Влияние дефицита влаги на экспрессию генов, кодирующих стресс-ассоциированные белки яблони

У растений стресс-ассоциированные белки (SAP, stress-associated proteins) участвуют в ответе на воздействие неблагоприятных биотических и абиотических факторов. С целью изучения влияния засухи на изменение уровня экспрессии SAP у яблони и их вовлеченности в стрессовый ответ проведен анализ уровней экспрессии 14 генов, отнесенных к этому семейству, с помощью количественной ПЦР (qPCR). Показано их участие в геноме подвоя яблони сорта MM-106 при стрессовом ответе на засуху.

При этом к 4-му часу воздействия засухи наблюдалась тенденция к повышению экспрессии данных генов, а к 24-му часу отмечалось ее снижение. Сравнение этих данных с результатами, полученными при моделировании засухи в более мягких условиях, показало, что при моделировании засухи в более жестких условиях экспрессия у большего количества генов, кодирующих стресс-ассоциированные белки, повышается и имеет место более выраженный ответ. Оценка влияния степени идентичности нуклеотидных последовательностей этих генов на сходство их профилей экспрессии при воздействии засухи не выявила непосредственной зависимости между первичной структурой генов и характером их экспрессии.

В структуре стресс-ассоциированных белков, кодируемых генами, которые наиболее сильно реагируют на засуху (например, у Malus, Solanum lycopersicum, Gossypium hirsutum, Cucumis sativus), чаще всего по сравнению с другими типами доменов цинковых пальцев встречается домен типа A20-AN1. Анализ сходства последовательностей стресс-ассоциированных белков и уровней экспрессии кодирующих их генов в условиях засухи у разных видов растений (яблони, хлопчатника, томата и огурца) позволяет предположить, что у каждого вида эволюция механизмов адаптации, включающих гены, кодирующие SAP, происходила независимо и, вероятнее всего, после выделения этих видов от общего предка. Полученные результаты позволяют уточнить роль отдельных генов, кодирующих SAP, в формировании стрессового ответа яблони на воздействие засухи.

1. Genomic analysis of stress associated proteins in soybean and the role of GmSAP16 in abiotic stress responses in Arabidopsis and soybean / X.-Z. Zhang [et al.] // Front. Plant Sci. – 2019. – Vol. 10. – Art. 1453. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01453

2. Gene networks involved in drought stress response and tolerance / K. Shinozaki, K. Yamaguchi-Shinozaki // J. Exp. Bot. – 2007. – Vol. 58, N 2. – P. 221‒227. https://doi.org/10.1093/jxb/erl164

3. Changes in oligosaccharide content and antioxidant enzyme activities in developing bean seeds as related to acquisition of drying tolerance and seed quality / C. Bailly [et al.] // J. Exp. Bot. – 2001. – Vol. 52, N 357. – P. 701‒708. https://doi. org/10.1093/jexbot/52.357.701

4. Expression profiling and bioinformatic analyses of a novel stress-regulated multispanning transmembrane protein family from cereals and Arabidopsis / G. Breton [et al.] // Plant Physiol. – 2003. – Vol. 132, N 1. – P. 64‒74. https://doi. org/10.1104/pp.102.015255

5. A novel LEA gene from Tamarix androssowii confers drought tolerance in transgenic tobacco / Y. Wang [et al.] // Plant Sci. – 2006. – Vol. 171, N 6. – P. 655‒662. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2006.06.011

6. Li, K.-Q. Identification of differentially expressed genes related to dehydration resistance in a highly drought-tolerant pear, Pyrus betulaefolia, as through RNA-Seq / K.-Q. Li, X.-Y. Xu, X.-S. Huang // PloS ONE. – 2016. – Vol. 11, N 2. – P. e0149352. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0149352

7. An apple (Malus domestica) NAC transcription factor enhances drought tolerance in transgenic apple plants / D. Jia [et al.] // Plant Physiol. Biochem. – 2019. – Vol. 139. – P. 504‒512. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2019.04.011

8. R2R3‐MYB transcription factor Md MYB 23 is involved in the cold tolerance and proanthocyanidin accumulation in apple / J. P. An [et al.] // Plant J. – 2018. – Vol. 96, N 3. – P. 562‒577. https://doi.org/10.1111/tpj.14050

9. Genome-wide analysis and expression profiling of the DREB transcription factor gene family in Malus under abiotic stress / T. Zhao [et al.] // Mol. Genet. Genomics. – 2012. – Vol. 287, N 5. – P. 423‒436. https://doi.org/10.1007/s00438-012-0687-7

10. Genome-wide identification and expression profiling of the SnRK2 gene family in Malus prunifolia / Y. Shao [et al.] // Gene. – 2014. – Vol. 552, N 1. – P. 87‒97. https://doi.org/10.1016/j.gene.2014.09.017

11. Identification and expression analysis of Stress-Associated Proteins (SAPs) сontaining A20/AN1 zinc finger in cucumber / W. Lai [et al.] // Plants. – 2020. – Vol. 9, N 3. – Art. 400. https://doi.org/10.3390/plants9030400

12. Genome-wide analysis of the stress-associated protein (SAP) gene family containing A20/AN1 zinc-finger (s) in rice and their phylogenetic relationship with Arabidopsis / S. Vij, A. K. Tyagi // Mol. Genet. Genomics. – 2006. – Vol. 276, N 6. – P. 565‒575. https://doi.org/10.1007/s00438-006-0165-1

13. Genome-wide identification and expression analysis of stress-associated proteins (SAPs) containing A20/AN1 zinc finger in cotton / W. Gao [et al.] // Mol. Genet. Genomics. – 2016. – Vol. 291, N 6. – P. 2199‒2213. https://doi.org/10.1007/ s00438-016-1252-6

14. Characterization and phylogenetic analysis of environmental stress-responsive SAP gene family encoding A20/AN1 zinc finger proteins in tomato / A. U. Solanke [et al.] // Mol. Genet. Genomics. – 2009. – Vol. 282, N 2. – P. 153‒164. https:// doi.org/10.1007/s00438-009-0455-5

15. Genome-wide survey and expression analysis of the stress-associated protein gene family in desert poplar, Populus euphratica / H. Jia [et al.] // Tree Genet. Genomes. – 2016. – Vol. 12, N 4. – Art. 78. https://doi.org/10.1007/s11295-016-1033-8

16. Genomic characterization and expression profiles of stress-associated proteins (SAPs) in castor bean (Ricinus communis) / Z. Wang [et al.] // Plant Diversity. – 2020. – Vol. 43, N 2. – P. 152–162. https://doi.org/10.1016/j.pld.2020.07.010

17. SAPs as novel regulators of abiotic stress response in plants / J. Giri [et al.] // Bioessays. – 2013. – Vol. 35, N 7. – P. 639‒648. https://doi.org/10.1002/bies.201200181

18. A stress‐associated protein, AtSAP13, from Arabidopsis thaliana provides tolerance to multiple abiotic stresses / A. Dixit [et al.] // Plant, Cell Environ. – 2018. – Vol. 41, N 5. – P. 1171‒1185. https://doi.org/10.1111/pce.13103

19. Mukhopadhyay, A. Overexpression of a zinc-finger protein gene from rice confers tolerance to cold, dehydration, and salt stress in transgenic tobacco / A. Mukhopadhyay, S. Vij, A. K. Tyagi // Proc. Nat. Acad. Sci. – 2004. – Vol. 101, N 16. – P. 6309‒6314. https://doi.org/10.1073/pnas.0401572101

20. Идентификация генов, кодирующих стресс-ассоциированные белки, содержащие домены A20/AN1, в геноме яблони in silico и анализ их филогенетических связей / П. В. Кузмицкая, О. Ю. Урбанович, А. В. Кильчевский // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2018. – Т. 62. – С. 455‒462.

21. Genome-wide analysis and cloning of the apple stress-associated protein gene family reveals MdSAP15, which confers tolerance to drought and osmotic stresses in transgenic Arabidopsis / Q. Dong [et al.] // Int. J. Mol. Sci. – 2018. – Vol. 19, N 9. – Art. 2478. https://doi.org/10.3390/ijms19092478

22. CLUSTAL W: improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, position-specific gap penalties and weight matrix choice / J. D. Thompson, D. G. Higgins, T. J. Gibson // Nucl. Acids Res. – 1994. – Vol. 22, N 22. – P. 4673‒4680. https://doi.org/10.1093/nar/22.22.4673

23. MEGA X: Molecular evolutionary genetics analysis across computing platforms / S. Kumar [et al.] // Mol. Biol. Evol. – 2018. – Vol. 35, N 6. – P. 1547‒1549. https://doi.org/10.1093/molbev/msy096

24. Isolation of high quality RNA from bilberry (Vaccinium myrtillus L.) fruit / L. Jaakola [et al.] // Mol. Biotechnol. – 2001. – Vol. 19, N 2. – P. 201‒203. https://doi.org/10.1385/MB:19:2:201

25. The MIQE guidelines: minimum information for publication of quantitative real-time PCR experiments / S. A. Bustin [et al.] // Clin. Chem. – 2009. – Vol. 55, N 4. – P. 611‒622. https://doi.org/10.1373/clinchem.2008.112797

26. An improvement of the 2ˆ (–delta delta CT) method for quantitative real-time polymerase chain reaction data analysis / X. Rao [et al.] // Biostat., Bioinform. Biomath. – 2013. – Vol. 3, N 3. – P. 71–85.

27. Genome-wide identification and expression analysis of stress-associated proteins (SAPs) containing A20/AN1 zinc finger in cotton / W. Gao [et al.] // Mol. Genet. Genomics. – 2016. – Vol. 291, N 6. – P. 2199‒2213. https://doi.org/10.1007/ s00438-016-1252-6