Гомеологичные гены Triticum aestivum L.: структурные характеристики и дифференциальная активность

А.Г. Сулкарнаева1, В.В. Шитикова1, Ф.В. Минибаева1,2

1Казанский институт биохимии и биофизики КазНЦ РАН, г. Казань, 420111, Россия

2Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

Полный текст PDF

Аннотация

Мягкая пшеница (Triticum aestivum L.) является важнейшей сельскохозяйственной культурой и одним из наиболее сложных объектов в исследованиях в области генетики, цитогенетики, молекулярной генетики и филогенетики растений. Данный вид злаковых имеет аллогексаплоидный геном (2n = 6x = 42, AAВВDD), в образовании которого участвовали диплоидные виды Triticum urartu Thum. (AA), Aegilops speltoides Tausch. (SS) и Aegilops tauschii Coss. (DD). Копии одного и того же гена в геномах А, В и D называют гомеологичными генами. Показано, что большинство генов мягкой пшеницы присутствует в ее геноме в виде гомеологичных копий, ведущих свое происхождение от общего предкового гена. Такая многокопийность генов является преимуществом полиплоидных организмов, обеспечивающим реализацию компенсаторных механизмов на генном уровне при изменении условий окружающей среды и, как следствие, приводящим к повышению адаптивного потенциала организма.

Ключевые слова: пшеница, Triticum aestivum L., гомеологичные гены, многокопийность генов

Литература

  1. Feldman M., Levy A.A. Allopolyploidy – a shaping force in the evolution of wheat genomes // Cytogenet. Genome Res. – 2005. – V. 109, No 1–3. – P. 250–258. – doi: 10.1159/000082407.
  2. Marcussen T., Sandve S.R., Heier L., Spannagl M., Pfeifer M., International Wheat Genome Sequencing Consortium, Jakobsen K.S., Wulff B.B., Steuernagel B., Mayer K.F., Olsen O.A. Ancient hybridizations among the ancestral genomes of bread wheat // Science. – 2014. – V. 345, No 6194. – Art. 1250092, P. 1–4. – doi: 10.1126/science.1250092.
  3. Fitzgerald T.L., Kazan K., Li Z., Morell M.K., Manners J.M. A high-throughput method for the detection of homologous gene deletions in hexaploid wheat // BMC Plant Biol. – 2010. – V. 10. – Art. 264, P. 1–15. – doi: 10.1186/1471-2229-10-264.
  4. Nigro D., Blanco A., Anderson O.D., Gadaleta A. Characterization of ferredoxin-dependent glutamine-oxoglutarate amidotransferase (Fd-GOGAT) genes and their relationship with grain protein content QTL in wheat // PLoS One. – 2014. – V. 9, No 8. – Art. e103869, P. 1–11. – doi: 10.1371/journal.pone.0103869.
  5. Shoeva O.Y., Khlestkina E.K., Berges H., Salina E.A. The homoeologous genes encoding chalcone-flavanone isomerase in Triticum aestivum L.: Structural characterization and expression in different parts of wheat plant // Gene. – 2014. – V. 538, No 2. – P. 334–341. – doi: 10.1016/j.gene.2014.01.008.
  6. Himi E., Noda K. Isolation and location of three homoeologous dihydroflavonol-4-reductase (DFR) genes of wheat and their tissue-dependent expression // J. Exp. Bot. – 2004. – V. 55, No 396. – P. 365–375. – doi: 10.1093/jxb/erh046.
  7. Feldman M., Levy A.A., Fahima T., Korol A. Genomic asymmetry in allopolyploid plants: wheat as a model // J. Exp. Bot. – 2012. – V. 63, No 14. – P. 5045–5059. – doi: 10.1093/jxb/ers192.
  8. Garcia-Oliveira A.L., Martins-Lopes P., Tolrá R., Poschenrieder C., Tarquis M., Guedes-Pinto H., Benito C. Molecular characterization of the citrate transporter gene TaMATE1 and expression analysis of upstream genes involved in organic acid transport under Al stress in bread wheat (Triticum aestivum) // Physiol. Plant. – 2014. – V. 152, No 3. – P. 441–452. – doi: 10.1111/ppl.12179.
  9. Subramaniam K., Liu B., Ye Z., Abbo S., Ueng P.P. Isolation of a gene coding for a putative sterol C-24 methyltransferase in wheat // Wheat Inf. Serv. (Japan). – 1999. – V. 89. – P. 17–22.
  10. Bouvier-Navé P., Husselstein T., Desprez T., Benveniste P. Identification of cDNAs encoding sterol methyl-transferases involved in the second methylation step of plant sterol biosynthesis // Eur. J. Biochem. – 1997. – V. 246, No 2. – P. 518–529.
  11. Schaller H., Bouvier-Navé P., Benveniste P. Overexpression of an Arabidopsis cDNA encoding a sterol-C24(1)-methyltransferase in tobacco modifies the ratio of 24-methyl cholesterol to sitosterol and is associated with growth reduction // Plant Physiol. – 1998. – V. 118, No 2. – P. 461–469.
  12. Neelakandan A.K., Song Z., Wang J., Richards M.H., Wu X., Valliyodan B., Nguyen H.T., Nes W.D. Cloning, functional expression and phylogenetic analysis of plant sterol 24C-methyltransferases involved in sitosterol biosynthesis // Phytochemistry. – 2009. – V. 70, No 17–18. – P. 1982–1998. – doi: 10.1016/j.phytochem.2009.09.003.
  13. Neelakandan A.K., Nguyen T.M., Kumar R., Tran L.S., Guttikonda S.K., Quach T.N.,  Aldrich D.L., Nes W.D., Nguyen H.T. Molecular characterization and functional analysis of Glycine max sterol methyl transferase 2 genes involved in plant membrane sterol biosynthesis // Plant Mol. Biol. – 2010. – V. 74, No 4–5. – P. 503–518. – doi: 10.1007/s11103-010-9692-6.
  14. Carland F., Fujioka S., Nelson T. The sterol methyltransferases SMT1, SMT2, and SMT3 influence Arabidopsis development through nonbrassinosteroid products // Plant Physiol. – 2010. – V. 153, No 2. – P. 741–756. – doi: 10.1104/pp.109.152587.
  15. Сулкарнаева А.Г., Валитова Ю.Н., Минибаева Ф.В. Характеристика гомеологичных генов С24-стерин метилтрансферазы Triticum aestivum L. // Докл. РАН. – 2016. – Т. 470, № 4. – С. 483–486.
  16. McIntosh R.A., Hart C.E., Devos K.M., Gale M.D., Rogers W.J. Catalogue of gene symbols for wheat // Proc. 9th Int. Wheat Genet. Symp. / Ed. A.E. Slinkard. – Saskatoon: Univ. Ext. Press, Univ. of Sask., 1998. – V. 5. – P. 1–235.
  17. Devos K.M., Dubcovsky J., Dvořák J., Chinoy C.N., Gale M.D. Structural evolution of wheat chromosomes 4A, 5A, and 7B and its impact on recombination // Theor. Appl. Genet. – 1995. – V. 91, No 2. – P. 282–288. – doi: 10.1007/BF00220890.
  18. Ma J., Stiller J., Berkman P.J., Wei Y., Rogers J., Feuillet C., Dolezel J., Mayer K.F., Eversole K., Zheng Y.L., Liu C. Sequence-based analysis of translocations and inversions in bread wheat (Triticum aestivum L.) // PLoS One. – 2013. – V. 8, No 11. – Art. e79329, P. 1–5. – doi: 10.1371/journal.pone.0079329.
  19. Aramrak A., Kidwell K.K., Steber C.M., Burke I.C. Molecular and phylogenetic characterization of the homoeologous EPSP Synthase genes of allohexaploid wheat, Triticum aestivum (L.) // BMC Genomics. – 2015. – V. 16. – Art. 844, P.  1–14. – doi: 10.1186/s12864-015-2084-1.
  20. Huang X.Q., Brûlé-Babel A. Development of genome-specific primers for homoeologous genes in allopolyploid species: The waxy and starch synthase II genes in allohexaploid wheat (Triticum aestivum L.) as examples // BMC Res. Notes. – 2010. – V. 3. – Art. 140, P. 1–11. – doi: 10.1186/1756-0500-3-140.
  21. Сулкарнаева А.Г., Валитова Ю.Н., Мухитова Ф.К., Минибаева Ф.В. Стресс-инду­цированные изменения мембранных стеринов в корнях пшеницы // Докл. РАН. – 2014. – Т. 455, № 2. – С. 229–231.
  22. Kirisako T., Baba M., Ishihara N., Miyazawa K., Ohsumi M., Yoshimori T., Noda T., Ohsumi Y. Formation process of autophagosome is traced with Apg8/Aut7p in yeast // J. Cell Biol. – 1999. – V. 147, No 2. – P. 435–446. – doi: 10.1083/jcb.147.2.435.
  23. Рябовол В.В., Минибаева Ф.В. Аутофагические белки ATG4 и ATG8 пшеницы: особенности структуры и роль при стрессе // Докл. РАН. – 2014. – Т. 458, № 6. – С. 718–720.
  24. Рябовол В.В., Минибаева Ф.В. Молекулярные механизмы аутофагии в растениях: роль белка ATG8 в формировании и функционировании аутофагосом // Биохимия. – 2016. – Т. 81, № 4. – С. 487–505.
  25. Avin-Wittenberg T., Michaeli S., Honig A., Galili G. ATI1, a newly identified atg8-interacting protein, binds two different Atg8 homologs // Plant Signaling Behav. – 2012. – V. 7, No 6. – P. 685–687. – doi: 10.4161/psb.20030.
  26. Rose T.L., Bonneau L., Der C., Marty-Mazars D., Marty F. Starvation-induced expression of autophagy-related genes in Arabidopsis // Biol. Cell. – 2006. – V. 98, No 1. – P. 53–67. – doi: 10.1042/BC20040516.
  27. Wendel J.F. Genome evolution in polyploids // Plant Mol. Biol. – 2000. – V. 42, No 1. – P. 225–249.

Поступила в редакцию

11.04.17


Сулкарнаева Альбина Гарифулловна, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник лаборатории окислительно-восстановительного метаболизма

Казанский институт биохимии и биофизики КазНЦ РАН

ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия

E-mail: sulkarnayeva@gmail.com

Шитикова Виктория Вадимовна, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории окислительно-восстановительного метаболизма

Казанский институт биохимии и биофизики КазНЦ РАН

ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия

E-mail: vicry@yandex.ru

Минибаева Фарида Вилевна, доктор биологических наук, заведующий лабораторией окислительно-восстановительного метаболизма; профессор кафедры биохимии и биотехнологии и кафедры ботаники и физиологии растений

Казанский институт биохимии и биофизики КазНЦ РАН

ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: fminibayeva@gmail.com

Для цитирования: Сулкарнаева А.Г., Шитикова В.В., Минибаева Ф.В. гомеологичные гены Triticum aestivum L.: структурные характеристики и дифференциальная активность // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2017. – Т. 159, кн. 2. – С. 321–331.

For citation: Sulkarnayeva A.G., ShitikovaV.V., Minibayeva F.V. Homoeologous genes in Triticum aestivum L.: Structural characteristics and differential activity. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2017, vol. 159, no. 2, pp. 321–331. (In Russian)

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.