Сравнительный анализ экспрессии генов HAP2/GCS1, GEX2 у линий кукурузы саратовской селекции

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Исследование явления гаплоиндукции представляет научный и практический интерес в связи с разработкой эффективных методов получения гаплоидов, необходимых, в частности, для ускоренного создания гомозиготных линий. Обсуждается связь индукции образования гаплоидов у линии кукурузы саратовской селекции Зародышевый маркер саратовский пурпурный (ЗМСП) с генами HAP2/GCS1 и GEX2, контролирующими адгезию и слияние мембран гамет у кукурузы. С помощью метода ПЦР-РВ установлено, что гены GEX2, HAP2/GCS1 экспрессируются не только в спермиях, но и в женских генеративных структурах кукурузы, но гаплоиндуцирующая способность кукурузы не коррелирует с уровнем их экспрессии. Было показано, что ген GEX2 у гаплоиндуцирующей линии ЗМСП имеет 27 однонуклеотидных замен, вставку размером в девять нуклеотидов и одну двухнуклеотидную замену и соответственно десять аминокислотных замен и две вставки в белке GEX2, по сравнению с референсной линией В73. Эти замены, возможно, оказывают воздействие на конформацию белка и процесс взаимодействия мембран гамет. Более эволюционно консервативный белок HAP2/GCS1, обеспечивающий слияние мембран гамет кукурузы, у линии кукурузы ЗМСП имеет только одну аминокислотную замену, по сравнению с линиями Коричневый маркер и В73.

Об авторах

Е. М. Моисеева

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное
подразделение Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр
Российской академии наук”,

Email: chumakov_m@ibppm.ru
Россия, 410049, Саратов

Ю. С. Гусев

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное
подразделение Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр
Российской академии наук”, ; Саратовский национальный исследовательский государственный университет
им. Н.Г. Чернышевского

Email: chumakov_m@ibppm.ru
Россия, 410049, Саратов; Россия, 410012, Саратов

О. В. Гуторова

Саратовский национальный исследовательский государственный университет
им. Н.Г. Чернышевского

Email: chumakov_m@ibppm.ru
Россия, 410012, Саратов

М. И. Чумаков

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов – обособленное структурное
подразделение Федерального исследовательского центра “Саратовский научный центр
Российской академии наук”,

Автор, ответственный за переписку.
Email: chumakov_m@ibppm.ru
Россия, 410049, Саратов

Список литературы

  1. Навашин С.Г. Избранные труды. Т. 1. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1951. 364 с.
  2. Dresselhaus T., Snell W.J. Fertilization: A sticky sperm protein in plants // Current Biol. 2014. V. 24. № 4. P. R164–R166. https://doi.org/10.1016/j.cub.2013.12.044
  3. Coe E.H. A line of maize with high haploid frequency // The Am. Naturalist. 1959. V. 93. № 873. P. 381–382. https://doi.org/10.1086/282098
  4. Chase S.S. Monoploid frequencies in a commercial double cross hybrid maize, and in its component single cross hybrids and inbred lines // Genetics. 1949. V. 34. № 3. P. 328–332. https://doi.org/10.1093/genetics/34.3.328
  5. Тырнов В.С., Завалишина А.Н. Индукция высокой частоты возникновения матроклинных гаплоидов кукурузы // Докл. АН СССР. 1984. Т. 276. № 3. С. 735–738.
  6. Shatskaya O.A., Zabirova E.R., Shcherbak V.S., Chumak M.V. Mass induction of maternal haploids in corn // Maize Genet. Cooperation Newsletter. 1994. V. 68. P. 51.
  7. Bylich V.G., Chalyk S.T. Existence of pollen grains with a pair of morphologically different sperm nuclei as a possible cause of the haploid-inducing capacity in ZMS line // Maize Genet. Cooperation Newsletter. 1996. V. 70. P. 33.
  8. Chalyk S., Baumann A., Daniel G., Eder J. Aneuploidy as a possible cause of haploid-induction in maize // Maize Genet. Cooperation Newsletter. 2003. V. 77. P. 29.
  9. Hu H.L., Schrag T.A., Peis R. et al. The genetic basis of haploid induction in maize identified with a novel genome-wide association method // Genetics. 2016. V. 202. № 4. P. 1267–1276. https://doi.org/10.1534/genetics.115.184234
  10. Чумаков М.И., Мазилов С.И. Генетический контроль гиногенеза у кукурузы (обзор) // Генетика. 2022. Т. 58. № 4. С. 388–397.
  11. Еналеева Н.Х., Тырнов В.С., Селиванова Л.П. Одинарное оплодотворение и проблема гаплоиндукции у кукурузы // Докл. АН СССР. 1997. Т. 353. № 3. С. 405–407.
  12. Гуторова О.В. Исследование женского гаметофита линии-гаплоиндуктора кукурузы ЗМС-П // Бюл. Ботанического сада Саратовского гос. ун-та. 2006. № 5. С. 304–307.
  13. Колесова А.Ю., Гуторова О.В. Цитоэмбриологическое исследование гаплоиндуцирующей линии кукурузы ЗМС-8 // Бюл. Ботанического сада Саратовского гос. ун-та. 2008. № 7. С. 202–205.
  14. Тырнов B.C., Еналеева Н.Х. Автономное развитие зародыша и эндосперма у кукурузы // Докл. АН СССР. 1983. Т. 272. № 3. С. 722–725.
  15. Enaleeva N.Kh., Tyrnov V.S. Cytological investigation of apomixis in AT-1 plants of corn // Maize Genet. Cooperation. Newsletter. 1997. V. 71. P. 74–75.
  16. Еналеева Н.Х., Отькало О.В., Тырнов В.С. Фенотипическое проявление мутации ig в мегагаметофите кукурузы линии Зародышевый маркер // Генетика. 1998. Т. 34. № 2. С. 259–265.
  17. Kelliher T., Starr D., Richbourg L. et al. MATRILINEAL, a sperm-specific phospholipase, triggers maize haploid induction // Nature. 2017. V. 542. № 7639. P. 105–109. https://doi.org/10.1038/nature20827
  18. Gilles L.M., Khaled A. Loss of pollen-specific phospholipase NOT LIKE DAD triggers gynogenesis in maize // EMBO J. 2017. V. 36. № 6. P. 707–717. https://doi.org/10.15252/embj.201796603
  19. Liu C., Li X., Meng D., Zhong Y. et al. A 4-bp insertion at ZmPLA1 encoding a putative phospholipase a generates haploid induction in maize // Mol. Plant. 2017. V. 10. № 3. P. 520–522. https://doi.org/10.1016/j.molp.2017.01.011
  20. Чумаков М.И. Матроклинная гаплоидия и взаимодействие гамет у кукурузы // Генетика. 2018. Т. 54. № 10. С. 1120–1124.
  21. Mori H., Kuroiwa T., Kranz E., Scholten S. GENERATIVE CELL SPECIFIC 1 is essential for angiosperm fertilization // Nat. Cell Biol. 2006. V. 8. P. 64–71. https://doi.org/10.1038/ncb1345
  22. Besser V.K., Frank A.C., Johnson M.A., Preuss D. Arabidopsis HAP2 (GCS1) is a sperm-specific gene required for pollen tube guidance and fertilization // Development. 2006. V. 133. № 23. P. 4761–4769. https://doi.org/10.1242/dev.02683
  23. Mori T., Igawa T., Tamiya G. et al. Gamete attachment requires GEX2 for successful fertilization in Arabidopsis // Current Biol. 2014. V. 24. № 2. P. 170–175. https://doi.org/10.1016/j.cub.2013.11.030
  24. Wong J.L., Leydon A.R., Johnson M.A. HAP2(GCS1)-dependent gamete fusion requires a positively charged carboxy-terminal domain // PLoS Genetics. 2010. V. 6. № 3. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1000882
  25. Волохина И.В., Моисеева Е.М., Гусев Ю.С. и др. Анализ генов, контролирующих процесс слияния гамет, у гаплоиндуцирующей линии кукурузы ЗМС-П // Онтогенез. 2017. Т. 48. № 2. С. 134–139.
  26. Hoopes G.M., Hamilton J.P., Wood J.C. et al. An updated gene atlas for maize reveals organ-specific and stress-induced genes // The Plant J. 2019. V. 97. № 6. P. 1154–1167. https://doi.org/10.1111/tpj.14184
  27. Stelpflug S.C., Sekhon R.S., Vaillancourt B. et al. An expanded maize gene expression atlas based on RNA sequencing and its use to explore root development // The Plant Genome. 2016. V. 9. № 1. https://doi.org/10.3835/plantgenome2015.04.0025
  28. Engel M.L., Holmes-Davis R., McCormick S. Green sperm. Identification of male gamete promoters in Arabidopsis // Plant Physiol. 2005. V. 138. № 4. P. 2124–2133. https://doi.org/10.1104/pp.104.054213
  29. Ravi M., Chan S.W.L. Haploid plants produced by centromere-mediated genome elimination // Nature. 2010. V. 464. № 7288. P. 615–618.
  30. Zhang Z., Qiu F., Liu Y. et al. Chromosome elimination and in vivo haploid production induced by Stock 6-derived inducer line in maize (Zea mays L.) // Plant Cell Reports. 2008. V. 27. № 12. P. 1851–1860. https://doi.org/10.1007/s00299-008-0601-2
  31. Qiu F., Liang Y., Li Y. et al. Morphological, cellular and molecular evidences of chromosome random elimination in vivo upon haploid induction in maize // Current Plant Biol. 2014. V. 1. P. 83–90. https://doi.org/10.1016/j.cpb.2014.04.001
  32. Kelliher T., Starr D., Wang W. et al. Maternal haploids are preferentially induced by CENH3-tailswap transgenic complementation in maize // Frontiers Plant Sci. 2016. V. 7. P. 414. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00414
  33. Xu X., Li L., Dong X. et al. Gametophytic and zygotic selection leads to segregation distortion through in vivo induction of a maternal haploid in maize // J. Experimental Bot. 2013. V. 64. № 4. P. 1083–1096. https://doi.org/10.1093/jxb/ers393
  34. Takahashi T., Mori T., Ueda K. et al. The male gamete membrane protein DMP9/DAU2 is required for double fertilization in flowering plants // Development. 2018. V. 145. № 23. dev170076. https://doi.org/10.1242/dev.170076
  35. Cyprys P., Lindemeier M., Sprunck S. Gamete fusion is facilitated by two sperm cell-expressed DUF679 membrane proteins // Nat. Plants. 2019. V. 5. P. 253–257. https://doi.org/10.1038/s41477-019-0382-3
  36. Zhong Y., Liu C., Qi X. et al. Mutation of ZmDMP enhances haploid induction in maize // Nat. Plants. 2019. V. 5. P. 575–580. https://doi.org/10.1038/s41477-019-0443-7
  37. Conner J.A., Mookkan M., Huo H. et al. A parthenogenesis gene of apomict origin elicits embryo formation from unfertilized eggs in a sexual plant // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2015. V. 112. № 36. P. 11205–11210. https://doi.org/10.1073/pnas.1505856112
  38. Conner J.A., Podio M., Ozias-Akins P. Haploid embryo production in rice and maize induced by PsASGR-BBML transgenes // Plant Reproduction. 2017. V. 30. P. 41–52.
  39. Zavalishina A.N., Tyrnov V.S. Induction of matroclinal haploidy in maize in vivo // Reproductive Biol. Plant Breeding: XIII EUCARPiA Congr. 1992. P. 221–222.
  40. Гуторова О.В., Апанасова Н.В., Юдакова О.И. Создание генетически маркированных линий кукурузы с наследуемым и индуцированным типами партеногенеза // Изв. Самарского науч. центра РАН. 2016. Т. 18. № 2-2. С. 341–344.
  41. Chase S.S. Monoploids and monoploid-derivatives of maize (Zea mays L.) // The Bot. Review. 1969. V. 35. № 2. P. 117–168.
  42. Bijli K.M., Singh B.P., Sridhara S., Arora N. Isolation of total RNA from pollens // Preparative Biochem. Biotechnol. 2001. V. 31. № 2. P. 155–162. https://doi.org/10.1081/PB-100103381
  43. Manoli A., Sturaro A., Trevisan S. et al. Evaluation of candidate reference genes for qPCR in maize // J. Plant Physiol. 2012. V. 169. № 8. P. 807–815. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2012.01.019
  44. Livak K.J., Schmittgen T.D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2‒ΔΔCT method // Methods. 2001. V. 25. № 4. P. 402–408. https://doi.org/10.1006/meth.2001.1262
  45. Weaver S., Dube S., Mir A. et al. Taking qPCR to a higher level: analysis of cnv reveals the power of high throughput qPCR to enhance quantitative resolution // Methods. 2010. V. 50. № 4. P. 271–276. https://doi.org/10.1016/j.ymeth.2010.01.003
  46. Alandete-Saez M., Ron M., Mccormick S. GEX3 expressed in the male gametophyte and in the egg cell of Arabidopsis is essential for micropylar pollen tube guidance and plays a role during early embryogenesis // Mol. Plant. 2008. V. 1. № 4. P. 586–598. https://doi.org/10.1093/mp/ssn015
  47. Borges F., Gomes G., Gardner R. et al. Comparative transcriptomics of Arabidopsis sperm cells // Plant Physiol. 2008. V. 148. № 2. P. 1168–1181. https://doi.org/10.1104/pp.108.125229
  48. Valansi C., Moi D., Leikina E. et al. Arabidopsis HAP2/GCS1 is a gamete fusion protein homologous to somatic and viral fusogens // J. Cell Biol. 2017. V. 216. P. 571–581. https://doi.org/10.1083/jcb.201610093
  49. Fedry J., Forcina J., Legrand P. et al. Evolutionary diversification of the HAP2 membrane insertion motifs to drive gamete fusion acrosseukaryotes // PLoS Biology. 2018. V. 16(8): e2006357. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006357

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2.

Скачать (64KB)
Метаданные
3.

Скачать (1MB)
Метаданные

© Е.М. Моисеева, Ю.С. Гусев, О.В. Гуторова, М.И. Чумаков, 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах