Гомеобоксные гены факторов транскрипции WOX в паразитическом растении Monotropa hypopitys на стадии цветения

Формирование и поддержание популяций стволовых клеток растения контролируются гомеодомен-содержащими факторами транскрипции семейства WOX. Эволюция гомеобоксных генов, кодирующих данные белки, считается одной из главных причин многообразия форм цветка и морфологии растения в целом. Механизм регуляции ниш стволовых клеток в апикальных меристемах признан консервативным для цветковых растений разных видов и наиболее подробно исследован на модели Arabidopsis thaliana. Морфологическое разнообразие покрытосеменных подразумевает наличие особенностей этого механизма, присущих отдельным видам, при сохранении основных сигнальных путей. Уникальный представитель покрытосеменных бесхлорофилльный микогетеротроф подъельник Monotropa hypopitys получает питательные вещества от корней деревьев через микоризный симбиоз. В индуктивных условиях адвентивные репродуктивные почки на корнях M. hypopitys выпускают цветонос с прицветниками и соцветием на конце. M. hypopitys так же, как и другие растения, формирует меристемы соцветия, цветка и корня, вероятно, используя консервативные пути регуляции ниш стволовых клеток. Изучение гомеобоксных генов такого растения расширит знания о важных эволюционных факторах транскрипции WOX и позволит лучше представлять механизмы контроля стволовых клеток в микогетеротрофных растениях. В данной работе проведен анализ транскриптомов корня, прицветников и цветков двух индивидуальных образцов подъельника, собранных на стадии цветения. Идентифицированы мРНК пяти генов семейства WOX, охарактеризованы их структура, филогения, паттерн экспрессии, а также возможные функции. Совокупность полученных и литературных данных по- зволила сделать предположения о функциональной роли данных генов в онтогенезе растения. Гены MhyWUS1 и MhyWUS2, возмож- но, вовлечены в поддержание популяции стволовых клеток меристем цветка и соцветия. Ген MhyWOX13, вероятно, участвует в контроле корневой ниши стволовых клеток, формировании семенной коробочки, инициации цветения и базовых клеточных процессах. Область применения генов MhyWOX4 и MhyWOX2, видимо, ограничена регуляцией стволовых клеток камбия и дифференцировкой яйцеклеток и зиготы соответственно.

Monotropa hypopitys, микогетеротроф, транскриптом, стволовые клетки растения, меристема, WUSCHEL RELATED HOMEOBOX, транскрипционные факторы, гены WOX

1. Beletsky A.B., Filyushin M.A., Gruzdev E.V., Mazur A.M., Prokhortchouk E.B., Kochieva E.Z., Mardanov A.B., Ravin N.V., Skryabin K.G. De novo transcriptome assembly of the mycoheterotrophic plant Monotropa hypopitys. Genomics Data. 2016;11:60-61. eCollection 2017. DOI 10.1016/j.gdata.2016.11.020.

2. Besnard F., Vernoux T., Hamant O. Organogenesis from stem cells in planta: multiple feedback loops integrating molecular and mechanical signals. Cell Mol. Life Sci. 2011;68(17):2885-2906. DOI 10.1007/s00018-011-0732-4.

3. Bidartondo M.I. The evolutionary ecology of myco-heterotrophy. New Phytol. 2005;167(2):335-352. DOI 10.1111/j.1469-8137.2005.01429.x.

4. Breuninger H., Rikirsch E., Hermann M., Ueda M., Laux T. Differential expression of WOX genes mediates apical-basal axis formation in the Arabidopsis embryo. Dev. Cell. 2008;14(6):867-876. DOI 10.1016/j.devcel.2008.03.008.

5. Bürglin T.R., Affolter M. Homeodomain proteins: an update. Chromosoma. 2016;125(3):497-521. DOI 10.1007/s00412-015-0543-8.

6. Chapman A.D. Numbers of Living Species in Australia and the World. Australian Biological Resources Study, Canberra, Australia, 2009. Available at http://www.environment.gov.au/node/13869#magnoliophyta.

7. Costanzo E., Trehin C., Vandenbussche M. The role of WOX genes in flower development. Ann. Bot. 2014;114(7):1545-1553. DOI 10.1093/aob/mcu123.

8. Daum G., Medzihradszky A., Suzaki T., Lohmann J.U. A mechanistic framework for noncell autonomous stem cell induction in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014;111(40):14619-14624. DOI 10.1073/pnas.1406446111.

9. Deveaux Y., Toffano-Nioche C., Claisse G., Thareau V., Morin H., Laufs P., Moreau H., Kreis M., Lecharny A. Genes of the most conserved WOX clade in plants affect root and flower development in Arabidopsis. BMC Evol. Biol. 2008;8:291. DOI 10.1186/14712148-8-291.

10. Dolzblasz A., Nardmann J., Clerici E., Causier B., van der Graaff E., Chen J., Davies B., Werr W., Laux T. Stem cell regulation by Arabidopsis WOX genes. Mol. Plant. 2016;9(7):1028-1039. DOI 10.1016/j.molp.2016.04.007.

11. Grabherr M.G., Haas B.J., Yassour M., Levin J.Z., Thompson D.A., Amit I., Adiconis X., Fan L., Raychowdhury R., Zeng Q., Chen Z., Mauceli E., Hacohen N., Gnirke A., Rhind N., di Palma F., Birren B.W., Nusbaum C., Lindblad-Toh K., Friedman N., Regev A. Full-length transcriptome assembly from RNA-seq data without a reference genome. Nat. Biotechnol. 2011;29(7):644-652. DOI 10.1038/nbt.1883.

12. Gross-Hardt R., Lenhard M., Laux T. WUSCHEL signaling functions in interregional communication during Arabidopsis ovule development. Genes Dev. 2002;16(9):1129-1138. DOI 10.1101/gad.225202.

13. Haas B.J., Papanicolaou A., Yassour M., Grabherr M., Blood P.D., Bowden J., Couger M.B., Eccles D., Li B., Lieber M., Macmanes M.D., Ott M., Orvis J., Pochet N., Strozzi F., Weeks N., Westerman R., William T., Dewey C.N., Henschel R., Leduc R.D., Friedman N., Regev A. De novo transcript sequence reconstruction from RNA-seq using the Trinity platform for reference generation and analysis. Nat. Protoc. 2013;8(8):1494-1512. DOI 10.1038/nprot.2013.084.

14. Haecker A., Gross-Hardt R., Geiges B., Sarkar A., Breuninger H., Herrmann M., Laux T. Expression dynamics of WOX genes mark cell fate decisions during early embryonic patterning in Arabidopsis thaliana. Development. 2004;131(3):657-668. DOI 10.1242/dev.00963.

15. Hedman H., Zhu T., von Arnold S., Sohlberg J.J. Analysis of the WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX gene family in the conifer picea abies reveals extensive conservation as well as dynamic patterns. BMC Plant Biol. 2013;13:89. DOI 10.1186/1471-2229-13-89.

16. Ji J., Shimizu R., Sinha N., Scanlon M.J. Analyses of WOX4 transgenics provide further evidence for the evolution of the WOX gene family during the regulation of diverse stem cell functions. Plant Signal. Behav. 2010;5(7):916-920. DOI 10.1104/pp.109.149641.

17. Katsir L., Davies K.A., Bergmann D.C., Laux T. Peptide signaling in plant development. Curr. Biol. 2011;21(9):R356-R364. DOI 10.1016/j.cub.2011.03.012.

18. Langmead B., Salzberg S. Fast gapped-read alignment with Bowtie 2. Nat. Methods. 2012;9:357-359. DOI 10.1038/nmeth.1923.

19. Larkin M.A., Blackshields G., Brown N.P., Chenna R., McGettigan P.A., McWilliam H., Valentin F., Wallace I.M., Wilm A., Lopez R., Thompson J.D., Gibson T.J., Higgins D.G. Clustal W and Clustal X version 2.0. Bioinformatics. 2007;23(21):2947-2948. DOI 10.1093/bioinformatics/btm404.

20. Laux T., Mayer K.F., Berger J., Jürgens G. The WUSCHEL gene is required for shoot and floral meristem integrity in Arabidopsis. Development. 1996;122(1):87-96. http://dev.biologists.org/content/develop/122/1/87.full.pdf.

21. Leake J.R. The biology of myco-heterotrophic (‘saprophytic’) plants. New Phytol. 1994;127:171-216. DOI 10.1111/j.1469-8137.1994.tb04272.x.

22. 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. http://dx.doi.org/10.1016/S0092-8674(01)00390-7.

23. Li B., Dewey C.N. RSEM: accurate transcript quantification from RNA-Seq data with or without a reference genome. BMC Bioinformatics.f 2011;12:323. DOI 10.1186/1471-2105-12-323.

24. Lieber D., Lora J., Schrempp S., Lenhard M., Laux T. Arabidopsis WIH1 and WIH2 genes act in the transition from somatic to repro­ductive cell fate. Curr. Biol. 2011;21(12):1009-1017. DOI 10.1016/j.cub.2011.05.015.

25. Lin H., Niu L., McHale N.A., Ohme-Takagi M., Mysore K.S., Tadege M. Evolutionarily conserved repressive activity of WOX proteins mediates leaf blade outgrowth and floral organ development in plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013;110(1):366-371. DOI 10.1073/pnas.1215376110.

26. Liu X., Kim Y.J., Müller R., Yumul R.E., Liu C., Pan Y., Cao X., Goodrich J., Chen X. AGAMOUS terminates floral stem cell maintenance in Arabidopsis by directly repressing WUSCHEL through recruitment of Polycomb Group proteins. Plant Cell. 2011;23(10):36543670. DOI 10.1105/tpc.111.091538.

27. Lohmann J.U., Hong R.L., Hobe M., Busch M.A., Parcy F., Simon R., Weigel D. A molecular link between stem cell regulation and floral patterning in Arabidopsis. Cell. 2001;105(6):793-803. http://dx.doi.org/10.1016/S0092-8674(01)00384-1.

28. Mycoheterotrophy: The Biology of Plants Living on Fungi. Ed. V.S.F.T. Merckx. New York: Springer Science+Buisness Media, 2013. DOI 10.1007/978-1-4614-5209-6.

29. Nakata M., Matsumoto N., Tsugeki R., Rikirsch E., Laux T., Okada K. Roles of the middle domain-specific WUSCHELRELATED HOMEOBOX genes in early development of leaves in Arabidopsis. Plant Cell. 2012;24(2):519-535. DOI 10.1105/tpc.111.092858.

30. Nardmann J., Werr W. The invention of WUS-like stem cell-promoting functions in plants predates leptosporangiate ferns. Plant Mol. Biol. 2012;78(1-2):123-134. DOI 10.1007/s11103-011-9851-4.

31. Nardmann J., Zimmermann R., Durantini D., Kranz E., Werr W. WOX gene phylogeny in Poaceae: a comparative approach addressing leaf and embryo development. Mol. Biol. Evol. 2007;24(11):2474-2484. DOI 10.1093/molbev/msm182.

32. Nimchuk Z.L., Tarr P.T., Ohno C., Qu X., Meyerowitz E.M. Plant stem cell signaling involves ligand-dependent trafficking of the CLAVATA1 receptor kinase. Curr. Biol. 2011;21(5):345-352. DOI 10.1016/j.cub.2011.01.039.

33. Oshchepkova E.A., Omelyanchuk N.A., Savina M.S., Pasternak T., Kolchanov N.A., Zemlyanskaya E.V. Systems biology analysis of the WOX5 gene and its functions in the root stem cell niche. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2016;20(4):459-474. DOI 10.18699/VJ16.173. (in Russian)

34. Park S.O., Zheng Z., Oppenheimer D.G., Hauser B.A. The PRETTY FEW SEEDS2 gene encodes an Arabidopsis homeodomain protein that regulates ovule development. Development. 2005;132(4):841849. DOI 10.1242/dev.01654.

35. Pi L., Aichinger E., van der Graaff E., Llavata-Peris C.I., Weijers D., Hennig L., Groot E., Laux T. Organizer-derived WOX5 signal maintains root columella stem cells through chromatin-mediated repression of CDF4 expression. Dev. Cell. 2015;33(5):576-588. DOI 10.1016/j.devcel.2015.04.024.

36. Prunet N., Morel P., Negrutiu I., Trehin C. Time to stop: flower meristem termination. Plant Physiol. 2009;150(4):1764-1772. DOI 10.1104/pp.109.141812.

37. Ravin N.V., Gruzdev E.V., Beletsky A.V., Mazur A.M., Prokhortchouk E.B., Filyushin M.A., Kochieva E.Z., Kadnikov V.V., Mardanov A.V., Skryabin K.G. The loss of photosynthetic pathways in the plastid and nuclear genomes of the non-photosynthetic mycoheterotrophic eudicot Monotropa hypopitys. BMC Plant Biol. 2016; 16(3):238. DOI 10.1186/s12870-016-0929-7.

38. Romera-Branchat M., Ripoll J.J., Yanofsky M.F., Pelaz S. The WOX13 homeobox gene promotes replum formation in the Arabidopsis thaliana fruit. Plant. J. 2013;73(1):37-49. DOI 10.1111/tpj.12010.

39. Sakakibara K., Reisewitz P., Aoyama T., Friedrich T., Ando S., Sato Y., Tamada Y., Nishiyama T., Hiwatashi Y., Kurata T., Ishikawa M., Deguchi H., Rensing S.A., Werr W., Murata T., Hasebe M., Laux T. WOX13-like genes are required for reprogramming of leaf and protoplast cells into stem cells in the moss Physcomitrella patens. Development. 2014;141(8):1660-1670. DOI 10.1242/dev.097444.

40. Salvini M., Fambrini M., Giorgetti L., Pugliesi C. Molecular aspects of zygotic embryogenesis in sunflower (Helianthus annuus L.): correlation of positive histone marks with HaWUS expression and putative link HaWUS/HaL1L. Planta. 2016;243(1):199-215. DOI 10.1007/s00425-015-2405-2.

41. Sarkar A.K., Luijten M., Miyashima S., Lenhard M., Hashimoto T., Nakajima K., Scheres B., Heidstra R., Laux T. Conserved factors regulate signalling in Arabidopsis thaliana shoot and root stem cell organizers. Nature. 2007;446(7137):811-814. DOI 10.1038/nature05703.

42. Schoof H., Lenhard M., Haecker A., Mayer K.F., Jürgens G., Laux T. The stem cell population of Arabidopsis shoot meristems in maintained by a regulatory loop between the CLAVATA and WUSCHEL genes. Cell. 2000;100(6):635-644. http://dx.doi.org/10.1016/S00928674(00)80700-X.

43. Segatto A.L., Thompson C.E., Freitas L.B. Contribution of WUSCHEL-related homeobox (WOX) genes to identify the phylogenetic relationships among Petunia species. Genet. Mol. Biol. 2016. Epub ahead of print. DOI 10.1590/1678-4685-GMB-2016-0073.

44. Somssich M., Je B.I., Simon R., Jackson D. CLAVATA-WUSCHEL signaling in the shoot meristem. Development. 2016;143(18):32383248. DOI 10.1242/dev.133645.

45. Suer S., Agusti J., Sanchez P., Schwarz M., Greb T. WOX4 imparts auxin responsiveness to cambium cells in Arabidopsis. Plant Cell. 2011;23:3247-3259. DOI 10.1105/tpc.111.087874.

46. Sun B., Ito T. Regulation of floral stem cell termination in Arabidopsis. Front. Plant Sci. 2015;6:17. DOI 10.3389/fpls.2015.00017.

47. Sun B., Xu Y., Ng K.H., Ito T. A timing mechanism for stem cell maintenance and differentiation in the Arabidopsis floral meristem. Genes Dev. 2009;23(15):1791-1804. DOI 10.1101/gad.1800409.

48. Tamura K., Stecher G., Peterson D., Filipski A., Kumar S. MEGA6: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 6.0. Mol. Biol. Evol. 2013;30(12):2725-2729. DOI 10.1093/molbev/mst197.

49. van der Graaff E., Laux T., Rensing S.A. The WUS homeobox-containing (WOX) protein family. Genome Biol. 2009;10(12):248. DOI 10.1186/gb-2009-10-12-248.

50. Vandenbussche M., Horstman A., Zethof J., Koes R., Rijpkema A.S., Gerats T. Differential recruitment of WOX transcription factors for lateral development and organ fusion in Petunia and Arabidopsis. Plant Cell. 2009;21(8):2269-2283. DOI 10.1105/tpc.109.065862.

51. Wallace G.D. Studies of the Monotropoidiae (Ericaceae): taxonomy and distribution. Wassman J. Biol. 1975;33:1-88.

52. Yadav R.K., Perales M., Gruel J., Girke T., Jönsson H., Reddy G.V. WUSCHEL protein movement mediates stem cell homeostasis in the Arabidopsis shoot apex. Genes Dev. 2011;25(19):2025-2030. DOI 10.1101/gad.17258511.

53. Zhao S., Jiang Q.T., Ma J., Zhang X.W., Zhao Q.Z., Wang X.Y., Wang C.S., Cao X., Lu Z.X., Zheng Y.L., Wei Y.M. Characterization and expression analysis of WOX5 genes from wheat and its relatives. Gene. 2014;537(1):63-69. DOI 10.1016/j.gene.2013.12.022.

54. Zuckerkandl E., Pauling L. Evolutionary divergence and convergence in proteins. N.Y.: Acad. Press, 1965;97-166.