность последовательностей составила 2.43 % (69 SNP) и 1.21 % (36 SNP). Наиболее вариабельны белки PSY1 сортов Мария (красный плод) и Сладкий шоколад (красно-коричневый плод). В последовательностях PSY1 и PSY2 определены фитоинсинтазный домен HH-IPPS и транзитный пептид. Идентифицированы функционально значимые участки в домене HH-IPPS PSY1 и PSY2 анализируемой выборки сортов перца. Для исследуемых образцов области, ограничивающие активные сайты (YAKTF и RAYV), аспартат-богатые субстрат-Mg2+-связывающие сайты (DELVD и DVGED) и другие функциональные сайты, консервативны. Транзитные пептиды были более вариабельны, их сходство у белков PSY1 и PSY2 не превышало 78.68 %. Биохимический анализ показал, что наибольшие количества хлорофиллов и каротиноидов среди исследуемой выборки содержатся в неспелых и спелых плодах сортов Сладкий шоколад и Шоколадный. Значительным содержанием хлорофиллов, но минимальным – каротиноидов отличались спелые плоды сорта Несозревающий (зеленый плод). Профиль экспрессии генов PSY1 и PSY2 был определен в перикарпе плода на трех стадиях созревания у сортов Желтый букет, Сладкий шоколад, Кармин и Несозревающий, контрастных по окраске спелого плода – желтой, коричневой, темно-красной и зеленой соответственно. В листьях исследуемых сортов уровни экспрессии PSY1 значительно варьировали. Для всех сортов был характерен рост транскрипции гена PSY1 по мере созревания плода, при этом в зрелом плоде максимальный уровень транскрипции выявлен у сорта Сладкий шоколад, а самый низкий – у сорта Несозревающий. Транскрипты PSY2 были выявлены не только в листе и незрелом плоде, но и в спелых плодах. Оценка возможной корреляции транскрипции PSY1 и PSY2 с суммарным содержанием каротиноидов и хлорофиллов показала, что имеется прямая зависимость между уровнем экспрессии гена PSY1 и каротиноидной пигментацией плода в процессе созревания. Высказано предположение, что у сорта Несозревающий отсутствие типичного для плодов перца паттерна пигментации перикарпа в процессе созревания может быть связано с нарушениями образования хромопластов.

1. Филюшин М.А., Джос Е.А., Щенникова А.В., Кочиева Е.З. Зависимость окраски плодов перца от соотношения основных пигментов и профиля экспрессии генов биосинтеза каротиноидов и антоцианов. Физиология растений. 2020;67(6):644-653. DOI 10.31857/S0015330320050048.

2. Bemer M., Karlova R., Ballester A.R., Tikunov Y.M., Bovy A.G., Wolters-Arts M., de Barros Rossetto P., Angenent G.C., de Maagd R.A. The tomato FRUITFULL homologs TDR4/FUL1 and MBP7/FUL2 regulate ethylene-independent aspects of fruit ripening. Plant Cell. 2012;24:4437. DOI 10.1105/tpc.112.103283.

3. Berry H.M., Rickett D.V., Baxter C.J., Enfissi E.M.A., Fraser P.D. Carotenoid biosynthesis and sequestration in red chilli pepper fruit and its impact on colour intensity traits. J. Exp. Bot. 2019;70(10):2637-2650. DOI 10.1093/jxb/erz086.

4. Cao H., Luo H., Yuan H., Eissa M.A., Thannhauser T.W., Welsch R., Hao Y.-J., Cheng L., Li L. A neighboring aromatic-aromatic amino acid combination governs activity divergence between tomato phytoene synthases. Plant Physiol. 2019;180(4):1988-2003. DOI 10.1104/pp.19.00384.

5. Cervantes-Paz B., Yahia E.M., Ornelas-Paz J.J., Victoria-Campos C.I., Ibarra-Junquera V., Pérez-Martínez J.D., Escalante-Minakata P. Antioxidant activity and content of chlorophylls and carotenoids in raw and heat-processed Jalapeño peppers at intermediate stages of ripening. Food Chem. 2014;146:188-196. DOI 10.1016/j.foodchem.2013.09.060.

6. Deruère J., Römer S., d’Harlingue A., Backhaus R.A., Kuntz M., Camara B. Fibril assembly and carotenoid overaccumulation in chromoplasts: a model for supramolecular lipoprotein structures. Plant Cell. 1994;6:119-133. DOI 10.2307/3869680.

7. Dias G.B., Gomes V.M., Moraes T.M., Zottich U.P., Rabelo G.R., Carvalho A.O., Moulin M., Gonçalves L.S., Rodrigues R., Da Cunha M. Characterization of Capsicum species using anatomical and molecular data. Genet. Mol. Res. 2013;12:6488-6501. DOI 10.4238/2013.february.28.29. Enfissi E.M., Nogueira M., Bramley P.M., Fraser P.D. The regulation of carotenoid formation in tomato fruit. Plant J. 2017;89:774-788.DOI 10.1111/tpj.13428.

8. Fraser P.D., Enfissi E.M., Halket J.M., Truesdale M.R., Yu D., Gerrish C., Bramley P.M. Manipulation of phytoene levels in tomato fruit: effects on isoprenoids, plastids, and intermediary metabolism. Plant Cell. 2007;19(10):3194-3211. DOI 10.1105/tpc.106.049817.

9. Fraser P.D., Schuch W., Bramley P.M. Phytoene synthase from tomato (Lycopersicon esculentum) chloroplasts – partial purification and biochemical properties. Planta. 2000;211:361-369. DOI 10.1007/s004250000293.

10. Giorio G., Stigliani A.L., D’Ambrosio C. Phytoene synthase genes in tomato (Solanum lycopersicum L.) – new data on the structures, the deduced amino acid sequences and the expression patterns. FEBS J. 2008;275(3):527-535. DOI 10.1111/j.1742-4658.2007.06219.x.

11. Giuffrida D., Dugo P., Torre G., Bignardi C., Cavazza A., Corradini C., Dugo G. Characterization of 12 Capsicum varieties by evaluation of their carotenoid profile and pungency determination. Food Chem. 2013;140(4):794-802. DOI 10.1016/j.foodchem.2012.09.060.

12. Giuliano G. Provitamin A biofortification of crop plants: a gold rush with many miners. Curr. Opin. Biotechnol. 2017;44:169-180. DOI 10.1016/j.copbio.2017.02.001.

13. Ha S.H., Kim J.B., Park J.S., Lee S.-W., Cho K.-J. A comparison of the carotenoid accumulation in Capsicum varieties that show different ripening colours: deletion of the capsanthin–capsorubin synthase gene is not a prerequisite for the formation of a yellow pepper. J. Exp. Bot. 2007;58:3135-3144. DOI 10.1093/jxb/erm132.

14. Howard L.R., Talcott S.T., Brenes C.H., Villalon B. Changes in phytochemical and antioxidant activity of selected pepper cultivars (Capsicum species) as influenced by maturity. J. Agric. Food Chem. 2000;48:1713-1720. DOI 10.1021/jf990916t.

15. Jang S.J., Jeong H.B., Jung A., Kang M.-Y., Kim S., Ha S.-H., Kwon J.- K., Kang B.-C. Phytoene Synthase 2 can compensate for the absence of Psy1 in Capsicum fruit. J. Exp. Bot. 2020;71(12): 3417-3427. pii: eraa155. DOI 10.1093/jxb/eraa155.

16. Kachanovsky D.E., Filler S., Isaacson T., Hirschberg J. Epistasis in tomato color mutations involves regulation of phytoene synthase 1 expression by cis-carotenoids. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2012;109: 19021-19026. DOI 10.1073/pnas.1214808109.

17. Kilcrease J., Rodriguez-Uribe L., Richins R.D., Arcos J.M.G., Victorino J., O’Connell M.A. Correlations of carotenoid content and transcript abundances for fibrillin and carotenogenic enzymes in Capsicum annum fruit pericarp. Plant Sci. 2015;232:57-66. DOI 10.1016/j.plantsci.2014.12.014.

18. Levy A., Hare S., Palevitch D., Akiri B., Menagem E., Kanner J. Carotenoid pigments and β-carotene in paprika fruits (Capsicum spp.) with different genotypes. J. Agric. Food Chem. 1995;43:362-366. DOI 10.1021/jf00050a019.

19. Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes. Methods Enzymol. 1987;148:350-382. DOI 10.1016/0076-6879(87)48036-1.

20. Márkus F., Daood H.G., Kapitaány J., Biacs P.A. Change in the carotenoid and antioxidant content of spice red pepper (paprika) as a function of ripening and some technological factors. J. Agric. Food Chem. 1999;47:100-107. DOI 10.1021/jf980485z.

21. Meléndez-Martínez A.J., Fraser P.D., Bramley P.M. Accumulation of health promoting phytochemicals in wild relatives of tomato and their contribution to in vitro antioxidant activity. Phytochemistry. 2010;71(10):1104-1114. DOI 10.1016/j.phytochem.2010. 03.021.

22. Mohd Hassan N., Yusof N.A., Yahaya A.F., Mohd Rozali N.N., Othman R. Carotenoids of Capsicum fruits: pigment profile and healthpromoting functional attributes. Antioxidants (Basel ). 2019;8(10): 469. DOI 10.3390/antiox8100469.

23. Moscone E.A., Scaldaferro M.A., Grabiele M., Cecchini N.M., Sánchez García Y., Jarret R., Daviña J.R., Ducasse D.A., Barboza G.E., Ehrendorfer F. The evolution of chili peppers (Capsicum – Solanaceae): a cytogenetic perspective. Acta Hortic. 2007;745:137-170. DOI 10.17660/ActaHortic.2007.745.5.

24. Osorio C.E. The role of orange gene in carotenoid accumulation: manipulating chromoplasts toward a colored future. Front. Plant Sci. 2019;10:1235. DOI 10.3389/fpls.2019.01235.

25. Puchooa D. A simple, rapid and efficient method for the extraction of genomic DNA from lychee (Litchi chinensis Sonn.). Afr. J. Biotech. 2004;3:253-255. DOI 10.5897/ajb2004.000-2046.

26. Shumskaya M., Bradbury L.M.T., Monaco R.R., Wurtzel E.T. Plastid localization of the key carotenoid enzyme phytoene synthase is altered by isozyme, allelic variation, and activity. Plant Cell. 2012;24: 3725-3741. DOI 10.1105/tpc.112.104174.

27. Solovchenko A.E., Chivkunova O.B., Merzlyak M.N., Reshetnikova I.V. A spectrophotometric analysis of pigments in apples. Rus. J. Plant Phys. 2001;48(5):693-700.

28. Stauder R., Welsch R., Camagna M., Kohlen W., Balcke G.U., Tissier A., Walter M.H. Strigolactone levels in dicot roots are determined by an ancestral symbiosis-regulated clade of the PHYTOENE SYNTHASE gene family. Front. Plant Sci. 2018;9:255. DOI 10.3389/fpls.2018.00255.

29. Story E.N., Kopec R.E., Schwartz S.J., Harris G.K. An update on the health effects of tomato lycopene. Annu. Rev. Food Sci. Technol. 2010;1:189-210. DOI 10.1146/annurev.food.102308.124120.

30. Sun T., Li L. Toward the ‘golden’ era: the status in uncovering the regulatory control of carotenoid accumulation in plants. Plant Sci. 2020; 290:110331. DOI 10.1016/j.plantsci.2019.110331.

31. Sun T., Xu Z., Wu C.T., Janes M., Prinyawiwatkul W., No H.K. Antioxidant activities of different colored sweet bell peppers (Capsicum annuum L.). J. Food Sci. 2007;72(2):98-102. DOI 10.1111/j.1750-3841.2006.00245.x.

32. Thorup T.A., Tanyolac B., Livingstone K.D., Popovsky S., Paran I., Jahn M. Candidate gene analysis of organ pigmentation loci in the Solanaceae. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000;97:11192-11197. DOI 10.1073/pnas.97.21.11192.

33. Welsch R., Medina J., Giuliano G., Beyer P., von Lintig J. Structural and functional characterization of the phytoene synthase promoter from Arabidopsis thaliana. Planta. 2003;216:523-534. DOI 10.1007/s00425-002-0885-3.

34. Zhou X., Welsch R., Yang Y., Álvarez D., Riediger M., Yuan H., Fish T., Liu J., Thannhauser T.W., Li L. Arabidopsis OR proteins are the major posttranscriptional regulators of phytoene synthase in controlling carotenoid biosynthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015; 112(11):3558-3563. DOI 10.1073/pnas.1420831112.