Метаболизм каллозы в волокнах льна при гравиответе: анализ экспрессии генов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Двигательные реакции растений, относящиеся к тропизмам, обычно осуществляются с использованием механизмов роста растяжением. Однако в данном исследовании изучался гравитропизм на уровне клеток (первичные флоэмные волокна), закончивших свой рост и формирующих утолщенную третичную клеточную стенку. Проведены инвентаризация и анализ экспрессии генов ферментов, ответственных за метаболизм каллозы, на разных стадиях развития флоэмных волокон льна (Linum usitatissimum L.) и при гравиответе. Выявлены гены предполагаемых β-1,3-глюкансинтаз (GSLs) и β-1,3-глюканаз (BGs), имеющие дифференциальный характер экспрессии в исследуемых клетках, среди которых отмечены гены с максимальным уровнем экспрессии на определенной стадии развития. В основном при гравитропизме экспрессия генов β-1,3-глюкансинтаз была понижена, тогда как для генов β-1,3-глюканаз были характерны различные профили экспрессии, среди которых выявлены гены с повышенным уровнем экспрессии только при гравиответе (LusBG1 и LusBG3). Полученные данные позволили предположить наличие активного метаболизма каллозы в клеточной стенке исследуемых волокон на разных стадиях развития и доминирование деградации каллозы в ходе гравиответа. Результаты работы закладывают основу для дальнейших исследований функции каллозы в развитии волокон и реализации двигательной реакции растений.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. Н. Ибрагимова

Казанский институт биохимии и биофизики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра “Казанский научный центр Российской академии наук”

Автор, ответственный за переписку.
Email: nibra@yandex.ru
Россия, Казань

Н. Е. Мокшина

Казанский институт биохимии и биофизики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра “Казанский научный центр Российской академии наук”

Email: nibra@yandex.ru
Россия, Казань

Список литературы

  1. Moulia B., Fournier M. The power and control of gravitropic movements in plants: a biomechanical and systems biology view // J. Exp. Bot. 2009. V. 60. P. 461. https://doi.org/10.1093/jxb/ern341
  2. Gorshkova T., Chernova T., Mokshina N., Ageeva M., Mikshina P. Plant “muscles”: fibers with a tertiary cell wall // New Phytol. 2018. V. 218. P. 66. https://doi.org/10.1111/nph.14997
  3. Almeras T., Derycke M., Jaouen G., Beauchene J., Fournier M. Functional diversity in gravitropic reaction among tropical seedlings in relation to ecological and developmental traits // J. Exp. Bot. 2009. V. 60. P. 4397. https://doi.org/10.1093/jxb/erp276
  4. Kojima M., Becker V.K., Altaner C.M. An unusual form of reaction wood in Koromiko [Hebe salicifolia G. Forst. (Pennell)], a southern hemisphere angiosperm // Planta. 2012. V. 235. P. 289. https://doi.org/10.1007/s00425-011-1503-z
  5. Fisher J.B. Anatomy of axis contraction in seedlings from a fire prone habitat // Am. J. Bot. 2008. V. 95. P. 1337. https://doi.org/10.3732/ajb.0800083
  6. Schreiber N., Gierlinger N., Putz N., Fratz P., Neinhuis C., Burgert I. G-fibres in storage roots of Trifolium pratense (Fabaceae): tensile stress generators for contraction // Plant J. 2010. V. 61. P. 854. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2009. 04115.x
  7. Ibragimova N.N., Ageeva M.V., Gorshkova T.A. Development of gravitropic response: unusual behavior of flax phloem G-fibers // Protoplasma. 2017. V. 254. P. 749. https://doi.org/10.1007/s00709-016-0985-8
  8. Waterkeyn L., Caeymaex S., Decamps E. Callose in compression wood tracheids of Pinus and Larix // Bull. Soc. Roy. Bot. Belg. 1982. V. 115. P. 149.
  9. Chen X.-Y., Kim J.-Y. Callose synthesis in higher plants // Plant Signal. Behav. 2009. V. 4. P. 489. https://doi.org/10.4161/psb.4.6.8359
  10. Usak D., Haluška S., Pleskot R. Callose synthesis at the center point of plant development – an evolutionary insight // Plant Physiol. 2023. V. 193. P. 54. https://doi.org/10.1093/plphys/kiad274
  11. Pirselova B., Matusikova I. Callose: the plant cell wall polysaccharide with multiple biological functions // Acta Physiol. Plant. 2013. V. 35. P. 635. https://doi.org/10.1007/s11738-012-1103-y
  12. Richmond T.A., Somerville C.R. The cellulose synthase superfamily // Plant Physiol. 2000. V. 124. P. 495. https://doi.org/10.1104/pp.124.2.495
  13. Verma D.P.S, Hong Z. Plant callose synthase complexes // Plant Mol. Biol. 2001. V. 47. P. 693. https://doi.org/10.1023/A:1013679111111
  14. Lombard V., Ramulu H.G., Drula E., Coutinho P.M., Henrissat B. The carbohydrate-active enzymes database (CAZy) in 2013 // Nucleic Acids Res. 2014. V. 42. P. D490. https://doi.org/10.1093/nar/gkt1178
  15. Perrot T., Pauly M., Ramírez V. Emerging roles of β-glucanases in plant development and adaptative responses // Plants. 2022. V. 11. P. 1119. https://doi.org/10.3390/plants11091119
  16. Snegireva A.V., Ageeva M.V., Amenitskii S.I., Chernova T.E., Ebskamp M., Gorshkova T.A. Intrusive growth of sclerenchyma fibers // Russ. J. Plant Physiol. 2010. V. 57. P. 342. https://doi.org/10.1134/S1021443710030052
  17. Gorshkova T., Chernova T., Mokshina N., Gorshkov V., Kozlova L., Gorshkov O. Transcriptome analysis of intrusively growing flax fibers isolated by laser microdissection // Sci. Rep. 2018. V. 8. P. 14570. https://doi.org/10.1038/s41598-018-32869-2
  18. 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. V. 231. P. 512. https://doi.org/10.1111/nph.17405
  19. Cui W., Lee J.-Y. Arabidopsis callose synthases CalS1/8 regulate plasmodesmal permeability during stress // Nat. Plants. 2016. V. 2. P. 16034. https://doi.org/10.1038/nplants.2016.34
  20. Teea E.E., Johnstona M.G., Papp D., Faulknera C.A. PDLP-NHL3 complex integrates plasmodesmal immune signaling cascades // PNAS. 2023. V. 120. e2216397120. https://doi.org/10.1073/pnas.2216397120
  21. Sevilem I., Miyashima S., Helariutta Y. Cell-to-cell communication via plasmodesmata in vascular plants // Cell Adh. Migr. 2013. V. 7. P. 27. https://doi.org/10.4161/cam.22126
  22. Saatian B., Kohalmi S.E., Cui Y. Localization of Arabidopsis Glucan Synthase-Like 5, 8, and 12 to plasmodesmata and the GSL8-dependent role of PDLP5 in regulating plasmodesmal permeability // Plant Signal. Behav. 2023. V. 18. P. 2164670. https://doi.org/10.1080/15592324.2022.2164670
  23. Xie B., Wang X., Zhu M., Zhang Z., Hong Z. Cals7 encodes a callose synthase responsible for callose deposition in the phloem: a phloemspecific callose synthase // Plant J. 2011. V. 65. P. 1. https://doi.org/10. 1111/j.1365-313X.2010.04399
  24. Gorshkov O., Mokshina N., Ibragimova N., Ageeva M., Gogoleva N., Gorshkova T. Phloem fibres as motors of gravitropic behaviour of flax plants: level of transcriptome // Funct. Plant Biol. 2018. V. 45. P. 203. https://doi.org/10.1071/FP16348
  25. Ellinger D., Naumann M., Falter C., Zwikowics C., Jamrow T., Manisseri C., Somerville S.C., Voigt C.A. Elevated early callose deposition results in complete penetration resistance to powdery mildew in Arabidopsis // Plant Physiol. 2013. V. 161. P. 1433. https://doi.org/10.1104/pp.112.211011
  26. Naumann M., Somerville S., Voigt C. Differences in early callose deposition during adapted and non-adapted powdery mildewinfection of resistant Arabidopsis lines // Plant Signal. Behav. 2013. V. 8. e24408. https://doi.org/10.4161/psb.24408
  27. Enns L.C., Kanaoka M.M., Torii K.U., Comai L., Okada K., Cleland R.E. Two callose synthases, GSL1 and GSL5, play an essential and redundant role in plant and pollen development and in fertility // Plant Mol. Biol. 2005. V. 58. P. 333. https://doi.org/10.1007/s11103-005-4526-7
  28. Zhou C., Yin Y., Dam P., Xu Y. Identification of novel proteins involved in plant cell-wall synthesis based on protein-protein interaction data // J. Proteome Res. 2010. V. 9. P. 5025. https://doi.org/10.1021/pr100249c
  29. Sakuma Y., Maruyama K., Osakabe Y., Qin F., Seki M., Shinozaki K., Yamaguchi-Shinozaki K. Functional analysis of an Arabidopsis transcription factor, DREB2A, involved in drought-responsive gene expression // Plant Cell. 2006. V. 18. P. 1292. https://doi.org/10.1105/tpc.105.035881
  30. Levy A., Erlanger M., Rosenthal M., Epel B.L. A plasmodesmata-associated beta-1,3-glucanase in Arabidopsis // Plant J. 2007. V. 49. P. 669. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2006.02986.x
  31. Ho L.H., Giraud E., Uggalla V., Lister R., Clifton R., Glen A., Thirkettle-Watts D., Van Aken O., Whelan J. Identification of regulatory pathways controlling gene expression of stress-responsive mitochondrial proteins in Arabidopsis // Plant Physiol. 2008. V. 147. P. 1858. https://doi.org/10.1104/pp.108.121384
  32. Borner G.H., Lilley K.S., Stevens T.J., Dupree P. Identification of glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins in Arabidopsis. A proteomic and genomic analysis // Plant Physiol. 2003. V. 132. P. 568. https://doi.org/10.1104/pp.103.021170
  33. Ko J.H., Yang S.H., Park A.H., Lerouxel O., Han K.H. ANAC012, a member of the plant-specific NAC transcription factor family, negatively regulates xylary fiber development in Arabidopsis thaliana // Plant J. 2007. V. 50. P. 1035. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2007.03109.x
  34. Zavaliev R., Levy A., Gera A., Epel B.L. Subcellular dynamics and role of Arabidopsis β-1,3-glucanases in cell-to-cell movement of tobamoviruses // Mol. Plant Microbe Interact. 2013. V. 26. P. 1016. https://doi.org/10.1094/MPMI-03-13-0062-R

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема отбора образцов (изолированных волокон льна) для оценки экспрессии генов. Данные экспрессии загружены в FIBexDB [18]; iFIBa – интрузивно растущие волокна, tFIBa – ранняя стадия формирования ТКС (третичной клеточной стенки), tFIBb – поздняя стадия формирования ТКС; 8, 24, 96 ч – время фиксации образцов после наклона стебля; PUL – pulling side (тянущая сторона), OPP – противоположная PUL-стороне. Справа в таблице приведены номера проектов в NCBI, в которых опубликованы сырые данные транскриптомных анализов. Нормализованные данные для всех транскриптомных экспериментов можно найти в FIBexDB (https://ssl.cres-t.org/fibex/flax/).

Скачать (310KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Перечень генов β-1,3-глюкансинтаз (PF02364, PF04652) и их экспрессия в волокнах льна на разных стадиях развития и при гравистимуляции (в TGR) с разбивкой на кластеры 1–4. Гены, экспрессия которых была достоверна снижена при гравистимуляции в волокнах стебля льна, обозначены синим; гены, экспрессия которых достоверно увеличивалась в волокнах при гравистимуляции по сравнению с экспрессией в волокнах контрольных растений (tFIBb), обозначены красным. * (с) – Различия с контролем (tFIBb) и b – различия c tFIBa достоверны при q < 0.05. Серым фоном выделены гены, экспрессию которых не рассматривали. iFIBa – интрузивно растущие волокна, tFIBa – ранняя стадия формирования ТКС (третичной клеточной стенки). tFIBb – поздняя стадия формирования ТКС, которая служила контролем (СTR) в эксперименте с гравистимуляцией. 8, 24, 96 ч – время фиксации образцов после наклона стебля; PUL – pulling side (тянущая сторона), OPP – противоположная PUL-стороне. Lus – последовательности льна Linum usitatissimum, Аt – последовательности Arabidopsis thaliana.

Скачать (612KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Экспрессия генов β-1,3-глюкансинтаз (PF02364) в волокнах стебля льна из кластеров 1–4 с максимумом на разных стадиях развития и уменьшением экспрессии при гравиответе (а), а также резко понижающих экспрессию в волокнах со зрелой клеточной стенкой (tFIBb) по сравнению с iFIBa и tFIBa, но активирующихся при гравиответе (б). * – Различия с контролем достоверны при q < 0.05. iFIBa – интрузивно растущие волокна, tFIBa – ранняя стадия формирования ТКС (третичной клеточной стенки). tFIBb – поздняя стадия формирования ТКС. 8, 24, 96 ч – время фиксации образцов после наклона стебля; PUL – pulling side (тянущая сторона), OPP – противоположная PUL стороне. Черной пунктирной линией обозначен уровень экспрессии в контрольных растениях без гравистимуляции.

Скачать (275KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Гены β-1,3-глюкансинтаз (PF02364), гомологичные ATGSL7 (а) и ATGSL2 (б), имеющие высокий уровень экспрессии в волокнах льна на разных стадиях развития, но понижающие экспрессию при гравистимуляции. * – Различия с контролем достоверны при q < 0.05. iFIBa – интрузивно растущие волокна, tFIBa – ранняя стадия формирования ТКС (третичной клеточной стенки). tFIBb – поздняя стадия формирования ТКС. 8, 24, 96 ч – время фиксации образцов после наклона стебля; PUL – pulling side (тянущая сторона), OPP – противоположная PUL стороне. TGR – total gene reads. Черной пунктирной линией обозначен уровень экспрессии в контрольных растениях без гравистимуляции.

Скачать (282KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Перечень генов гликозидгидролаз 17 семейства (PF00332) и их экспрессия в волокнах стебля льна (в TGR). Слева от тепловой карты – гены льна (и их ближайшие гомологи в Arabidopsis thaliana), проявляющие изменение экспрессии при гравиответе более чем в 3 раза (как минимум, в одном образце); выделены гены, максимально экспрессируемые только в ходе гравиответа. * (с) – Различия с контролем (tFIBb) и b – различия c tFIBa достоверны при q < 0.05. iFIBa – интрузивно растущие волокна, tFIBa – ранняя стадия формирования ТКС (третичной клеточной стенки). tFIBb – поздняя стадия формирования ТКС, которая служила контролем (CTR) в эксперименте с гравистимуляцией. 8, 24, 96 ч – время фиксации образцов после наклона стебля; PUL – pulling side (тянущая сторона), OPP – противоположная PUL стороне. Lus – последовательности льна Linum usitatissimum, Аt – последовательности Arabidopsis thaliana. BG – β-1,3-glucanase. Справа отмечены образцы, в которых экспрессия гена была максимальной. g – предсказанный GPI-якорь (коэффициент 0.173–0.503).

Скачать (427KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Гены β-1,3-глюканаз, экспрессия которых повышалась в PUL-волокнах при гравистимуляции по сравнению с OPP. Сверху представлена доменная организация соответствующих белковых последовательностей: SP – сигнальный пептид, GH17 – Glycosyde hydrolase family 17. * – Различие с контролем достоверно при q < 0.05; t-test – различия между образами достоверны при P < 0.05. iFIBa – интрузивно растущие волокна, tFIBa – ранняя стадия формирования ТКС (третичной клеточной стенки), tFIBb – поздняя стадия формирования ТКС. 8, 24, 96 ч – время фиксации образцов после наклона стебля; PUL – pulling side (тянущая сторона), OPP – противоположная PUL стороне. TGR – total gene reads. Черной пунктирной линией обозначен уровень экспрессии в контрольных растениях без гравистимуляции.

Скачать (178KB)
Метаданные
8. Дополнительные материалы
Скачать (307KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024