Аллельные варианты 5′-UTR и экспрессия гена ликопин-ɛ-циклазы LCYE у инбредных линий кукурузы Zea mays L. российской селекции

Селекционная биофортификация направлена на обогащение съедобных частей растения микронутриентами. В рамках данной стратегии молекулярный скрининг коллекций различных культур позволяет определять аллельные варианты генов, новые аллели и сцепленность аллельных вариантов с морфофизиологическими признаками. Кукуруза Zea mays L. является важной зерновой и силосной культурой, а также источником основного предшественника витамина А – β-каротина, производного β,β-ветви пути биосинтеза каротиноидов. Параллельная β,ε-ветвь запускается ликопин-ε-циклазой LCYE, низкая экспрессия которой приводит к росту содержания провитамина А и связана с вариабельностью регуляторной последовательности 5’-UTR гена. В настоящем исследовании проведены скрининг коллекции 165 инбредных линий кукурузы российской селекции на варианты аллелей 5’-UTR LCYE, а также поиск зависимости уровня экспрессии гена LCYE от аллельного варианта 5’-UTR в листьях 14 коллекционных линий. Проанализированные 165 линий разделились на три группы, несущие аллели А2 (64 линии), А5 (31) и А6 (70). В сравнении с А2, аллель А5 содержал две делеции (в позициях -267–260 и -296–290 от ATG-кодона) и замену G₂₅₁→T, тогда как аллель А6 – одну делецию (-290–296) и две замены (G₂₅₁→T, G₂₆₅→T). Анализ экспрессии гена LCYE в листовой ткани проростков образцов 14 линий, различающихся аллельными вариантами, показал отсутствие ассоциаций варианта аллеля 5’-UTR LCYE с уровнем экспрессии гена. Четыре линии, несущие аллели А2 (образцы 6178-1, 6709-2, 2289-3) и А5 (образец 5677), имели значительно более высокий уровень экспрессии гена LCYE (~0.018–0.037) по сравнению с остальными десятью проанализированными линиями (~0.0001–0.004), среди которых были представлены все три аллельных варианта.

1. Arkhestova D.Kh., Kulakova A.V., Khatefov E.B., Shchennikova A.V., Kochieva E.Z. Expression of the lycopene-ɛ-cyclase LcyE gene correlates with the content of β-carotene and chlorophylls in maize vegetative tissues. Selskokhozyaystvennaya Biologiya = Agricultural Biology. 2022;57(5):945-953. DOI: 10.15389/agrobiology.2022.5.945rus. (in Russian)

2. Arkhestova D.Kh., Efremov G.I., Appaev S.P., Kochieva E.Z., Shchennikova A.V. A new 5′-UTR LcyE allele correlates with increased expression of the lycopene-ε-cyclase gene determining the flow of the β-ε branch of the carotenoid biosynthesis pathway in maize. Genetika = Genetics. 2023;59(4):417-424. DOI: 10.31857/S0016675823030025. (in Russian)

3. Babu R., Rojas N.P., Gao S., Yan J., Pixley K. Validation of the effects of molecular marker polymorphisms in LcyE and CrtRB1 on provitamin A concentrations for 26 tropical maize populations. Theor. Appl. Genet. 2013;126:389-399. DOI: 10.1007/s00122-012-1987-3.

4. Bai L., Kim E.H., DellaPenna D., Brutnell T.P. Novel lycopene epsilon cyclase activities in maize revealed through perturbation of carotenoid biosynthesis. Plant J. 2009;59(4):588-599. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2009.03899.x.

5. Cabiddu A., Delgadillo-Puga C., Decandia M., Molle A.G. Extensive ruminant production systems and milk quality with emphasis on unsaturated fatty acids, volatile compounds, antioxidant protection degree and phenol content. Animals (Basel). 2019;9(10):771. DOI: 10.3390/ani9100771.

6. Cutler S.R., Rodriguez P.L., Finkelstein R.R., Abrams S.R. Abscisic acid: emergence of a core signaling network. Annu. Rev. Plant Biol. 2010;61:651-679. DOI: 10.1146/annurev-arplant-042809-112122.

7. Dhar M.K., Mishra S., Bhat A., Chib S., Kaul S. Plant carotenoid cleavage oxygenases: structure-function relationships and role in development and metabolism. Brief. Funct. Genomics. 2020;19(1):1-9. DOI: 10.1093/bfgp/elz037.

8. Filyushin M.A., Shchennikova A.V., Kochieva E.Z. Anthocyanin content in the Capsicum species fruits correlates with expression levels of flavonoid pathway structural and regulatory genes. Russ. J. Plant Physiol. 2023;70:4. DOI: 10.1134/S1021443722602324.

9. Graulet B., Cirié C., Martin B. Contrasted effects of dietary extruded linseed supplementation on carotenoid and liposoluble vitamin status in lactating Holstein or Montbéliarde cows fed hay or corn silage. J. Dairy Sci. 2019;102(7):6210-6225. DOI: 10.3168/jds.2018-16138.

10. Harjes C.E., Rocheford T.R., Bai L., Brutnell T.P., Kandianis C.B., Sowinski S.G., Stapleton A.E., Vallabhaneni R., Williams M., Wurtzel E.T., Yan J., Buckler E.S. Natural genetic variation in lycopene epsilon cyclase tapped for maize biofortification. Science. 2008; 319(5861):330-333. DOI: 10.1126/science.1150255.

11. Huang X., Shi H., Hu Z., Liu A., Amombo E., Chen L., Fu J. ABA is involved in regulation of cold stress response in Bermudagrass. Front. Plant Sci. 2017;8:1613. DOI: 10.3389/fpls.2017.01613.

12. Jahns P., Holzwarth A.R. The role of the xanthophyll cycle and of lutein in photoprotection of photosystem II. Biochim. Biophys. Acta. 2012; 1817(1):182-193. DOI: 10.1016/j.bbabio.2011.04.012.

13. 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.

14. Langridge P., Fleury D. Making the most of ‘omics’ for crop breeding. Trends Biotechnol. 2011;29(1):33-40. DOI: 10.1016/j.tibtech.2010.09.006.

15. LaPorte M.F., Vachev M., Fenn M., Diepenbrock C. Simultaneous dissection of grain carotenoid levels and kernel color in biparental maize populations with yellow-to-orange grain. G3: Genes Genomes Genetics (Bethesda). 2022;12(3):jkac006. DOI: 10.1093/g3journal/jkac006.

16. Li F., Vallabhaneni R., Yu J., Rocheford T., Wurtzel E.T. The maize phytoene synthase gene family: overlapping roles for carotenogenesis in endosperm, photomorphogenesis, and thermal stress tolerance. Plant Physiol. 2008;147(3):1334-1346. DOI: 10.1104/pp.108.122119.

17. Liu L., Jeffers D., Zhang Y., Ding M., Chen W., Kang M.S., Fan X. Introgression of the crtRB1 gene into quality protein maize inbred lines using molecular markers. Mol. Breed. 2015;35(8):154. DOI: 10.1007/s11032-015-0349-7.

18. López-Ráez J.A., Kohlen W., Charnikhova T., Mulder P., Undas A.K., Sergeant M.J., Verstappen F., Bugg T.D.H., Thompson A.J., Ruyter-Spira C., Bouwmeester H. Does abscisic acid affect strigolactone biosynthesis? New Phytol. 2010;187(2):343-354. DOI: 10.1111/j.1469-8137.2010.03291.x.

19. Medina-Lozano I., Díaz A. Applications of genomic tools in plant breeding: crop biofortification. Int. J. Mol. Sci. 2022;23(6):3086. DOI: 10.3390/ijms23063086.

20. Menkir A., Maziya-Dixon B.B., Mengesha W., Rocheford T., Alamu E.O. Accruing genetic gain in pro-vitamin A enrichment from harnessing diverse maize germplasm. Euphytica. 2017;213(5):105. DOI: 10.1007/s10681-017-1890-8.

21. Mitani T., Kobayashi K., Ueda K., Kondo S. Regional differences in the fatty acid composition, and vitamin and carotenoid concentrations in farm bulk milk in Hokkaido, Japan. J. Anim. Sci. 2021;92(1): e13570. DOI: 10.1111/asj.13570.

22. Muthusamy V., Hossain F., Thirunavukkarasu N., Choudhary M., Saha S., Bhat J.S., Prasanna B.M., Gupta H.S. Development of β-carotene rich maize hybrids through marker-assisted introgression of β-carotene hydroxylase allele. PLoS One. 2014;9(12):e11583. DOI: 10.1371/journal.pone.0113583.

23. Nambara E., Marion-Poll A. Abscisic acid biosynthesis and catabolism. Annu. Rev. Plant Biol. 2005;56:165-185. DOI: 10.1146/annurev.arplant.56.032604.144046.

24. Orlovskaya O.A., Vakula S.I., Khotyleva L.V., Kilchevsky A.V. Assotiation of total carotenoid level in maize grain (Zea mays L.) with polimorphic site InDel1 in PSY1 gene. Ekologicheskaya Genetika = Ecological Genetics. 2016;14(3):28-34. DOI: 10.17816/ecogen14328-34. (in Russian)

25. Pasala R., Pandey B.B. Plant phenomics: high-throughput technology for accelerating genomics. J. Biosci. 2020;45:111. DOI: 10.1007/s12038-020-00083-w.

26. Pixley K., Rojas N.P., Babu R., Mutale R., Surles R., Simpungwe E. Biofortification of maize with provitamin A carotenoids. In: Tanumihardjo S.A. (Ed.) Carotenoids and Human Health. Nutrition and Health. Totowa, NJ: Humana Press, 2013;271-292. DOI: 10.1007/978-1-62703-203-2_17.

27. Prasanna B.M., Palacios-Rojas N., Hossain F., Muthusamy V., Menkir A., Dhliwayo T., Ndhlela T., San Vicente F., Nair S.K., Vivek B.S., Zhang X., Olsen M., Fan X. Molecular breeding for nutritionally enriched maize: status and prospects. Front. Genet. 2020; 10:1392. DOI: 10.3389/fgene.2019.01392.

28. Rosas-Saavedra C., Stange C. Biosynthesis of carotenoids in plants: enzymes and color. In: Stange C. (Ed.) Carotenoids in Nature. Subcellular Biochemistry. Vol. 79. Cham: Springer, 2016;35-69. DOI: 10.1007/978-3-319-39126-7_2.

29. Suwarno W.B., Hannok P., Palacios-Rojas N., Windham G., Crossa J., Pixley K.V. Provitamin A carotenoids in grain reduce aflatoxin contamination of maize while combating vitamin A deficiency. Front. Plant Sci. 2019;10:30. DOI: 10.3389/fpls.2019.00030.

30. Trono D. Carotenoids in cereal food crops: composition and retention throughout grain storage and food processing. Plants (Basel). 2019; 8(12):551. DOI: 10.3390/plants8120551.

31. Yan J., Kandianis B.C., Harjes E.C., Bai L., Kim E.H., Yang X., Skinner D.J., Fu Z., Mitchell S., Li Q., Fernandez M.G., Zaharieva M., Babu R., Fu Y., Palacios N., Li J., Dellapenna D., Brutnell T., Buckler E.S., Warburton M.L., Rocheford T. Rare genetic variation at Zea mays crtRB1 increases beta carotene in maize grain. Nat. Genet. 2010;42(4):322-327. DOI: 10.1038/ng.551.

32. Yue K., Lingling L., Xie J., Coulter J.A., Luo Z. Synthesis and regulation of auxin and abscisic acid in maize. Plant Signal. Behav. 2021; 16(7):1891756. DOI: 10.1080/15592324.2021.1891756.

33. Zunjare R.U., Chhabra R., Hossain F., Hossain F., Baveja A., Muthusamy V., Gupta H.S. Molecular characterization of 5′ UTR of the lycopene epsilon cyclase (lcyE) gene among exotic and indigenous inbreds for its utilization in maize biofortification. 3 Biotech. 2018; 8(1):75. DOI: 10.1007/s13205-018-1100-y.