Новый аллель 5'-UTR LcyE коррелирует с повышенной экспрессией гена ликопин-ε-циклазы, определяющей поток ветви β-ε пути биосинтеза каротиноидов у кукурузы
- Авторы: Архестова Д.Х.1,2, Ефремов Г.И.1, Аппаев С.П.2, Кочиева Е.З.1, Щенникова А.В.1
-
Учреждения:
- Институт биоинженерии, Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” Российской академии наук
- Институт сельского хозяйства – филиал Кабардино-Балкарского научного центра Российской академии наук
- Выпуск: Том 59, № 4 (2023)
- Страницы: 417-424
- Раздел: ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ
- URL: https://journals.rcsi.science/0016-6758/article/view/134576
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0016675823030025
- EDN: https://elibrary.ru/INSQAK
- ID: 134576
Цитировать
Аннотация
Окраска зерна кукурузы Zea mays L. определяется содержанием и составом каротиноидов, в том числе провитамина А, являющегося продуктом ветвей β-β (β-каротин, β-криптоксантин) и β-ɛ (α-каротин) каротиногенеза. Соотношение потоков ветвей зависит от активности ликопин-ɛ-циклазы LcyE, определяющей ветвь β-ɛ. В данной работе проведен анализ аллельных вариантов гена LcyE, потенциально эффективных для повышения биосинтеза β-каротина, у 20 инбредных линий кукурузы отечественной селекции, различающихся окраской зерна. Амплифицированы и секвенированы участки 5'-UTR гена LcyE. Анализ фрагментов показал присутствие аллеля “2” у четырех линий и нового аллеля “5” у 16 линий. Охарактеризован полиморфизм нового аллеля “5” – четыре мононуклеотидных полиморфизма и две делеции. Проведенное сравнение цис-регуляторных элементов в анализируемой области 5'-UTR аллелей “2” и “5” обнаружило различие в сайтах связывания с транскрипционными факторами. Экспрессия гена LcyE определена в листьях двух линий с аллелем “2” и трех – с аллелем “5”. Показана прямая зависимость между присутствием аллеля “5” и снижением экспрессии гена: уровень транскрипции гена в случае аллеля “2” в 10–15 раз выше, чем в случае аллеля “5”. Предполагаем, что наличие в геноме кукурузы аллеля “5” гена LcyE коррелирует со снижением или подавлением экспрессии данного гена и, при стабильной активности других ферментов каротиногенеза, с окраской зерна. Использование доноров аллеля “5” в комбинации с известной темно-желтой или оранжевой окраской зерна может быть использовано в селекции кукурузы с повышенным синтезом провитамина А в зерне.
Об авторах
Д. Х. Архестова
Институт биоинженерии, Федеральный исследовательский центр “Фундаментальныеосновы биотехнологии” Российской академии наук; Институт сельского хозяйства – филиал Кабардино-Балкарского научного центра
Российской академии наук
Email: gleb_efremov@mail.ru
Россия, 119071, Москва; Россия, 360004, Нальчик
Г. И. Ефремов
Институт биоинженерии, Федеральный исследовательский центр “Фундаментальныеосновы биотехнологии” Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: gleb_efremov@mail.ru
Россия, 119071, Москва
С. П. Аппаев
Институт сельского хозяйства – филиал Кабардино-Балкарского научного центраРоссийской академии наук
Email: gleb_efremov@mail.ru
Россия, 360004, Нальчик
Е. З. Кочиева
Институт биоинженерии, Федеральный исследовательский центр “Фундаментальныеосновы биотехнологии” Российской академии наук
Email: gleb_efremov@mail.ru
Россия, 119071, Москва
А. В. Щенникова
Институт биоинженерии, Федеральный исследовательский центр “Фундаментальныеосновы биотехнологии” Российской академии наук
Email: gleb_efremov@mail.ru
Россия, 119071, Москва
Список литературы
- Harjes C.E., Rocheford T.R., Bai L. et al. Natural genetic variation in lycopene epsilon cyclase tapped for maize biofortification // Science. 2008. V. 319. P. 330–333. https://doi.org/10.1126/science.1150255
- Kurilich A.C., Juvik J.A. Quantification of carotenoid and tocopherol antioxidants in Zea mays // J. Agric. Food Chem. 1999. V. 47. P. 1948–1955. https://doi.org/10.1021/jf981029d
- O’Hare T.J., Martin I., Fanning K.J. et al. Sweetcorn colour change and consumer perception associated with increasing zeaxanthin for the amelioration of age-related macular degeneration // Acta Horticulturae. 2014. V. 1040. P. 221–226. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2014.1040.30
- Yadav O.P., Hossain F., Karjagi C.G. et al. Genetic improvement of maize in India: Retrospect and prospects // Agric. Res. 2015. V. 4. № 4. P. 325–338. https://doi.org/10.1007/s40003-015-0180-8
- Zunjare R.U., Chhabra R., Hossain F. et al. Molecular characterization of 5'-UTR of the lycopene epsilon cyclase (lcyE) gene among exotic and indigenous inbreds for its utilization in maize biofortification // 3 Biotech. 2018. V. 8. № 1. Р. 75. https://doi.org/10.1007/s13205-018-1100-y
- Cunningham F.X., Jr., Pogson B., Sun Z. et al. Functional analysis of the β and ε lycopene cyclase enzymes of Arabidopsis reveals a mechanism for control of cyclic carotenoid formation // Plant Cell. 1996. V. 8. P. 1613–1626. https://doi.org/10.1105/tpc.8.9.1613
- Rosas-Saavedra C., Stange C. Biosynthesis of carotenoids in plants: Enzymes and color // Subcell Biochem. 2016. V. 79. P. 35–69. https://doi.org/10.1007/978-3-319-39126-7_2
- Wong J.C., Lambert R.J., Wurtzel E.T., Rocheford T.R. QTL and candidate genes phytoene synthase and zeta-carotene desaturase associated with the accumulation of carotenoids in maize // Theor. Appl. Genet. 2004. V. 108. № 2. P. 349–359. https://doi.org/10.1007/s00122-003-1436-4
- Krinsky N.I., Johnson E.J. Carotenoid actions and their relation to health and disease // Mol. Aspects of Med. 2005. V. 26. № 6. P. 459–516. https://doi.org/10.1016/j.mam.2005.10.001
- Nagao A., Olson J.A. Enzymatic formation of 9-cis, 13-cis, and all-trans retinals from isomers of beta-carotene // Faseb J. 1994. V. 8. № 12. P. 968–973. https://doi.org/10.1096/fasebj.8.12.8088462
- Babu R., Rojas N.P., Gao S. et al. Validation of the effects of molecular marker polymorphisms in LcyE and CrtRB1 on provitamin A concentrations for 26 tropical maize populations // Theor. Appl. Genet. 2013. V. 126. P. 389–399. https://doi.org/10.1007/s00122-012-1987-3
- Baveja A., Muthusamy V., Panda K.K. et al. Development of multinutrient-rich biofortified sweet corn hybrids through genomics-assisted selection of shrunken2, opaque2, lcyE and crtRB1 genes // J. Appl. Genet. 2021. V. 62. № 3. P. 419–429. https://doi.org/10.1007/s13353-021-00633-4
- Bai L., Kim E.H., DellaPenna D., Brutnell T.P. Novel lycopene epsilon cyclase activities in maize revealed through perturbation of carotenoid biosynthesis // Plant J. 2009. V. 59. № 4. P. 588–599. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2009.03899.x
- Yu B., Lydiate D.J., Young L.W. et al. Enhancing the carotenoid content of Brassica napus seeds by downregulating lycopene epsilon cyclase // Transgenic Res. 2008. V. 17. № 4. P. 573–585. https://doi.org/10.1007/s11248-007-9131-x
- Diretto G., Tavazza R., Welsch R. et al. Metabolic engineering of potato tuber carotenoids through tuber-specific silencing of lycopene epsilon cyclase // BMC Plant Biol. 2006. V. 6. Р. 13. https://doi.org/10.1186/1471-2229-6-6
- Pogson B.J., Rissler H.M. Genetic manipulation of carotenoid biosynthesis and photoprotection // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 2000. V. 355. № 1402. P. 1395–1403. https://doi.org/10.1098/rstb.2000.0701
- Richaud D., Stange C., Gadaleta A. et al. Identification of lycopene epsilon cyclase (lcyE) gene mutants to potentially increase β-carotene content in durum wheat (Triticum turgidum L. ssp. durum) through TILLING // PLoS One. 2018. V. 13. № 12: e0208948. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0208948
- Yan J., Kandianis B.C., Harjes E.C. et al. Rare genetic variation at Zea mays crtRB1 increases beta carotene in maize grain // Nat. Genet. 2010. V. 42. P. 322–327. https://doi.org/10.1038/ng.551
- Liu L., Jeffers D., Zhang Y. et al. Introgression of the crtRB1 gene into quality protein maize inbred lines using molecular markers // Mol. Breed. 2015. V. 35. № 8: 154. https://doi.org/10.1007/s11032-015-0349-7
- Muthusamy V., Hossain F., Thirunavukkarasu N. et al. Development of β-carotene rich maize hybrids through marker-assisted introgression of β-carotene hydroxylase allele // PLoS One. 2014. V. 9. № 12. Р. e11583. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0113583
- Дьяченко Е.А., Слугина М.А. Внутривидовой полиморфизм гена сахарозосинтазы Sus1 у образцов Pisum sativum L. // Вавилов. журн. генет. и селекции. 2018. Т. 22. № 1. С. 108–114. https://doi.org/10.18699/VJ18.338
- Kumar S., Stecher G., Tamura K. MEGA7: Molecular evolutionary genetics analysis version 7.0 for bigger datasets // Mol. Biol. Evol. 2016. V. 33. № 7. P. 1870–1874. https://doi.org/10.1093/molbev/msw054
- Lescot M. PlantCARE, a database of plant cis – acting regulatory elements and a portal to tools for in silico analysis of promoter sequences // Nucl. Ac. Res. 2002. V. 30. P. 325–327. https://doi.org/10.1093/nar/30.1.325
- Li F., Vallabhaneni R., Wurtzel E.T. PSY3, a new member of the phytoene synthase gene family conserved in the Poaceae and regulator of abiotic stress – induced root carotenogenesis // Plant Physiol. 2008. V. 146. P. 1333–1345. https://doi.org/10.1104/pp.107.111120
- Dibari B., Murat F., Chosson A. et al. Deciphering the genomic structure, function and evolution of carotenogenesis related phytoene synthases in grasses // BMC Genomics. 2012. V. 13. Р. 221. https://doi.org/10.1186/1471-2164-13-221
- Vatov E., Ludewig U., Zentgraf U. Disparate dynamics of gene body and cis-regulatory element evolution illustrated for the senescence-associated cysteine protease gene SAG12 of plants // Plants (Basel). 2021. V. 10. № 7: 1380. https://doi.org/10.3390/plants10071380
- Bai J.F., Wang Y.K., Guo L.P. et al. Genomic identification and characterization of MYC family genes in wheat (Triticum aestivum L.) // BMC Genomics. 2019. V. 20. № 1. Article 1032. https://doi.org/10.1186/s12864-019-6373-y
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)