Экспрессия генов транспортеров ауксина в волокнах льна (Linum usitatissimum) при гравиответе

Гравитропизм – адаптивная реакция растений, связанная со способностью органов растений располагаться и расти в определенном направлении относительно вектора силы тяжести. При этом асимметричное распределение фитогормона ауксина считается необходимым условием для тропического изгиба органов растения. Ранее нами были описаны яркие морфологические изменения флоэмных волокон с утолщенной клеточной стенкой, находящихся на разных сторонах зрелых участков стебля в области гравитропического изгиба. Настоящее исследование – первая работа, посвященная идентификации генов, кодирующих переносчики ауксина в этих клетках на разных стадиях развития и при гравиответе. В растениях льна идентифицированы гены основных переносчиков ауксина: AUX1/LAX, PIN-FORMED, PIN-LIKES и ABCB. Сравнительный анализ экспрессии этих генов во флоэмных волокнах льна, находящихся на разных стадиях развития, выявил повышенную экспрессию некоторых генов на стадии интрузивного роста (LusLAX2 (A, B), LuxPIN1-D, LusPILS7 (C, D)), на ранней стадии формирования третичной клеточной стенки (LusAUX1 (A, D), LusABCB1 (A, B), LusABCB15-A, LusPIN1 (A, B), LusPIN4-A, LusPIN5-A) и на поздней стадии развития третичной клеточной стенки (LusLAX3 (A, B)). Показано, что при гравитропизме повышалась экспрессия многих генов исследуемых семейств, в том числе отвечающих за приток ауксина в клетки (LusAUX1-D). Выявлена дифференциальная экспрессия генов переносчиков ауксина при гравиответе в волокнах, находящихся на разных сторонах стебля – верхней (PUL) и нижней (OPP): различие наблюдалось за счет экспрессии генов, продукты которых отвечают за внутриклеточный транспорт (LusPILS3, LusPILS7-A) и отток ауксина из клеток (LusABCB15-B, LusABCB19-B). Повышенная экспрессия PIN-генов и ABCB-генов была более типична для волокон OPP-стороны стебля. Полученные результаты позволяют сделать предположение о наличии дифференциального содержания ауксина в волокнах разных сторон стебля гравистимулированных растений льна, которое, возможно, определяется неравномерным оттоком ауксина. Исследование дает представление о переносчиках ауксина во льне и закладывает основу для дальнейшего изучения их функций в развитии флоэмного волокна и при гравиответе.

1. Adamowski M., Friml J. PIN-dependent auxin transport: action, regulation, and evolution. Plant Cell. 2015;27(1):20-32. https://doi.org/10.1105/tpc.114.134874

2. Bao Y., Huang X., Rehman M., Wang Y., Wang B., Peng D. Identification and expression analysis of the PIN and AUX/LAX gene families in ramie (Boehmeria nivea L. Gaud). Agronomy. 2019;9:435. https://doi.org/10.3390/agronomy9080435

3. Barbez E., Kubeš M., Rolcík J., Béziat C., Pencík A., Wang B., Rosquete M.R., Zhu J., Dobrev P.I., Lee Y., Zažímalovà E., Petrášek J., Geisler M., Friml J., Kleine-Vehnet J. A novel putative auxin carrier family regulates intracellular auxin homeostasis in plants. Nature. 2012;485(7396):119-122. https://doi.org/10.1038/nature11001

4. Cho M., Cho H.T. The function of ABCB transporters in auxin transport. Plant Signal. Behav. 2013;8(2):e22990. https://doi.org/10.4161/psb.22990

5. Evans M.L. Gravitropism: interaction of sensitivity modulation and effector redistribution. Plant Physiol. 1991;95(1):1-5. https://doi.org/10.1104/pp.95.1.1

6. Friml J., Wiśniewska J., Benkova E., Mendgen K., Palme K. Lateral relocation of auxin efflux regulator PIN3 mediates tropism in Arabidopsis. Nature. 2002;415(6873):806-809. https://doi.org/10.1038/415806a

7. Geisler M., Aryal B., Donato M., Hao P.A. Critical view on ABC transporters and their interacting partners in auxin transport. Plant Cell Physiol. 2017;58(10):1601-1614. https://doi.org/10.1093/pcp/pcx104

8. Gerttula S., Zinkgraf M., Muday G., Lewis D., Ibatullin F., Brumer H., Hart F., Mansfield S., Filkov V., Groovera A. Transcriptional and hormonal regulation of gravitropism of woody stems in Populus. Plant Cell. 2015;27(10):2800-2813. https://doi.org/10.1105/tpc.15.00531

9. Gorshkova T.A., Sal’nikov V.V., Chemikosova S.B., Ageeva M.V., Pavlencheva N.V. The snap point: a transition point in Linum usitatissimum bast fiber development. Ind. Crops Prod. 2003;18(3):213-221. https://doi.org/10.1016/S0926-6690(03)00043-8

10. Harrison M.A., Pickard B.G. Auxin asymmetry during gravitropism by tomato hypocotyls. Plant Physiol. 1989;89(2):652-657. https://doi.org/10.1104/pp.89.2.652

11. Haygreen J.G., Bowyer J.L. Forest Products and Wood Science. Wiley-Blackwell, 1996

12. Hellgren J.M., Olofsson K., Sundberg B. Patterns of auxin distribution during gravitational induction of reaction wood in poplar and pine. Plant Physiol. 2004;135(1):212-220. https://doi.org/10.1104/pp.104.038927

13. Ibragimova N.N., Ageeva M.V., Gorshkova T.A. Development of gravitropic response: unusual behavior of flax phloem G-fibers. Protoplasma. 2017;254(2):749-762. https://doi.org/10.1007/s00709-016-0985-8

14. Ibragimova N., Mokshina N., Ageeva M., Gurjanov O., Mikshina P. Rearrangement of the cellulose-enriched cell wall in flax phloem fibers over the course of the gravitropic reaction. Int. J. Mol. Sci. 2020;21(15):5322. https://doi.org/10.3390/ijms21155322

15. Jenness M.K., Tayengwa R., Bate G.A., Tapken W., Zhang Y., Pang C., Murphy A.S. Loss of multiple ABCB auxin transporters recapitulates the major twisted dwarf 1 phenotypes in Arabidopsis thaliana. Front. Plant Sci. 2022;13:840260. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.840260

16. Jourez B., Riboux A., Leclercq A. Anatomical characteristics of tension wood and opposite wood in young inclined stems of poplar (Populus euramericana cv ʻGhoyʼ). IAWA J. 2001;22(2):133-157. https://doi.org/10.1163/22941932-90000274

17. Kaneda M., Schuetz M., Lin B.S., Chanis C., Hamberger B., Western T.L., Ehlting J., Samuelset A.L. ABC transporters coordinately expressed during lignifications of Arabidopsis stems include a set of ABCBs associated with auxin transport. J. Exp. Bot. 2011;62(6): 2063-2077. https://doi.org/10.1093/jxb/erq416

18. Kang J., Park J., Choi H., Burla B., Kretzschmar T., Lee Y., Martinoia E. Plant ABC transporters. Arabidopsis Book. 2011;9:e0153. https://doi.org/10.1199/tab.0153

19. Li Y., Hagen G., Guilfoyle T.J. An auxin-responsive promoter is differentially induces by auxin gradients during tropisms. Plant Cell. 1991;3(11):1167-1175. https://doi.org/10.1105/tpc.3.11.1167

20. Manna M., Rengasamy B., Ambasht N.K., Sinha A.K. Characterization and expression profiling of PIN auxin efflux transporters reveal their role in developmental and abiotic stress conditions in rice. Front. Plant Sci. 2022;13:1059559. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.1059559

21. Mokshina N., Gorshkov O., Takasaki H., Onodera H., Sakamoto S., Gorshkova T., Mitsuda N. FIBexDB: a new online transcriptome platform to analyze development of plant cellulosic fibers. New Phytol. 2021;231(2):512-515. https://doi.org/10.1111/nph.17405

22. Rakusová H., Han H., Valošek P., Friml J. Genetic screen for factors mediating PIN polarization in gravistimulated Arabidopsis thaliana hypocotyls. Plant J. 2019;98(6):1048-1059. https://doi.org/10.1111/tpj.14301

23. Swarup R., Péret B. AUX/LAX family of auxin influx carriers - an over-view. Front. Plant Sci. 2012;3:225. https://doi.org/10.3389/fpls.2012.00225

24. Timell T.E. The chemical composition of tension wood. Svensk Papperstidning. 1969;72:173-181

25. Young G.B., Jack D.L., Smith D.W., Saier M.H., Jr. The amino acid/ auxin:proton symport permease family. Biochim. Biophys. Acta. 1999;1415(2):306-322. https://doi.org/10.1016/s0005-2736(98)00196-5

26. Zažímalová E., Murphy A.S., Yang H., Hoyerová K., Hošek P. Auxin transporters - why so many? Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2010;2(3):a001552. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a001552

27. Zhang Y., Hartinger C., Wang X., Friml J. Directional auxin fluxes in plants by intramolecular domain-domain coevolution of PIN auxin transporters. New Phytol. 2020;227(5):1406-1416. https://doi.org/10.1111/nph.16629

28. Zhu Q., Gallemı́ M., Pospı́šil J., Žádnı́ková P., Strnad M., Benková E. Root gravity response module guides differential growth determining both root bending and apical hook formation in Arabidopsis. Development. 2019;146(17):dev175919. https://doi.org/10.1242/dev.175919.