Изучены профили экспрессии 15 генов α-тубулина у ярового и озимого сортов мягкой пшеницы под действием низких температур. Среди исследуемых генов выделено два подсемейства (по 3 гена в каждом), для которых характерными являются повышенные уровни экспрессии на начальных этапах холодовой акклимации. Особого внимания заслуживает ген Tuba-2-3, который в рамках своего подсемейства характеризуется наиболее выраженным по амплитуде начальным увеличением уровня экспрессии. Также для этого гена выявлены наибольшие различия уровней экспрессии между сортами в рамках подсемейства генов тубулина, к которому принадлежит этот ген. В случае озимого сорта характерны более высокие значения уровней экспрессии этого гена тубулина, сохраняющиеся в течение продолжительного срока (до 7-го дня акклимации). Также установлено, что для всех генов α-тубулина, принадлежащих к 4-му подсемейству, характерным является значительное начальное увеличение уровней экспрессии, которое максимальных значений в ходе дальнейшей акклимации. Высокие начальные значения уровней экспрессии генов этого подсемейства также могут свидетельствовать об их важной роли в обеспечении устойчивости микротрубочек пшеницы к низким температурам на первых этапах холодовой акклимации.
РЕЗЮМЕ. Вивчено профілі експресії 15 генів α-тубуліну у ярого та озимого сортів м’якої пшениці під дією низьких температур. Серед досліджуваних генів виділено дві підродини (по 3 гена в кожній), для яких характерними є підвищені рівні експресії на початкових етапах холодової аклімації. На особливу увагу заслуговує ген Tuba-2-3, який в рамках своєї підродини характеризується найбільш вираженим по амплітуді початковим збільшенням рівня експресії. Також для цього гена виявлено найбільші відмінності рівнів експресії між сортами в рамках підродини генів тубуліну, до якого належить цей ген. У випадку озимого сорту характерні більш високі значення рівнів експресії цього гена тубуліну, що зберігаються протягом тривалого періоду (до 7-го дня аклімації). Також встановлено, що для всіх генів α-тубуліну, що належать до 4-ої підродини, є характерним значне початкове збільшення рівнів експресії, яке досягає максимальних значень в ході подальшої аклімації. Високі початкові значення рівнів експресії генів цієї підродини також можуть свідчити про їх важливу роль в забезпеченні стійкості мікротрубочок пшениці до низьких температур на перших етапах холодової аклімації.
Ключові слова: α-тубулін, Triticum aestivum L., експресія генів, холодова аклімація
α-тубулин, Triticum aestivum L., экспрессия генов, холодовая акклимация
Повний текст та додаткові матеріали
У вільному доступі: PDFЦитована література
1. Guo, X., Liu, D., and Chong, K., Cold signaling in plants: Insights into mechanisms and regulation, J. Integr. Plant Biol., 2018, vol. 60, no. 9, pp. 745–756. https://doi.org/10.1111/jipb.12706
2. Miura, K. and Furumoto, T., Cold signaling and cold response in plants, Int. J. Mol. Sci., 2013, vol. 14, no. 3, pp. 5312–5337. https://doi.org/10.3390/ijms14035312
3. Tardif, G., Kane, N.A., Adam, H., Labrie, L., Major, G., Gulick, P., Sarhan, F., and Lalibert, J.F., Interaction network of proteins associated with abiotic stress response and development in wheat, Plant Mol. Biol., 2007, vol. 63, no. 5, pp. 703–718. https://doi.org/10.1007/s11103-006-9119-6
4. Xiong, L., Schumaker, K.S., and Zhu, J.K., Cell signaling during cold, drought, and salt stress, Plant Cell, 2002, vol. 14, pp. 165–183. https://doi.org/10.1105/tpc.000596
5. Yadav, S.K., Cold stress tolerance mechanisms in plants. A review, Agron. Sustain. Dev., 2010, vol. 30, no. 3, pp. 515–527. https://doi.org/10.1051/agro/2009050
6. Orvar, B.L., Sangwan, V., Omann, F., and Dhindsa, R.S., Early steps in cold sensing by plant cells: the role of actin cytoskeleton and membrane fluidity, Plant J., 2000, vol. 23, no. 6, pp. 785–794.
7. Plohovska, S.H., Krasylenko, Y.A., and Yemets, A.I., Nitric oxide modulates actin filament organization in Arabidopsis thaliana primary root cells at low temperatures, Cell Biol. Int., 2018. https://doi.org/10.1002/cbin.10931 8. Plohovska, S.G., Yemets, A.I., and Blume, Ya.B., Influence of cold on organization of actin filaments of different types of root cells in Arabidopsis thaliana, Cytol. Genet., 2016, vol. 50, no. 5, pp. 318–323. https://doi.org/10.3103/s0095452716050108
9. Pokorna, J., Sites of actin filament initiation and reorganization in cold treated tobacco cells, J. Plant Cell Environ., 2004, vol. 27, no. 5, pp. 641–653. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2004.01186.x
10. Abdrakhamanova, A., Wang, Q.Y., Khokhlova, L., and Nick, P., Is microtubule disassembly a trigger for cold acclimation?, Plant Cell Physiol., 2003, vol. 44, no. 7, pp. 676–686.
11. Kerr, G.P. and Carter, J.V., Relationship between freezing tolerance of root-tip cells and cold stability of microtubules in rye (Secale cereale L. cv. Puma), Plant Physiol., 1990, vol. 93, no. 1, pp. 77–82.
12. Sheremet, Y.A., Yemets, A.I., and Blume, Y.B., Inhibitors of tyrosine kinases and phosphatases as a tool for the investigation of microtubule role in plant cold response, Cytol. Genet., 2012, vol. 46, no. 1, pp. 1–8. https://doi.org/10.3103/S0095452712010112
13. Sproule, K., Microtubule involvement in the plant low temperature response, PhD Thesis, University of Saskatchewan, Saskatoon, 2008.
14. Jian, L.C., Sun, L.H., and Liu, Z.P., Studies on microtubule cold stability in relation to plant cold hardiness, Acta Bot. Sinica, 1989, vol. 31, pp. 737–741.
15. Bartolo, M.E. and Carter, J.V., Microtubules in the mesophyll cells of nonacclimated and cold-acclimated spinach, Plant Physiol., 1991, vol. 97, no. 1, pp. 175–181.
16. Pihakaski-Maunsbach, K. and Puhakainen, T., Effect of cold exposure on cortical microtubules of rye (Secale cereale) as observed by immunocytochemistry, Physiol. Plant, 1995, vol. 93, no. 3, pp. 563–571. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1995.tb06859.x
17. Wang, Q.Y. and Nick, P., Cold acclimation can induce microtubular cold stability in a manner distinct from abscisic acid, Plant Cell Physiol., 2001, vol. 42, no. 9, pp. 999–1005.
18. Bartolo, M.E. and Carter, J.V., Effect of microtubule stabilization on the freezing tolerance of mesophyll cells of spinach, Plant Physiol., 1991, vol. 97, pp. 182–187.
19. Sakiyama, M. and Shibaoka, H., Effects of abscisic acid on the orientation and cold stability of cortical microtubules in epicotyl cells of the dwarf pea, Protoplasma, 1990, vol. 157, nos. 1–3, pp. 165–171.
20. Kerr, G.P. and Carter, J.V., Tubulin isotypes in rye roots are altered during cold acclimation, Plant Physiol., 1990, vol. 93, pp. 83–88.
21. Degand, H., Faber, A.M., Dauchot, N., Mingeot, D., Watillon, B., Van Cutsem, P., Morsomme, P., and Boutry, M., Proteomic analysis of chicory root identifies proteins typically involved in cold acclimation, Proteomics, 2009, vol. 9, no. 10, pp. 2903–2907. https://doi.org/10.1002/pmic.200800744
22. Huang, Y., Jin, D., Lu, C., Lan, X., Qiao, P., Li, H., and Chen, Y., Proteomic responses associated with freezing tolerance in the callus of the Tibetan alpine plant Saussurea laniceps during cold acclimation, Plant Cell Tiss. Organ Cult., 2016, vol. 124, pp. 81–95.
23. Ahad, A., Wolf, J., and Nick, P., Activation-tagged tobacco mutants that are tolerant to antimicrotubular herbicides are cross-resistant to chilling stress, Transgenic Res., 2003, vol. 12, pp. 615–629. https://doi.org/10.1023/A:1025814814823
24. Christov, N.K., Imai, R., and Blume, Y.B., Differential expression of two winter wheat alpha-tubulin genes during cold acclimation, Cell Biol. Int., 2008, vol. 32, no. 5, pp. 574–578.
25. Farajalla, M. and Gulick, P.J., The alpha-tubulin gene family in wheat (Triticum aestivum L.) and differential gene expression during cold acclimation, Genome, 2007, vol. 50, pp. 502–519.
26. Buy, D.D., Demkovich, A.E., Pirko, Ya.V., Korkhovoy, V.I., and Blume, Ya.B., Analysis of gene expression of TUBA-2-3 during cold acclimation in varieties of soft wheat Demetra and Elegiya, Naukovi Dopovidi NUBiP, 2015, vol. 8, no. 57.
27. Buy, D.D., Pirko, Ya.V., and Blume, Ya.B., Expression of winter and spring wheat alpha-tubulin gene S during cold acclimation, Factory Eksp. Evol. Org., 2015, vol. 17, pp. 27–30.
28. Buy, D.D., Demkovich, A.E., Pirko, Ya.V., and Blume, Ya.B., Expression analysis of alpha-tubulin genes during cold acclimation in winter wheat Demetra, Faktori Eksp. Evol. Org., 2017, vol. 21, pp. 107–111.
29. Paul, A., Lal, L., Ahuja, P.S., and Kumar, S., Alpha-tubulin (CsTUA) up-regulated during winter dormancy is a low temperature inducible gene in tea [Camellia sinensis (L.) O. Kuntze]. Mol. Biol. Rep., vol. 39, pp. 3485–3490. https://doi.org/10.1007/s11033-011-1121-7 30. Oakley, R., Wang, Y., Ramakrishna, W., Harding, S., and Tsai, C., Differential expansion and expression of alpha- and beta-tubulin gene families in Populus, Plant Physiol., 2007, vol. 145, no. 3, pp. 961–973. https://doi.org/10.1104/pp.107.107086
31. Nyporko, A.Y., Demchuk, O.N., and Blume, Y.B., Cold adaptation of plant microtubules: structural interpretation of primary sequence changes in a highly conserved region of alpha-tubulin, Cell Biol. Int., 2003, vol. 27, no. 3, pp. 241–243. https://doi.org/10.1016/S1065-6995(02)00342-6