Полиморфизм последовательностей генов CLE картофеля

CLE (CLV3/ESR) – одна из важнейших групп пептидных фитогормонов. Ее представители регулируют развитие различных органов и тканей растений, а также взаимодействие с некоторыми паразитами и симбионтами и ответ на факторы окружающей среды. В связи с этим идентификация и изучение генов CLE, кодирующих пептиды этой группы, у культурных растений представляют большой практический интерес. О функциях CLE пептидов у картофеля известно немного, поскольку гены CLE картофеля Solanum phureja Juz. et Buk. были охарактеризованы только в 2021 г. Вместе с тем картофель включает в себя много клубненосных видов рода Solanum L., как диких, так и культурных, и разнообразие его форм может зависеть в том числе от различий по последовательностям генов CLE. В этой работе мы впервые произвели поиск и анализ последовательностей генов CLE у трех диких видов картофеля (S. bukasovii Juz. et Rybin., S. verrucosum Schltdl., S. commersonii Dunal.) и четырех культурных (S. chaucha Juz. et Buk., S. curtilobum Juz. et Buk., S. juzepczukii Juz. et Buk., S. ajanhuiri Juz. et Buk.). У проанализированных видов картофеля выявлено 332 гена CLE: от 40 до 43 генов этого семейства для каждого вида картофеля. У всех видов картофеля, взятых в исследование, выявлены гомологи ранее идентифицированных генов CLE S. phureja; в то же время ген CLE42, отсутствующий в геноме S. phureja, найден у всех остальных проанализированных нами видов картофеля. Наибольшие отличия по аминокислотным последовательностям белков CLE оказались характерны для S. commersonii – вида, растущего вне ареалов культурных видов картофеля и, вероятно, не входящего в число их предков. Обнаружены также примеры полиморфизма по аминокислотным последовательностям доменов белков CLE, несущих разную функциональную нагрузку. Дальнейшее изучение белков CLE картофеля позволит выявить их роль в развитии этой важнейшей сельскохозяйственной культуры, в том числе в формировании признаков продуктивности.

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. Clark S.E., Running M.P., Meyerowitz E.M. CLAVATA3 is a specific regulator of shoot and floral meristem development affecting the same processes as CLAVATA1. Development. 1995;121(7):2057- 2067. DOI 10.1242/dev.121.7.2057.

3. Felsenstein J. Confidence limits on phylogenies: an approach using the bootstrap. Evolution. 1985;39(4):783-791. DOI 10.1111/j.1558-5646.1985.tb00420.x.

4. Fletcher J.C. Recent advances in Arabidopsis CLE peptide signaling. Trends Plant Sci. 2020;25(10):1005-1016. DOI 10.1016/j.tplants.2020.04.014.

5. Gancheva M., Dodueva I., Lebedeva M., Lutova L. CLAVATA3/ EMBRYO SURROUNDING REGION (CLE ) gene family in potato (Solanum tuberosum L.): identification and expression analysis. Agronomy. 2021;11(5):984. DOI 10.3390/agronomy11050984.

6. Gancheva M.S., Malovichko Y.V., Poliushkevich L.O., Dodueva I.E., Lutova L.A. Plant peptide hormones. Russ. J. Plant Physiol. 2019; 66:171-189. DOI 10.1134/S1021443719010072.

7. Goad D.M., Zhu C., Kellogg E.A. Comprehensive identification and clustering of CLV3/ESR-related (CLE) genes in plants finds groups with potentially shared function. New Phytol. 2017;216(2):605-616. DOI 10.1111/nph.14348.

8. Hawkes J.G. The Potato: Evolution, Biodiversity and Genetic Resources. Belhaven Press., 1990.

9. Hawkes J.G., Hjerting J.P. The Potatoes of Argentina, Brazil, Paraguay and Uruguay. A biosystematic study. Oxford, 1969.

10. Huamán Z., Ross R.W. Updated listing of potato species names, abbreviations and taxonomic status. Am. J. Potato Res. 1985;62(11):629- 641. DOI 10.1007/BF02854438.

11. Jun J., Fiume E., Roeder A.H., Meng L., Sharma V.K., Osmont K.S., Baker C., Ha C.M., Meyerowitz E.M., Feldman L.J., Fletcher J.C. Comprehensive analysis of CLE polypeptide signaling gene expression and overexpression activity in Arabidopsis. Plant Physiol. 2010;154(4):1721-1736. DOI 10.1104/pp.110.163683.

12. Juzepczuk S.W., Bukasov S.M. A contribution to the question of the origin of the potato. In: Proceedings of the USSR Congress of Genetics, Plant and Animal Breeding. Leningrad, 1929;3:593-611. (in Russian)

13. Kinoshita A., Nakamura Y., Sasaki E., Kyozuka J., Fukuda H., Sawa S. Gain-of-function phenotypes of chemically synthetic CLAVATA3/ ESR-related (CLE) peptides in Arabidopsis thaliana and Oryza sativa. Plant Cell Physiol. 2007;48(12):1821-1825. DOI 10.1093/pcp/pcm154.

14. Kondo T., Sawa S., Kinoshita A., Mizuno S., Kakimoto T., Fukuda H., Sakagami Y. A plant peptide encoded by CLV3 identified by in situ MALDI-TOF MS analysis. Science. 2006;313(5788):845-848. DOI 10.1126/science.1128439.

15. Kumar S., Stecher G., Tamura K. MEGA7: Molecular Evolutionary Genetics Analysis Version 7.0 for Bigger Datasets. Mol. Biol. Evol. 2016;33(7):1870-1874. DOI 10.1093/molbev/msw054.

16. Lekhnovich V.S. Cultivated Potato Species. In: Flora of Cultivated Plants of the USSR. Vol. 9. Potato. Leningrad, 1971;41-304. (in Russian)

17. Li Y., Colleoni C., Zhang J., Liang Q., Hu Y., Ruess H., Simon R., Liu Y., Liu H., Yu G., Schmitt E., Ponitzki C., Liu G., Huang H., Zhan F., Chen L., Huang Y., Spooner D., Huang B. Genomic analyses yield markers for identifying agronomically important genes in potato. Mol. Plant. 2018;11(3):473-484. DOI 10.1016/j.molp.2018.01.009.

18. Meng L., Ruth K.C., Fletcher J.C., Feldman L. The roles of different CLE domains in Arabidopsis CLE polypeptide activity and functional specificity. Mol. Plant. 2010;3(4):760-772. DOI 10.1093/mp/ssq021.

19. Ni J., Guo Y., Jin H., Hartsell J., Clark S.E. Characterization of a CLE processing activity. Plant Mol. Biol. 2011;75(1-2):67-75. DOI 10.1007/s11103-010-9708-2.

20. Oelkers K., Goffard N., Weiller G.F., Gresshoff P.M., Mathesius U., Frickey T. Bioinformatic analysis of the CLE signaling peptide family. BMC Plant Biol. 2008;8:1. DOI 10.1186/1471-2229-8-1.

21. Opsahl‐Ferstad H.‐G., Deunff E.L., Dumas C., Rogowsk P.M. ZmEsr, a novel endosperm‐specific gene expressed in a restricted region around the maize embryo. Plant J. 1997;12:235-246. DOI 10.1046/j.1365-313X.1997.12010235.x.

22. Poliushkevich L.O., Gancheva M.S., Dodueva I.E., Lutova L.A. Receptors of CLE peptides in plants. Russ. J. Plant Physiol. 2020;67(1): 1-16. DOI 10.1134/S1021443720010288.

23. Saitou N., Nei M. The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees. Mol. Biol. Evol. 1987;4(4):406-425. DOI 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040454.

24. Sharma V.K., Ramirez J., Fletcher J.C. The Arabidopsis CLV3-like (CLE ) genes are expressed in diverse tissues and encode secreted proteins. Plant Mol. Biol. 2003;51(3):415-425. DOI 10.1023/a:1022038932376.

25. Spooner D.M., Ghislain M., Simon R., Jansky S.H., Gavrilenko T. Systematics, diversity, genetics, and evolution of wild and cultivated potatoes. Bot. Rev. 2014;80(4):283-383. DOI 10.1007/s12229-014-9146-y.

26. Strabala T.J., O’Donnell P.J., Smit A.M., Ampomah-Dwamena C., Martin E.J., Netzler N., Nieuwenhuizen N.J., Quinn B.D., Foote H.C., Hudson K.R. Gain-of-function phenotypes of many CLAVATA3/ESR genes, including four new family members, correlate with tandem variations in the conserved CLAVATA3/ESR domain. Plant Physiol. 2006;140(4):1331-1344. DOI 10.1104/pp.105.075515.

27. Strabala T.J., Phillips L., West M., Stanbra L. Bioinformatic and phylogenetic analysis of the CLAVATA3/EMBRYO-SURROUNDING REGION (CLE ) and the CLE-LIKE signal peptide genes in the Pinophyta. BMC Plant Biol. 2014;14:47. DOI 10.1186/1471-2229-14-47.

28. Takahashi F., Suzuki T., Osakabe Y., Betsuyaku S., Kondo Y., Dohmae N., Fukuda H., Yamaguchi-Shinozaki K., Shinozaki K. A small peptide modulates stomatal control via abscisic acid in long-distance signalling. Nature. 2018;556(7700):235-238. DOI 10.1038/s41586-018-0009-2.

29. Tvorogova V.E., Krasnoperova E.Y., Potsenkovskaia E.A., Kudriashov A.A., Dodueva I.E., Lutova L.A. What does the WOX say? Review of regulators, targets, partners. Mol. Biol. 2021. DOI 10.1134/S002689332102031X.

30. Yaginuma H., Hirakawa Y., Kondo Y., Ohashi-Ito K., Fukuda H. A novel function of TDIF-related peptides: promotion of axillary bud formation. Plant Cell Physiol. 2011;52(8):1354-1364. DOI 10.1093/pcp/pcr081.

31. Yamaguchi Y.L., Ishida T., Sawa S. CLE peptides and their signaling pathways in plant development. J. Exp. Bot. 2016;67(16):4813- 4826. DOI 10.1093/jxb/erw208.

32. Zhang Y., Yang S., Song Y., Wang J. Genome-wide characterization, expression and functional analysis of CLV3/ESR gene family in tomato. BMC Genom. 2014;15(1):827. DOI 10.1186/1471-2164-15-827.