Сверхэкспрессия гена AtOPR3 в пшенице стимулирует образование летучих метаболитов гидропероксидлиазной ветви биосинтеза оксилипинов

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Алленоксидсинтазная (AOS) и гидропероксидлиазная (HPL) ветви пути биосинтеза оксилипинов ведут к образованию разных продуктов из одного субстрата – 13-гидроперокси-(9,11,15)-октадекатриеновой кислоты (13-ГПОТ). До сих пор остается неизвестным, как у растений регулируется распределение 13-ГПОТ субстрата между этими ветвями, как метаболиты каждой ветви влияют на активность параллельной ветви. В данной работе была исследована активность HPL ветви в листьях мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Саратовская-60, а также полученных на ее основе трансгенных растений со сверхэкспрессией гена биосинтеза жасмонатов из Arabidopsis thaliana AtOPR3 (12-OXOPHYTODIENOATE REDUCTASE 3). В ходе исследований выявлено высокое содержание метаболитов HPL ветви в листьях, что свидетельствует о высокой активности HPL пути биосинтеза оксилипинов у пшеницы. Показано, что сверхэкспрессия гена AtOPR3 приводит к повышению содержания метаболитов HPL ветви в листьях, в первую очередь цис-3-гексеналя, а также к изменению профиля летучих соединений HPL ветви, выделяемых поврежденными растениями. После механического повреждения листья трансгенной пшеницы со сверхэкспрессией AtOPR3 выделяют больше цис-3-гексенола и цис-3-гексенил ацетата, но меньше транс-2-гексеналя в сравнении с нетрансгенными растениями. Изменения содержания метаболитов HPL ветви в листовых тканях и в смеси выделяемых летучих соединений проявляются ярче в трансгенных линиях с более высоким уровнем экспрессии AtOPR3. Таким образом, впервые показано, что генетическая модификация AOS ветви биосинтеза оксилипинов приводит к изменению активности HPL ветви в растениях пшеницы.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. И. Дегтярёва

Институт фундаментальных проблем биологии, Федеральный исследовательский центр “Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук”; Филиал Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук

Email: savchenko_t@rambler.ru
Russian Federation, Пущино; Пущино

Д. Н. Мирошниченко

Институт фундаментальных проблем биологии, Федеральный исследовательский центр “Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук”; Филиал Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук

Email: savchenko_t@rambler.ru
Russian Federation, Пущино; Пущино

А. В. Пиголев

Институт фундаментальных проблем биологии, Федеральный исследовательский центр “Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук”

Email: savchenko_t@rambler.ru
Russian Federation, Пущино

Е. А. Дегтярёв

Институт фундаментальных проблем биологии, Федеральный исследовательский центр “Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук”

Email: savchenko_t@rambler.ru
Russian Federation, Пущино

Е. М. Тебина

Институт фундаментальных проблем биологии, Федеральный исследовательский центр “Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук”

Email: savchenko_t@rambler.ru
Russian Federation, Пущино

П. С. Стрельцова

Институт фундаментальных проблем биологии, Федеральный исследовательский центр “Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук”; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Тульский государственный университет”

Email: savchenko_t@rambler.ru
Russian Federation, Пущино; Тула

С. В. Долгов

Филиал Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук

Email: savchenko_t@rambler.ru
Russian Federation, Пущино

Т. В. Савченко

Институт фундаментальных проблем биологии, Федеральный исследовательский центр “Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук”

Author for correspondence.
Email: savchenko_t@rambler.ru
Russian Federation, Пущино

References

  1. Matsui K. Green leaf volatiles: hydroperoxide lyase pathway of oxylipin metabolism // Curr. Opin. Plant Biol. 2006. V. 9. P. 274.
  2. Sarang K., Rudziński K.J., Szmigielski R. Green leaf volatiles in the atmosphere – properties, transformation, and significance // Atmosphere. 2021. V. 12. P. 1655. https:www.mdpi.com/2073-4433/12/12/1655
  3. Savchenko T., Yanykin D., Khorobrykh A., Terentyev V., Klimov V., Dehesh K. The hydroperoxide lyase branch of the oxylipin pathway protects against photoinhibition of photosynthesis // Planta. 2017. V. 245. P. 1179. https:doi.org/10.1007/s00425-017-2674-z
  4. Scala A., Mirabella R., Mugo C., Matsui K., Haring M.A., Schuurink R.C. E-2-hexenal promotes susceptibility to Pseudomonas syringae by activating jasmonic acid pathways in Arabidopsis // Front. Plant Sci. 2013. V. 4. P. 74. https:doi.org/10.3389/fpls.2013.00074
  5. Su Q., Yang F., Zhang Q., Tong H., Hu Y., Zhang X., Xie W., Wang S., Wu Q., Zhang Y. Defence priming in tomato by the green leaf volatile (Z)-3-hexenol reduces whitefly transmission of a plant virus // Plant Cell Environ. 2020. V. 43. P. 2797. https:doi: 10.1111/pce.13885.
  6. Ameye M., Allmann S., Verwaeren J., Smagghe G., Haesaert G., Schuurink R.C., Audenaert K. Green leaf volatile production by plants: a meta-analysis // New Phytol. 2018. V. 220. P. 666. https:doi.org/10.1111/nph.14671
  7. Hamilton-Kemp T.R., McCracken C.T.Jr., Loughrin J.H., Andersen R.A., Hildebrand D.F. Effects of some natural volatile compounds on the pathogenic fungi Alternaria alternata and Botrytis cinerea // J. Chem. Ecol. 1992. V. 18. P. 1083.
  8. Savchenko T.V., Zastrijnaja O.M., Klimov V.V. Oxylipins and plant abiotic stress resistance // Biochem. (Moscow). 2014. V. 79. P. 362.
  9. Engelberth M., Selman S.M., Engelberth J. In-cold exposure to z-3-hexenal provides protection against ongoing cold stress in Zea mays // Plants. 2019. V. 8. P. 165. https:www.mdpi.com/2223-7747/8/6/165
  10. Yamauchi Y., Kunishima M., Mizutani M., Sugimoto Y. Reactive short-chain leaf volatiles act as powerful inducers of abiotic stress-related gene expression // Sci. Rep. 2015. V. 5. P. 8030.
  11. Tian S., Guo R., Zou X., Zhang X., Yu X., Zhan Y., Ci D., Wang M., Wang Y., Si T. Priming with the green leaf volatile (Z)-3-hexeny-1-yl acetate enhances salinity stress tolerance in peanut (Arachis hypogaea L.) seedlings // Front. Plant Sci. 2019. V. 10. P. 785.
  12. Wasternack C., Song S. Jasmonates: biosynthesis, metabolism, and signaling by proteins activating and repressing transcription // J. Exp. Bot. 2017. V. 68. P. 1303. https:doi: 10.1093/jxb/erw443
  13. Rustgi S., Springer A., Kang C., Von Wettstein D., Reinbothe C., Reinbothe S., Pollmann S. Allene oxide synthase and hydroperoxide lyase, two non-canonical cytochrome P450s in Arabidopsis thaliana and their different roles in plant defense // Inter. J. Mol. Sci. 2019. V. 20. P. 3064. https:doi.org/10.3390/ijms20123064
  14. Wang R., Shen W., Liu L., Jiang L., Liu Y., Su N., Wan J. A novel lipoxygenase gene from developing rice seeds confers dual position specificity and responds to wounding and insect attack // Plant Mol. Biol. 2008. V. 66. P. 401. https:doi: 10.1007/s11103-007-9278-0
  15. Mochizuki S., Sugimoto K., Koeduka T., Matsui K. Arabidopsis lipoxygenase 2 is essential for formation of green leaf volatiles and five-carbon volatiles // FEBS Letters. 2016. V. 590. P. 1017. https:febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ 1873-3468.12133
  16. Toporkova Y.Y., Askarova E.K., Gorina S.S., Mukhtarova L.S., Grechkin A.N. Oxylipin biosynthesis in spikemoss Selaginella moellendorffii: Identification of allene oxide synthase (CYP74L2) and hydroperoxide lyase (CYP74L1) // Phytochem. 2022. V. 195. P. 113051. https:doi.org/10.1016/j.phytochem.2021.113051
  17. Lee D.S., Nioche P., Hamberg M., Raman C.S. Structural insights into the evolutionary paths of oxylipin biosynthetic enzymes // Nature. 2008. V. 455. P. 363. https:doi: 10.1038/nature07307
  18. Grechkin A.N., Hamberg M. The “heterolytic hydroperoxide lyase” is an isomerase producing a short-lived fatty acid hemiacetal // Biochim. Biophys. Acta. 2004. V. 1636. P. 47. https:doi.org/10.1016/j.bbalip.2003.12.003
  19. Zimmerman D.C., Coudron C.A. Identification of traumatin, a wound hormone, as 12-oxo-trans-10-dodecenoic acid // Plant Physiol. 1979. V. 63. P. 536.
  20. Kunishima M., Yamauchi Y., Mizutani M., Kuse M.,Takikawa H.,Sugimoto Y. Identification of (Z)-3:(E)-2-hexenal isomerases essential to the production of the leaf aldehyde in plants // J. Biolog. Chem. 2016. V. 291. P. 14023. https:doi.org/10.1074/jbc.M116.726687
  21. Tanaka T., Ikeda A., Shiojiri K., Ozawa R., Shiki K., Nagai-Kunihiro N., Fujita K., Sugimoto K., Yamato K.T., Dohra H. Identification of a hexenal reductase that modulates the composition of green leaf volatiles // Plant Physiol. 2018. V. 178. P. 552. https:doi.org/10.1104/pp.18.00632
  22. D’Auria J.C., Pichersky E., Schaub A., Hansel A., Gershenzon J. Characterization of a BAHD acyltransferase responsible for producing the green leaf volatile (Z)-3-hexen-1-yl acetate in Arabidopsis thaliana // Plant J. 2007. V. 49. P. 194. https:doi.org/10.1111/j.1365-313X.2006.02946.x
  23. Matsui K., Sugimoto K., Mano J.i., Ozawa R., Takabayashi J. Differential metabolisms of green leaf volatiles in injured and intact parts of a wounded leaf meet distinct ecophysiological requirements // PloS One. 2012. V. 7. P. e36433. https:doi.org/10.1371/journal.pone.0036433
  24. Chehab E.W., Kaspi R., Savchenko T., Rowe H., Negre-Zakharov F., Kliebenstein D., Dehesh K. Distinct roles of jasmonates and aldehydes in plant-defense responses // PLoS One. 2008. V. 3. P. e1904. https:doi.org/10.1371/journal.pone.0001904
  25. Degtyaryov E., Pigolev A., Miroshnichenko D., Frolov A., Basnet A.T., Gorbach D., Leonova T., Pushin A.S., Alekseeva V., Dolgov S., Savchenko T. 12-Oxophytodienoate reductase overexpression compromises tolerance to Botrytis cinerea in hexaploid and tetraploid wheat // Plants. 2023. V. 12. P. 2050. https:www.mdpi.com/2223-7747/12/10/2050
  26. Pigolev A.V., Miroshnichenko D.N., Pushin A.S., Terentyev V.V., Boutanayev A.M., Dolgov S.V., Savchenko T.V. Overexpression of Arabidopsis OPR3 in hexaploid wheat (Triticum aestivum L.) alters plant development and freezing tolerance // Inter. J. Mol. Sci. 2018. V. 19. P. 3989. https:www.mdpi.com/1422-0067/19/12/3989
  27. Savchenko T., Pearse I.S., Ignatia L., Karban R., Dehesh K. Insect herbivores selectively suppress the HPL branch of the oxylipin pathway in host plants // Plant J. 2013. V. 73. P. 653. https:onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.12064
  28. Bligh E., Dyer W.J. A rapid method of total lipid extraction and purification // J. Biochem. Physiol. 1959. V. 37. P. 911.
  29. Krivina E.S., Savchenko T.V., Tebina E.M., Shatilovich A.V., Temraleeva A.D. Morphology, phylogeny and fatty acid profiles of Meyerella similis from freshwater ponds and Meyerella krienitzii sp. nov. from soil (Trebouxiophyceae, Chlorophyta) // J. Appl. Phycol. 2023. V. 35. P. 2295. https:doi.org/10.1007/s10811-023-03038-4
  30. Cerezo S., Hernández M.L., Palomo-Ríos E., Gouffi N., García-Vico L., Sicardo M.D., Sanz C., Mercado J.A., Pliego-Alfaro F., Martínez-Rivas J.M. Modification of 13-hydroperoxide lyase expression in olive affects plant growth and results in altered volatile profile // Plant Sci. 2021. V. 313. P. 111083. https:doi.org/10.1016/j.plantsci.2021.111083
  31. Piesik D., Wenda-Piesik A., Lamparski R., Tabaka P., Ligor T., Buszewski B. Effects of mechanical injury and insect feeding on volatiles emitted by wheat plants // Entomologica Fennica. 2010. V. 21. P. 117. https:doi.org/10.33338/ef.84521
  32. Ullah S., Khan M.N., Lodhi S.S., Ahmed I., Tayyab M., Mehmood T., Din I.U., Khan M., Sohail Q., Akram M. Targeted metabolomics reveals fatty acid abundance adjustments as playing a crucial role in drought-stress response and post-drought recovery in wheat // Front. Genetics. 2022. V. 13. P. 972696. https:doi.org/10.3389/fgene.2022.972696
  33. Cavalheiro C.V., Picoloto R.S., Cichoski A.J., Wagner R., de Menezes C.R., Zepka L.Q., Da Croce D.M., Barin J.S. Olive leaves offer more than phenolic compounds – Fatty acids and mineral composition of varieties from Southern Brazil // Industrial Crops and Products. 2015. V. 71. P. 122. https:www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926669015002447
  34. Engelberth J., Engelberth M. Variability in the capacity to produce damage-induced aldehyde green leaf volatiles among different plant species provides novel insights into biosynthetic diversity // Plants. 2020. V. 9. P. 213. https:www.mdpi.com/2223-7747/9/2/213
  35. Tong X., Qi J., Zhu X., Mao B., Zeng L., Wang B., Li Q., Zhou G., Xu X., Lou Y., He Z. The rice hydroperoxide lyase OsHPL3 functions in defense responses by modulating the oxylipin pathway // Plant J.: For Cell Mol. Biol. 2012. V. 71. P. 763. https:doi.org/10.1111/j.1365-313X.2012.05027.x
  36. Nilsson A.K., Fahlberg P., Johansson O.N., Hamberg M., Andersson M.X., Ellerström M. The activity of HYDROPEROXIDE LYASE 1 regulates accumulation of galactolipids containing 12-oxo-phytodienoic acid in Arabidopsis // J. Exp. Bot. 2016. V. 67. P. 5133. https:doi.org/10.1093/jxb/erw278
  37. Savchenko T., Kolla V.A., Wang C.Q., Nasafi Z., Hicks D.R., Phadungchob B., Chehab W.E., Brandizzi F., Froehlich J., Dehesh K. Functional convergence of oxylipin and abscisic acid pathways controls stomatal closure in response to drought // Plant Physiol. 2014. V. 164. P. 1151. https:doi.org/10.1104/pp.113.234310
  38. Engelberth J., Seidl-Adams I., Schultz J.C., Tumlinson J.H. Insect elicitors and exposure to green leafy volatiles differentially upregulate major octadecanoids and transcripts of 12-oxo- phytodienoic acid reductases in Zea mays // Mol. Plant-Microbe Interact. 2007. V. 20. P. 707. https:doi.org/10.1094/MPMI-20-6-0707
  39. Jiang Y., Ye J., Li S., Niinemets Ü. Methyl jasmonate-induced emission of biogenic volatiles is biphasic in cucumber: a high-resolution analysis of dose dependence // J. Exp. Bot. 2017. V. 20. P. 4679. https:doi: 10.1093/jxb/erx244
  40. Wang Y., Liu M., Ge D., Akhter Bhat J., Li Y., Kong J., Liu K., Zhao T. Hydroperoxide lyase modulates defense response and confers lesion-mimic leaf phenotype in soybean (Glycine max (L.) Merr.) // Plant J. 2020. V. 104. P. 1315. https:doi.org/10.1111/tpj.15002

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Scheme of biosynthesis of metabolites of AOS and HPL branches from α-linolenic acid. Dotted lines indicate the presence of several intermediate stages of metabolite transformations. The enzyme oxophytodienoate reductase (OPR), the gene of which is overexpressed in the studied transgenic wheat lines, is highlighted in black background.

Download (454KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Fatty acid composition of the leaves of soft wheat Saratovskaya-60 and transgenic lines with constitutive expression of the AtOPR3 gene (1 – Sar-60, 2 – Tr-3, 3 – Tr-18, 4 – Tr-20). Fatty acids are designated using trivial names and delta nomenclature indicating the number of carbon atoms in the fatty acid chain, the number of double bonds after the colon and the position of these double bonds after the “Δ" sign. The data are averages ± standard deviation.

Download (141KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The content of individual oxylipins of the HPL branch, cis-3-hexenal (a), trans-2-hexenal (b), cis-3-hexenol (c) and cis-3-hexenyl acetate (d), in intact leaves of soft wheat Saratovskaya-60 (Sar-60, white columns) and leaves of transgenic lines with constitutive expression of the AtOPR3 gene (Tr-3, Tr-18 and Tr-20, shaded columns). The letters indicate statistically significant differences between the lines, according to the assessment of one-factor analysis of variance (ANOVA) followed by a post-hoc Tukey test (P < 0.05).

Download (144KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Changes in the content of individual oxylipins of the HPL branch, cis-3-hexenal (a), trans-2-hexenal (b), cis-3-hexenol (c) and cis-3-hexenyl acetate (d), in wounded leaves of soft wheat Saratovskaya-60 within an hour after damage. The endogenous content of the metabolite before damage to the leaf is assumed to be 100%. The letters indicate statistically significant differences between the lines, according to the assessment of one-factor analysis of variance (ANOVA) followed by a post-hoc Tukey test (P < 0.05).

Download (114KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Relative release rate of HPL branch oxylipins, cis-3-hexenal (a), trans-2-hexenal (b), cis-3-hexenol (c) and cis-3-hexenyl acetate (d), mechanically damaged Saratovskaya-60 soft wheat leaf within an hour after damage. The data of the representative experiment are presented as the area of the chromatographic peak of the corresponding metabolite divided by the time of capture of the metabolites released by the damaged sheet.

Download (157KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. The number of individual oxylipins of the HPL branch, cis-3-hexenal (a), trans-2-hexenal (b), cis-3-hexenol (c) and cis-3-hexenyl acetate (d) released by damaged leaves of soft wheat Saratovskaya-60 (Sar-60, white columns) and transgenic plants (Tr-3, Tr-18 and Tr-20, shaded columns) with constitutive expression of the AtOPR3 gene. The letters indicate statistically significant differences between the lines, according to the assessment of one-factor analysis of variance (ANOVA) followed by a post-hoc Tukey test (P < 0.05).

Download (118KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».