Регуляция дельта-орнитинаминотрансферазы Arabidopsis thaliana в развитии и в ответ на гормоны

Фермент орнитинаминотрансфераза (OAT) катализирует перенос дельта-аминогруппы от L-орнитина на альфа-кетоглутарат. В растениях эта реакция связывает цикл мочевины, пролина и путь биосинтеза пролина. В литературе активность OAT связывают с ответом на биотические и абиотические стрессы, метаболизмом азота, но физиологическая роль этого фермента до сих пор остается неясной. В нашем исследовании мы изучали транскрипционную регуляцию гена OAT в Arabisopsis thaliana в нормальных условиях и в ответ на различные ростовые регуляторы. Репортерная конструкция, содержащая ген β-глюкуронидазы (gus) Escherichia coli под контролем промотора гена OAT из A. thaliana была интродуцирована в геном растений A. thaliana. Активность GUS оценивалась в различных экспериментальных условиях, включающих воздействие гормонов, низких и высоких содержаний азота, солевой стресс. Для выявления активности GUS мы использовали гистохимический метод, растения обрабатывали раствором, содержащим X-Gluc. В нормальных условиях промотор был активен при прорастании семени и в развивающихся пестиках и пыльниках. Промотор гена OAT специфично активируется в ответ на различные формы ауксина (IAA, NAA, 2,4D), цитокинина (6-BAP), предшественника этилена (ACC), высокие концентрации азота и NaCl. Результаты анализа экспрессии гена ОАТ соответствуют наблюдаемому паттерну активности промотора, полученному с использованием репортерной системы GUS. Экспрессия гена OAT значимо повышалась в четырехдневных проростках и в ответ на ауксины и цитокинины. При анализе структуры промотора гена OAT обнаружены цис-элементы, связанные с ответами на ауксин и абиотические стрессы. Наши результаты позволяют сделать вывод о связи гена ОАТ с процессами развития растений и о его регуляции ауксинами и цитокининами.

1. Ballas N., Wong L.M., Theologis A. Identification of the auxin-responsive element, AuxRE, in the primary indoleacetic acid-inducible gene, PS-IAA4/5, of pea (Pisum sativum). J. Mol. Biol. 1993;233:580-596. DOI 10.1006/jmbi.1993.1537.

2. Biancucci M., Mattioli R., Forlani G., Funck D., Costantino P., Trovato M. Role of proline and GABA in sexual reproduction of angiosperms. Front. Plant Sci. 2015a;6:680. DOI 10.3389/fpls.2015.00680.

3. Biancucci M., Mattioli R., Moubayidin L., Sabatini S., Costantino P., Trovato M. Proline affects the size of the root meristematic zone in Arabidopsis. BMC Plant Biol. 2015b;15:263. DOI 10.1186/s12870-015-0637-8.

4. Clough S.J., Bent A.F. Floral dip: a simplified method for Agrobacterium-mediated transformation of Arabidopsis thaliana. Plant J. 1998;16:735-743. DOI 10.1046/j.1365-313X.1998.00343.x.

5. Funck D., Stadelhofer B., Koch W. Ornithine-delta-aminotransferase is essential for arginine catabolism but not for proline biosynthesis. BMC Plant Biol. 2008;8:40. DOI 10.1186/1471-2229-8-40.

6. Gerasimova S.V., Gorelova V.V., Dorogina O.V., Zhmud E.V., Koval V.S., Romanova A.V., Kochetov A.V., Shumny V.K. Analysis of transcriptional activity of the Arabidopsis thaliana ornithine-deltaaminotransferase gene promoter. Russ. J. Genet. 2011a;47:625-628. DOI 10.1134/S1022795411050073.

7. Gerasimova S.V., Kochetov A.V., Ibragimova S.S., Shumnyi V.K. Functions of delta-ornithine aminotransferase in plants. Uspekhi Sovremennoi Biologii = Advances in Current Biology. 2011b;131: 531-542. (in Russian)

8. Gerasimova S.V., Kolodyazhnaya Y.S., Titov S.E., Romanova A.V., Koval’ V.S., Kochetov A.V., Shumnyi V.K. Tobacco transformants expressing the Medicago truncatula ornithine aminotransferase cDNA. Russ. J. Genet. 2010;46(7):890-893. DOI 10.1134/S102279541007015X.

9. Gilles L., Bluteau D., Boukour S., Chang Y., Zhang Y., Robert T., Dessen P., Debili N., Bernard O.A., Vainchenker W., Raslova H. MAL/ SRF complex is involved in platelet formation and megakaryocyte migration by regulating MYL9 (MLC2) and MMP9. Blood. 2009;114(19):4221-4232. DOI 10.1182/blood-2009-03-209932.

10. Ginguay A., Cynober L., Curis E., Nicolis I. Ornithine aminotransferase, an important glutamate-metabolizing enzyme at the crossroads of multiple metabolic pathways. Biology. 2017;6(1):18. DOI 10.3390/biology6010018.

11. Gu J., Li Z., Mao Y., Struik P.C., Zhang H., Liu L., Wang Z., Yang J. Roles of nitrogen and cytokinin signals in root and shoot communications in maximizing of plant productivity and their agronomic applications. Plant Sci. 2018;274:320-331. DOI 10.1016/j.plantsci.2018.06.010.

12. Hayat S., Hayat Q., Alyemeni M.N., Wani A.S., Pichtel J., Ahmad A. Role of proline under changing environments. Plant Signal. Behav. 2012;7:1456-1466. DOI 10.4161/psb.21949.

13. Higo K., Ugawa Y., Iwamoto M., Korenaga T. Plant cis-acting regulatory DNA elements (PLACE) database: 1999. Nucleic Acids Res. 1999;27:297-300. DOI 10.1093/nar/27.1.297.

14. Jefferson R.A., Kavanagh T.A., Bevan M.W. GUS fusions: beta-glucuronidase as a sensitive and versatile gene fusion marker in higher plants. EMBO J. 1987;6:3901-3907. DOI 10.1073/pnas.1411926112.

15. Kavi Kishor P.B., Kumari P.H., Sunita M.S.L., Sreenivasulu N. Role of proline in cell wall synthesis and plant development and its implications in plant ontogeny. Front. Plant Sci. 2015;6:544. DOI 10.3389/fpls.2015.00544.

16. Kiba T., Krapp A. Plant nitrogen acquisition under low availability: regulation of uptake and root architecture. Plant Cell Physiol. 2016; 57:707-714. DOI 10.1093/pcp/pcw052.

17. Kiba T., Kudo T., Kojima M., Sakakibara H. Hormonal control of nitrogen acquisition: roles of auxin, abscisic acid, and cytokinin. J. Exp. Bot. 2011;62:1399-1409. DOI 10.1093/jxb/erq410.

18. Kochetov A.V., Titov S.E., Kolodyazhnaya Y.S., Komarova M.L., Koval V.S., Makarova N.N., Ilyinskyi Y.Y., Trifonova E.A., Shumny V.K. Tobacco transformants bearing antisense suppressor of proline dehydrogenase gene are characterized by higher proline content and cytoplasm osmotic pressure. Russ. J. Genet. 2004;40:216-218. DOI 10.1023/B:RUGE.0000016999.53466.e1.

19. Liu C., Xue Z., Tang D., Shen Y., Shi W., Ren L., Li Y., Cheng Z. Ornithine δ-aminotransferase is critical for floret development and seed setting through mediating nitrogen reutilization in rice. Plant J. 2018;96:842-854. DOI 10.1111/tpj.14072.

20. Majumdar R., Minocha R., Minocha S.C. Ornithine: at the crossroads of multiple paths to amino acids and polyamines. In: D’Mello J.P.F. (Ed.) Amino Acids in Higher Plants. Ch. 9. Osfordshire, UK: CABI, 2015;156-176.

21. Mattioli R., Biancucci M., Lonoce C., Costantino P., Trovato M. Proline is required for male gametophyte development in Arabidopsis. BMC Plant Biol. 2012;12:236. DOI 10.1186/1471-2229-12-236.

22. Mattioli R., Marchese D., D’Angeli S., Altamura M.M., Costantino P., Trovato M. Modulation of intracellular proline levels affects flowering time and inflorescence architecture in Arabidopsis. Plant Mol. Biol. 2008;66:277-288. DOI 10.1007/s11103-007-9269-1.

23. Mauro M.L., Trovato M., De Paolis A., Gallelli A., Costantino P., Altamura M.M. The plant oncogene rolD stimulates flowering in transgenic tobacco plants. Dev. Biol. 1996;180:693-700. DOI 10.1006/dbio.1996.0338.

24. Papatheodorou I., Fonseca N.A., Keays M., Tang Y.A., Barrera E., Bazant W., Burke M., Füllgrabe A., Fuentes A.M.-P., George N., Huerta L., Koskinen S., Mohammed S., Geniza M., Preece J., Jaiswal P., Jarnuczak A.F., Huber W., Stegle O., Vizcaino J.A., Brazma A., Petryszak R. Expression Atlas: gene and protein expression across multiple studies and organisms. Nucleic Acids Res. 2018;46:D246-D251. DOI 10.1093/nar/gkx1158.

25. Qamar A., Mysore K.S., Senthil-Kumar M. Role of proline and pyrroline-5-carboxylate metabolism in plant defense against invading pathogens. Front. Plant Sci. 2015;6:503. DOI 10.3389/fpls.2015.00503.

26. Roosens N.H., Al Bitar F., Loenders K., Angenon G., Jacobs M. Overexpression of ornithine-δ-aminotransferase increases proline biosynthesis and confers osmotolerance in transgenic plants. Mol. Breed. 2002;9:73-80. DOI 10.1023/A:1026791932238.

27. Roosens N.H., Thu T.T., Iskandar H.M., Jacobs M. Isolation of the ornithine-δ-aminotransferase cDNA and effect of salt stress on its expression in Arabidopsis thaliana. Plant Physiol. 1998;117:263-271. DOI 10.1104/pp.117.1.263.

28. Satoh R., Nakashima K., Seki M., Shinozaki K., Yamaguchi-Shinozaki K. ACTCAT, a novel cis-acting element for proline-and hypoosmolarity-responsive expression of the ProDH gene encoding proline dehydrogenase in Arabidopsis. Plant Physiol. 2002;130:709-719. DOI 10.1104/pp.009993.

29. Suzuki M., Ketterling M.G., McCarty D.R. Quantitative statistical analysis of cis-regulatory sequences in ABA/VP1- and CBF/DREB1- regulated genes of Arabidopsis. Plant Physiol. 2005;139:437-447. DOI 10.1104/pp.104.058412.

30. Tatematsu K., Ward S., Leyser O., Kamiya Y., Nambara E. Identification of cis-elements that regulate gene expression during initiation of axillary bud outgrowth in Arabidopsis. Plant Physiol. 2005;138(2): 757-766. DOI 10.1104/pp.104.057984.

31. Trovato M., Maras B., Linhares F., Costantino P. The plant oncogene rolD encodes a functional ornithine cyclodeaminase. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001;98:13449-13453. DOI 10.1073/pnas.231320398.

32. Verbruggen N., Hermans C. Proline accumulation in plants: a review. Amino Acids. 2008;35(4):753-759. DOI 10.1007/s00726-008-0061-6.

33. Verslues P.E., Sharma S. Proline metabolism and its implications for plant-environment interaction. Arabidopsis Book. 2010;8:e0140. DOI 10.1199/tab.0140.

34. Winter D., Vinegar B., Nahal H., Ammar R., Wilson G.V., Provart N.J. An “Electronic Fluorescent Pictograph” browser for exploring and analyzing large-scale biological data sets. PLoS One. 2007;2(8): e718. DOI 10.1371/journal.pone.0000718.

35. Winter G., Todd C.D., Trovato M., Forlani G., Funck D. Physiological implications of arginine metabolism in plants. Front. Plant Sci. 2015;6:534. DOI 10.3389/fpls.2015.00534.

36. Wu L., Fan Z., Guo L., Li Y., Zhang W., Qu L.J., Chen Z. Over-expression of an Arabidopsis δ-OAT gene enhances salt and drought tolerance in transgenic rice. Chinese Sci. Bull. 2003;48:2594-2600. DOI 10.1360/03wc0218.

37. Zonia L.E., Stebbins N.E., Polacco J.C. Essential role of urease in germination of nitrogen-limited Arabidopsis thaliana seeds. Plant Physiol. 1995;107:1097-1103. DOI 10.1104/pp.107.4.1097.