doi: 10.15389/agrobiology.2021.5.885rus
УДК 635.64:581.192:575:577.2
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГЕНОВ-ГОМОЛОГОВ GME1 И НАКОПЛЕНИЕ АСКОРБАТА В ПЛОДАХ У КУЛЬТУРНЫХ И ДИКОРАСТУЩИХ ВИДОВ ТОМАТА
Д.Ю. ТЯПКИНА1, 2 ✉, М.А. СЛУГИНА2, Е.З. КОЧИЕВА2
Аскорбиновая кислота (аскорбат, витамин С) играет важную роль в различных метаболических процессах и у растений, и у человека, поэтому увеличение содержания аскорбата в клетках растений при помощи селекционных подходов важно для повышения как пищевой ценности плодов, так и устойчивости растений к стрессу. Известно, что томат обладает высоким потенциалом как источник аскорбата в рационе человека. К сожалению, у современных сортов и гибридов томата овощного (Solanum lycopersicum L.) содержание аскорбата в спелых плодах мало в сравнении с его дикорастущими родственными видами. Исследования показали, что селекционные программы с привлечением дикорастущих видов томата могут значительно увеличить содержание аскорбата в спелых плодах. Однако для эффективной селекции по этому признаку необходимо более детальное изучение генетических детерминант, ответственных за накопление аскорбата в спелых плодах. В представляемой работе нами впервые амплифицированы, клонированы и секвенированы гомологи гена GME1, играющего ключевую роль в биосинтезе аскорбата, у томата овощного и 11 дикорастущих видов томата. Структурный анализ показал низкую степень вариабельности гена GME1 у изученных образцов. В кодирующих последовательностях GME1 выявлено 28 однонуклеотидных замен (single nucleotide polymorphisms, SNPs), из которых только две (G2E и E281D) приводили к несинонимичным заменам у видов S. neorickii и S. peruvianum var. dentatum. Анализ мотивов и доменов белка GME1 томатов не выявил каких-либо специфических мотивов ни на межвидовом уровне, ни на более отдаленных таксономических уровнях. Наблюдаемый высокий консерватизм GME1 у достаточно эволюционно отдаленных видов томата, по всей видимости, служит свидетельством функциональной значимости этого фермента для синтеза аскорбата и, опосредованно, для защиты от стрессовых факторов, прежде всего фотостресса. Корреляцию между аминокислотными (нуклеотидными) заменами и содержанием аскорбата в плодах мы не обнаружили. При сравнительном межвидовом органоспецифическом анализе и анализе зависимости количества аскорбата в зрелых плодах у сортов и дикорастущих образцов от уровня экспрессии GME1 мы также не выявили связи между транскрипционной активностью GME1 и концентрацией аскорбата. Можно также предположить, что определяющее влияние на конечное содержание аскорбата в созревшем плоде томата, вероятно, оказывает не интенсивность экспрессии GME1 на завершающей стадии созревания плода, а то, насколько ген GME1 был активен на более ранних стадиях созревания.
Ключевые слова: GME1, уровень экспрессии, однонуклеотидные замены, SNP, Solanum lycopersicum L., томат, дикие виды, культивируемые виды, зрелые плоды, содержание аскорбата.
D.Yu. Tyapkina1, 2 ✉, M.A. Slugina2, E.Z. Kochieva2
Ascorbic acid (ascorbate, vitamin C) plays an important role in various metabolic processes both in plants and humans. Increasing the ascorbate content in plants using breeding approaches is important, both from the point of view of increasing the nutritional value of fruits, and from the point of view of plant resistance to stress. It is known that tomato has high potential as an ascorbate source in the human diet. Unfortunately, the ascorbate levels in ripe fruits of modern tomato (Solanum lycopersicum) cultivars and hybrids are low in comparison with relative wild tomato species. Use wild tomato accessions in breeding programs can significantly increase the ascorbate content of ripe fruits. However, for effective breeding for this trait, a more detailed study of the genetic determinants responsible for the ascorbate levels increase in in ripe fruits is necessary. In this study, we cloned and sequenced novel GME1gene homologous, which plays a key role in ascorbate biosynthesis in cultivated tomato and 11 wild tomato species. Structural analysis showed a low GME1variability level of in tomato species. In the GME1 coding sequences, 28 SNPs were identified, of which only two led to nonsynonymous aminoacid substitutions (G2E and E281D) in S. neorickii and S. peruvianum var. dentatum. Analysis of GME1 motifs and domains did not reveal any specific motifs either at the interspecific level or at more distant taxonomic levels. The high GME1 conservatism observed in quite evolutionarily distant tomato species is most likely due to the functional significance of this enzyme for the ascorbate synthesis and, indirectly, for protection from stress factors, primarily photostress. No correlation was found between amino acid or nucleotide substitutions and ascorbate levels in fruits. Expression analysis, including comparative interspecies organ-specific analysis and analysis of the dependence of the ascorbate content in mature fruits in tomato cultivars and wild species accessions and the GME1 expression level, also did not reveal a relationship between transcriptional levels and ascorbate concentration. It can also be assumed that the final ascorbate content in the ripe tomato fruit may be influenced not by the intensity of GME1 expression at the last stage of fruit ripening, but by how this gene was active at earlier stages of ripening.
Keywords: GME1, gene expression, SNP, Solanum lycopersicum, wild tomato species, tomato cultivars, ripe fruits, ascorbate content.
1ОOO НИИ селекции овощных культур |
Поступила в редакцию |
