Структурно-функциональный анализ MADS-box гена SlMADS5 томата Solanum lycopersicum L.
https://doi.org/10.18699/VJ21.056
- Р Р‡.МессенРТвЂВВВВВВВВжер
- РћРТвЂВВВВВВВВнокласснРСвЂВВВВВВВВРєРСвЂВВВВВВВВ
- LiveJournal
- Telegram
- ВКонтакте
- РЎРєРѕРїРСвЂВВВВВВВВровать ссылку
Полный текст:
Аннотация
На всех этапах цветения решающую роль играет семейство MADS-доменных т ных факторов, комбинаторное действие которых описывается ABCDE-моделью развития цветка. Современный объем данных позволяет говорить о высоком консерватизме ABCDE-генов у покрытосеменных. Е-белки SEPALLATA являются центральным звеном MADS-комплексов, определяющих идентичность цветковых органов. Единственный представитель клады SEPALLATA3 томата Solanum lycopersicum L., SlMADS5, участвует в определении идентичности лепестков, тычинок и плодолистиков, однако данные о функциях гена ограничены. Целью работы стала функциональная характеристика SlMADS5. Структурно-филогенетический анализ SlMADS5 подтвердил его принадлежность к SEP3-кладе. Экспрессионный анализ in silico выявил отсутствие транскриптов гена в корнях, листьях и апикальной меристеме побега и их присутствие в цветках, плодах и семенах на разных стадиях развития. Двугибридный анализ показал способность белка SlMADS5 активировать транскрипцию гена-мишени и взаимодействовать с белком TAGL1. Трансгенные растения Nicotiana tabacum L. с конститутивной сверхэкспрессией кДНК SlMADS5 цвели в 2.2 раза позже и формировали утолщенные листья, имели в 2.5–3.0 раза более толстый стебель, в 1.5–2.7 раза укороченные междоузлия и в 1.9 раза меньше цветков и коробочек, чем нетрансгенные растения. Строение цветков от контроля не отличалось, однако лепестки венчика сменили окраску со светло-розовой на мадженту. Анализ экспрессии SlMADS5 и генов табака NtLFY, NtAP1, NtWUS, NtAG, NtPLE, NtSEP1, NtSEP2 и NtSEP3 в тканях листьев и апексов трансгенных и контрольных растений показал, что мРНК SlMADS5 присутствует только в тканях трансгенных линий. Остальные анализируемые гены высоко экспрессировались в репродуктивной меристеме контрольных растений. Транскрипты данных генов отсутствовали или присутствовали в следовых количествах в листьях и вегетативном апексе контроля, а также в листьях и апексах трансгенных линий. Полученные результаты свидетельствуют о возможном участии гена SlMADS5 в регуляции развития меристемы цветка и пути биосинтеза антоцианов в лепестках.
Об авторах
А. В. Нежданова
Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук
Россия
Россия
Институт биоинженерии
Москва
М. А. Слугина
Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук
Россия
Россия
Институт биоинженерии
Москва
Е. А. Дьяченко
Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук
Россия
Россия
Институт биоинженерии
Москва
А. М. Камионская
Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук
Россия
Россия
Институт биоинженерии
Москва
Е. З. Кочиева
Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук
Россия
Россия
Институт биоинженерии
Москва
А. В. Щенникова
Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук
Россия
Россия
Институт биоинженерии
Москва
Список литературы
1. Alhindi T., Zhang Z., Ruelens P., Coenen H., Degroote H., Iraci N., Geuten K. Protein interaction evolution from promiscuity to specificity with reduced flexibility in an increasingly complex network. Sci. Rep. 2017;7:44948. https://doi.org/10.1038/srep44948.
2. Ampomah-Dwamena C., Morris B.A., Sutherland P., Veit B., Yao J.L. Down-regulation of TM29, a tomato SEPALLATA homolog, causes parthenocarpic fruit development and floral reversion. Plant Physiol. 2002;130(2):605-617. https://doi.org/10.1104/pp.005223.
3. Angenent G.C., Franken J., Busscher M., van Dijken A., van Went J.L., Dons H.J., van Tunen A.J. A novel class of MADS box genes is involved in ovule development in petunia. Plant Cell. 1995;7(10): 1569-1582. https://doi.org/10.1105/tpc.7.10.1569.
4. Busi M.V., Bustamante C., D’Angelo C., Hidalgo-Cuevas M., Boggio S.B., Valle E.M., Zabaleta E. MADS-box genes expressed during tomato seed and fruit development. Plant Mol. Biol. 2003;52(4): 801-815. https://doi.org/10.1023/a:1025001402838.
5. Castillejo C., Romera-Branchat M., Pelaz S. A new role of the Arabidopsis SEPALLATA3 gene revealed by its constitutive expression. Plant J. 2005;43(4):586-596. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2005.02476.x.
6. Coen E.S., Meyerowitz E.M. The war of the whorls: genetic interactions controlling flower development. Nature. 1991;353(6339):31-37. https://doi.org/10.1038/353031a0.
7. Ditta G., Pinyopich A., Robles P., Pelaz S., Yanofsky M.F. The SEP4 gene of Arabidopsis thaliana functions in floral organ and meristem identity. Curr. Biol. 2004;14(21):1935-1940. https://doi.org/10.1016/j.cub.2004.
8. Dong T., Hu Z., Deng L., Wang Y., Zhu M., Zhang J., Chen G. A tomato MADS-box transcription factor, SlMADS1, acts as a negative regulator of fruit ripening. Plant Physiol. 2013;163(2):1026-1036. https://doi.org/10.1104/pp.113.224436.
9. Dyachenko E.A., Slugina М.А. Intraspecific variability of the Sus1 sucrose synthase gene in Pisum sativum accessions. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(1):108-114. https://doi.org/10.18699/VJ18.338. (in Russian)
10. Ferrario S., Immink R.G., Shchennikova A., Busscher-Lange J., Angenent G.C. The MADS box gene FBP2 is required for SEPALLATA function in petunia. Plant Cell. 2003;15(4):914-925. https://doi.org/10.1105/tpc.010280.
11. Ferrario S., Shchennikova A.V., Franken J., Immink R.G., Angenent G.C. Control of floral meristem determinacy in petunia by MADS-box transcription factors. Plant Physiol. 2006;140(3):890-898. https://doi.org/10.1104/pp.105.072660.
12. Goloveshkina E.N., Shulga O.A., Shchennikova A.V., Kamionskaya A.M., Skryabin K.G. Functional characterization of chrysanthemum SEPALLATA3 homologs CDM77 and CDM44 in transgenic tobacco plants. Dokl. Biol. Sci. 2012;443:87-90. https://doi.org/10.1134/S0012496612020020.
13. Honma T., Goto K. Complexes of MADS-box proteins are sufficient to convert leaves into floral organs. Nature. 2001;409(6819):525-529. https://doi.org/10.1038/35054083.
14. Hugouvieux V., Silva C.S., Jourdain A., Stigliani A., Charras Q., Conn V., Conn S.J., Carles C.C., Parcy F., Zubieta C. Tetramerization of MADS family transcription factors SEPALLATA3 and AGAMOUS is required for floral meristem determinacy in Arabidopsis. Nucleic Acids Res. 2018;46(10):4966-4977. https://doi.org/10.1093/nar/gky205.
15. Immink R.G., Tonaco I.A., de Folter S., Shchennikova A., van Dijk A.D., Busscher-Lange J., Borst J.W., Angenent G.C. SEPALLATA3: the ‘glue’ for MADS box transcription factor complex formation. Genome Biol. 2009;10(2):R24. https://doi.org/10.1186/gb-2009-10-2-r24.
16. Jang S., Hong M.Y., Chung Y.Y., An G. Ectopic expression of tobacco MADS genes modulates flowering time and plant architecture. Mol. Cells. 1999;9(6):576-586. http://www.molcells.org/journal/view.html?year=1999&volume=9&number=6&spage=576.
17. Jha P., Ochatt S.J., Kumar V. WUSCHEL: a master regulator in plant growth signaling. Plant Cell. Rep. 2020;39(4):431-444. https://doi.org/10.1007/s00299-020-02511-5.
18. Karlova R., Chapman N., David K., Angenent G.C., Seymour G.B., de Maagd R.A. Transcriptional control of fleshy fruit development and ripening. J. Exp. Bot. 2014;65(16):4527-4541. https://doi.org/10.1093/jxb/eru316.
19. Kumar S., Stecher G., Tamura K. MEGA7: Molecular evolutionary genetics analysis version 7.0. molecular biology and evolution. Mol. Biol. Evol. 2016;33:1870-1874. https://doi.org/10.1093/molbev/msw054.
20. Lenhard M., Bohnert A., Jürgens G., Laux T. Termination of stem cell maintenance in Arabidopsis floral meristems by interactions between WUSCHEL and AGAMOUS. Cell. 2001;105(6):805-814. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(01)00390-7.
21. Leseberg C.H., Eissler C.L., Wang X., Johns M.A., Duvall M.R., Mao L. Interaction study of MADS-domain proteins in tomato. J. Exp. Bot. 2008;59:2253-2265. https://doi.org/10.1093/jxb/ern094.
22. Li N., Huang B., Tang N., Jian W., Zou J., Chen J., Cao H., Habib S., Dong X., Wei W., Gao Y., Li Z. The MADS-box gene SlMBP21 regulates sepal size mediated by ethylene and auxin in tomato. Plant Cell Physiol. 2017;58(12):2241-2256. https://doi.org/10.1093/pcp/pcx158.
23. Melzer R., Verelst W., Theissen G. The class E floral homeotic protein SEPALLATA3 is sufficient to loop DNA in ‘floral quartet’-like complexes in vitro. Nucleic Acids Res. 2009;37(1):144-157. https://doi.org/10.1093/nar/gkn900.
24. Pelaz S., Ditta G.S., Baumann E., Wisman E., Yanofsky M.F. B and C floral organ identity functions require SEPALLATA MADS-box genes. Nature. 2000;405(6783):200-203. https://doi.org/10.1038/35012103.
25. Pelaz S., Gustafson-Brown C., Kohlami S.E., Crosby W.L., Yanofsky M.F. APETALA1 and SEPALLATA3 interact to promote flower development. Plant J. 2001a;26:385-394. https://doi.org/10.1046/j.1365-313x.2001.2641042.x.
26. Pelaz S., Tapia-López R., Alvarez-Buylla E.R., Yanofsky M.F. Conversion of leaves into petals in Arabidopsis. Curr. Biol. 2001b;11(3): 182-184. https://doi.org/10.1016/s0960-9822(01)00024-0.
27. Pnueli L., Abu-Abeid M., Zamir D., Nacken W., Schwarz-Sommer Z., Lifschitz E. The MADS box gene family in tomato: temporal expression during floral development, conserved secondary structures and homology with homeotic genes from Antirrhinum and Arabidopsis. Plant J. 1991;1(2):255-266. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.1991.00255.x.
28. Pnueli L., Hareven D., Broday L., Hurwitz C., Lifschitz E. The TM5 MADS box gene mediates organ differentiation in the three inner whorls of tomato flowers. Plant Cell. 1994;6(2):175-186. https://doi.org/10.1105/tpc.6.2.175.
29. Qi X., Liu C., Song L., Li M. PaMADS7, a MADS-box transcription factor, regulates sweet cherry fruit ripening and softening. Plant Sci. 2020;301:110634. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2020.110634.
30. Roldan M.V.G., Périlleux C., Morin H., Huerga-Fernandez S., Latrasse D., Benhamed M., Bendahmane A. Natural and induced loss of function mutations in SlMBP21 MADS-box gene led to jointless-2 phenotype in tomato. Sci. Rep. 2017;7(1):4402. https://doi.org/10.1038/s41598-017-04556-1.
31. Schilling S., Pan S., Kennedy A., Melzer R. MADS-box genes and crop domestication: the jack of all traits. J. Exp. Bot. 2018;69(7):1447-1469. https://doi.org/10.1093/jxb/erx479.
32. Schmidt G.W., Delaney S.K. Stable internal reference genes for normalization of real-time RT-PCR in tobacco (Nicotiana tabacum) during development and abiotic stress. Mol. Genet. Genom. 2010; 283(3):233-241. https://doi.org/10.1007/s00438-010-0511-1.
33. Shchennikova A.V., Shulga O.A., Immink R., Skryabin K.G., Angenent G.C. Identification and characterization of four chrysanthemum MADS-box genes, belonging to the APETALA1/FRUITFULL and SEPALLATA3 subfamilies. Plant Physiol. 2004;134(4):1632-1641. https://doi.org/10.1104/pp.103.036665.
34. Shima Y., Fujisawa M., Kitagawa M., Nakano T., Kimbara J., Nakamura N., Shiina T., Sugiyama J., Nakamura T., Kasumi T., Ito Y. Tomato FRUITFULL homologs regulate fruit ripening via ethylene biosynthesis. Biosci. Biotechnol. Biochem. 2014;78(2):231-237. https://doi.org/10.1080/09168451.2014.878221.
35. Slugina M.A., Dyachenko E.A., Kochieva E.Z., Shchennikova A.V. Structural and functional diversification of SEPALLATA genes TM5 and RIN in tomato species (section Lycopersicon). Dokl. Biochem. Biophys. 2020;492(1):152-158. https://doi.org/10.1134/S1607672920030102.
36. Smaczniak C., Immink R.G., Angenent G.C., Kaufmann K. Developmental and evolutionary diversity of plant MADS-domain factors: insights from recent studies. Development. 2012;139(17):3081-3098. https://doi.org/10.1242/dev.074674.
37. Theissen G. Development of floral organ identity: stories from the MADS house. Curr. Opin. Plant Biol. 2001;4(1):75-85. https://doi.org/10.1016/s1369-5266(00)00139-4.
38. Theissen G., Saedler H. Plant biology. Floral quartets. Nature. 2001; 409(6819):469-471. https://doi.org/10.1038/35054172.
39. Urbanus S.L., de Folter S., Shchennikova A.V., Kaufmann K., Immink R.G., Angenent G.C. In planta localisation patterns of MADS domain proteins during floral development in Arabidopsis thaliana. BMC Plant Biol. 2009;9:5. https://doi.org/10.1186/1471-2229-9-5.
40. Vrebalov J., Pan I.L., Arroyo A.J., McQuinn R., Chung M., Poole M., Rose J., Seymour G., Grandillo S., Giovannoni J., Irish V.F. Fleshy fruit expansion and ripening are regulated by the tomato SHATTERPROOF gene TAGL1. Plant Cell. 2009;21(10):3041-3062. https://doi.org/10.1105/tpc.109.066936.
41. Vrebalov J., Ruezinsky D., Padmanabhan V., White R., Medrano D., Drake R., Schuch W., Giovannoni J. A MADS-box gene necessary for fruit ripening at the tomato ripening-inhibitor (rin) locus. Science. 2002;296:343-346. https://doi.org/10.1126/science.1068181.
42. Wang R., Tavano E.C.D.R., Lammers M., Martinelli A.P., Angenent G.C., de Maagd R.A. Re-evaluation of transcription factor function in tomato fruit development and ripening with CRISPR/ Cas9-mutagenesis. Sci. Rep. 2019;9(1):1696. https://doi.org/10.1038/s41598-018-38170-6.
43. Wang Y., Zhang J., Hu Z., Guo X., Tian S., Chen G. Genome-wide analysis of the MADS-box transcription factor family in Solanum lycopersicum. Int. J. Mol. Sci. 2019;20(12):2961. https://doi.org/10.3390/ijms20122961.
44. Weigel D., Alvarez J., Smyth D.R., Yanofsky M.F., Meyerowitz E.M. LEAFY controls floral meristem identity in Arabidopsis. Cell. 1992; 69(5):843-859. https://doi.org/10.1016/0092-8674(92)90295-n.
45. Zhang J., Hu Z., Wang Y., Yu X., Liao C., Zhu M., Chen G. Suppression of a tomato SEPALLATA MADS-box gene, SlCMB1, generates altered inflorescence architecture and enlarged sepals. Plant Sci. 2018a;272:75-87. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2018.03.031.
46. Zhang J., Hu Z., Yao Q., Guo X., Nguyen V., Li F., Chen G. A tomato MADS-box protein, SlCMB1, regulates ethylene biosynthesis and carotenoid accumulation during fruit ripening. Sci. Rep. 2018b;8(1): 3413. https://doi.org/10.1038/s41598-018-21672-8.
47. Zhang S., Lu S., Yi S., Han H., Liu L., Zhang J., Bao M., Liu G. Functional conservation and divergence of five SEPALLATA-like genes from a basal eudicot tree, Platanus acerifolia. Planta. 2017; 245(2):439-457. https://doi.org/10.1007/s00425-016-2617-0.
48. Zhao H.B., Jia H.M., Wang Y., Wang G.Y., Zhou C.C., Jia H.J., Gao Z.S. Genome-wide identification and analysis of the MADS-box gene family and its potential role in fruit development and ripening in red bayberry (Morella rubra). Gene. 2019;717:144045. https://doi.org/10.1016/j.gene.2019.144045.
Рецензия
Просмотров:
1095
ISSN 2500-3259 (Online)
Послать статью по эл. почте 