Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Đặc điểm chức năng và cơ chế điều tiết của kinase CPK34 ở lúa mì trong phản ứng với stress khô hạn
Tóm tắt
Khô hạn là một trong những yếu tố môi trường bất lợi nhất hạn chế sản xuất cây trồng và việc xác định các yếu tố di truyền chính cho an toàn thực phẩm là rất quan trọng. Các kinase protein phụ thuộc canxi (CPKs) được biết đến là có liên quan đến sự phát triển, sinh trưởng của thực vật và các stress môi trường. Tuy nhiên, các chức năng sinh học và cơ chế điều tiết của nhiều CPKs thực vật vẫn chưa được khám phá. Trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi, sự phong phú của protein CPK34 ở lúa mì (TaCPK34) đã tăng đáng kể trong các cây lúa mì chịu stress khô hạn, suy diễn rằng nó có thể tham gia vào stress này. Do đó, ở đây chúng tôi đã tiếp tục xác định chức năng và cơ chế của nó trong phản ứng với stress khô hạn. Các bản sao của gen TaCPK34 đã được kích thích đáng kể sau khi điều trị thiếu nước được kích thích bằng PEG (20% PEG6000) hoặc 100 μM axit abscisic (ABA). Gen TaCPK34 đã bị làm giảm tạm thời trong bộ gen lúa mì bằng phương pháp làm giảm thông qua virus mosaic lúa mạch (BSMV-VIGS). Sau 14 ngày bị stress khô hạn, các cây mạ lúa mì bị giảm tạm thời TaCPK34 cho thấy sự nhạy cảm nhiều hơn so với nhóm đối chứng, và khối lượng cây và hàm lượng nước tương đối giảm đáng kể, trong khi hàm lượng đường hòa tan và MDA tăng lên. Phân tích proteomics định lượng dựa trên iTRAQ đã được sử dụng để đo lường hồ sơ biểu hiện protein trong lá của các cây lúa mì bị giảm tạm thời TaCPK34 sau stress khô hạn. Có 6103 protein được xác định, trong số đó, 51 protein có sự thay đổi phong phú đáng kể, chúng tham gia vào nhiều chức năng khác nhau. Phân tích trình tự trên các promoter của các gen, mà mã hóa các protein được xác định trên đây, chỉ ra rằng một số promoter chứa các yếu tố đáp ứng với ABA. Chúng tôi xác định các tương tác giữa TaCPK34 và ba protein đã được xác định bằng cách sử dụng phương pháp tạo hình fluorescent phân tử đôi (BiFC) và dữ liệu của chúng tôi chỉ ra rằng TaCPK34 tương tác trực tiếp với glutathione S-transferase 1 và prx113. Nghiên cứu của chúng tôi gợi ý rằng gen TaCPK34 đóng vai trò tích cực trong phản ứng của lúa mì đối với stress khô hạn thông qua việc điều tiết các gen theo cách phụ thuộc vào ABA, mà mã hóa các protein đã được xác định từ proteomics định lượng dựa trên iTRAQ. Và nó có thể được sử dụng như một gen tiềm năng để phát triển các giống cây trồng có khả năng chịu hạn được cải thiện.
Từ khóa
#khô hạn #CPK34 #lúa mì #stress môi trường #proteomics #ABA #tương tác proteinTài liệu tham khảo
Ray DK, Mueller ND, West PC, Foley A. Yield trends are insufficient to double global crop production by 2050. PLoS One. 2013;8:e66428.
Schulz P, Herde M, Romeis T. Calcium-dependent protein kinases: hubs in plant stress signaling and development. Plant Physiol. 2013;163:523–30.
Batistič O, Kudla J. Analysis of calcium signaling pathways in plants. BBA-Gen. 1820;2012:1283–93.
Zou JJ, Li XD, Ratnasekera D, Wang C, Liu WX, Song LF, Zhang WZ, Wu WH. Arabidopsis CALCIUM-DEPENDENT PROTEIN KINASE8 and CATALASE3 function in abscisic acid-mediated signaling and H2O2 homeostasis in stomatal guard cells under drought stress. Plant Cell. 2015;27:1445–60.
Liese A, Romeis T. Biochemical regulation of in vivo function of plant calcium-dependent protein kinases (CDPK). BBA-Mol Cell Res. 1833;2013:1582–9.
Romeis T, Herde M. From local to global: CDPKs in systemic defense signaling upon microbial and herbivore attack. Curr Opin Plant Biol. 2014;20:1–10.
Valmonte GR, Arthur K, Higgins CM, MacDiarmid RM. Calcium-dependent protein kinases in plants: evolution, expression and function. Plant Cell Physiol. 2014;55:551–69.
Simeunovic A, Mair A, Wurzinger B, Teige M. Know where your clients are: subcellular localization and targets of calcium-dependent protein kinases. J Exp Bot. 2016;67:3855–72.
Atif RM, Shahid L, Waqas M, Ali B, Rashid MAR, Azeem F, Nawaz MA, Wani SH, Chung G. Insights on calcium-dependent protein kinases (CPKs) signaling for abiotic stress tolerance in plants. Int J Mol Sci. 2019;20:5298.
Wen F, Ye F, Xiao Z, Liao L, Li T, Jia M, Liu X, Wu X. Genome-wide survey and expression analysis of calcium-dependent protein kinase (CDPK) in grass Brachypodium distachyon. BMC Genomics. 2020;21:53.
Xu J, Tian YS, Peng RH, Xiong AS, Zhu B, Jin XF, Gao F, Fu XY, Hou XL, Yao QH. AtCPK6, a functionally redundant and positive regulator involved in salt/drought stress tolerance in Arabidopsis. Planta. 2010;231:1251–60.
Saijo Y, Hata S, Kyozuka J, Shimamoto K, Izui K. Over-expression of a single Ca2+-dependent protein kinase confers both cold and salt/drought tolerance on rice plants. Plant J. 2000;23:319–27.
Zou JJ, Wei FJ, Wang C, Wu JJ, Ratnasekera D, Liu WX, Wu WH. Arabidopsis calcium-dependent protein kinase CPK10 functions in abscisic acid- and Ca2+-mediated stomatal regulation in response to drought stress. Plant Physiol. 2010;154:1232–43.
Ma SY, Wu WH. AtCPK23 functions in Arabidopsis responses to drought and salt stresses. Plant Mol Biol. 2007;65:511–8.
Singh A, Sagar S, Biswas DK. Calcium dependent protein kinase, a versatile player in plant stress management and development. Crit Rev Plant Sci. 2017;36:336–52.
Shewry PR, Hey SJ. The contribution of wheat to human diet and health. Food Energy Secur. 2015;4:178–202.
Xu MJ, Gao T, Wang PF, Li GZ, Kang GZ. Function of calcium dependent protein kinase 34 in grain starch synthesis in common wheat (Triticum aestivum L.). J Agr Sci Technol Chin. 2019;21:26–33 (in Chinese with English abstract).
Choi HW, Hwang BK. The pepper extracellular peroxidase CaPO2 is required for salt, drought and oxidative stress tolerance as well as resistance to fungal pathogens. Planta. 2012;235:1369–82.
Xu J, Xing XJ, Tian YS, Peng RH, Xue Y, Zhao W, Yao QH. Transgenic Arabidopsis plants expressing tomato glutathione S-transferase showed enhanced resistance to salt and drought stress. PLoS One. 2015;10:e0136960.
Chen F, Fasoli M, Tornielli GB, Dal Santo S, Pezzotti M, Zhang L, Cai B, Cheng ZM. The evolutionary history and diverse physiological roles of the grapevine calcium-dependent protein kinase gene family. PLoS One. 2013;8:e80818.
Hamel LP, Sheen J, Séguin A. Ancient signals: comparative genomics of green plant CDPKs. Trends Plant Sci. 2014;19:79–89.
Liu W, Li W, He Q, Daud MK, Chen J, Zhu S. Genome-wide survey and expression analysis of calcium-dependent protein kinase in Gossypium raimondii. PLoS One. 2014;9:e98189.
Feldman M, Levy AA, Fahima T, Korol A. Genomic asymmetry in allopolyploid plants: wheat as a model. J Exp Bot. 2012;63:5045–59.
Li AL, Zhu YF, Tan XM, Wang X, Wei B, Guo HZ, Zhang ZL, Chen XB, Zhao GY, Kong XY. Evolutionary and functional study of the CDPK gene family in wheat (Triticum aestivum L.). Plant Mol Biol. 2008;66:429–43.
Jia J, Zhao S, Kong X, Li Y, Zhao G, He W, Appels R, Pfeifer M, Tao Y, Zhang X, et al. Aegilops tauschii draft genome sequence reveals a gene repertoire for wheat adaptation. Nature. 2013;496:91–5.
Ling HQ, Zhao S, Liu D, Wang J, Sun H, Zhang C, Fan H, Li D, Dong L, Tao Y, et al. Draft genome of the wheat A-genome progenitor Triticum urartu. Nature. 2013;496:87–90.
International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC). A chromosome-based draft sequence of the hexaploid bread wheat (Triticum aestivum) genome. Science. 2014;345:1251788.
International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC); IWGSC RefSeq principal investigators, Appels R, Eversole K, Feuillet C, Keller B, Rogers J, Stein N, Pozniak CJ, et al. IWGSC whole-genome assembly principal investigators. Shifting the limits in wheat research and breeding using a fully annotated reference genome. Science. 2018;361:661.
Heuer S, Gaxiola R, Schilling R, Herrera-Estrella L, López-Arredondo D, Wissuwa M, Delhaize E, Rouached H. Improving phosphorus use efficiency: a complex trait with emerging opportunities. Plant J. 2017;90:868–85.
Li A, Wang X, Leseberg CH, Jia J, Mao L. Biotic and abiotic stress responses through calcium-dependent protein kinase (CDPK) signaling in wheat (Triticum aestivum L.). Plant Signal Behav. 2008;3:654–6.
Boudsocq M, Droillard MJ, Regad L, Laurière C. Characterization of Arabidopsis calcium-dependent protein kinases: activated or not by calcium? Biochem J. 2012;447:291–9.
Franz S, Ehlert B, Liese A, Kurth J, Cazalé AC, Romeis T. Calcium-dependent protein kinase CPK21 functions in abiotic stress response in Arabidopsis thaliana. Mol Plant. 2011;4:83–96.
Ho SL, Huang LF, Lu CA, He SL, Wang CC, Yu SP, Chen J, Yu SM. Sugar starvation-and GA-inducible calcium-dependent protein kinase 1 feedback regulates GA biosynthesis and activates a 14-3-3 protein to confer drought tolerance in rice seedlings. Plant Mol Biol. 2013;81:347–61.
Wei S, Hu W, Deng X, Zhang Y, Liu X, Zhao X, Luo Q, Jin Z, Li Y, Zhou S. A rice calcium-dependent protein kinase OsCPK9 positively regulates drought stress tolerance and spikelet fertility. BMC Plant Biol. 2014;14:133.
Bundó M, Coca M. Calcium-dependent protein kinase OsCPK10 mediates both drought tolerance and blast disease resistance in rice plants. J Exp Bot. 2017;68:erx145.
Campo S, Baldrich P, Messeguer J, Lalanne E, Coca M, Segundo BS. Overexpression of a calcium-dependent protein kinase confers salt and drought tolerance in rice by preventing membrane lipid peroxidation. Plant Physiol. 2014;165:688–704.
Brenchley R, Spannagl M, Pfeifer M, Barker GL, D'Amore R, Allen AM, McKenzie N, Kramer M, Kerhornou A, Bolser D, Kay S, et al. Analysis of the bread wheat genome using whole-genome shotgun sequencing. Nature. 2012;491:705–10.
Wang LL, Yu CC, Chen C, He CL, Zhu YG, Huang WC. Identification of rice Di19 family reveals OsDi19-4 involved in drought resistance. Plant Cell Rep. 2014;33:2047–62.
Kumar M, Lee SC, Kim JY, Kim SJ, Aye SS, Kim SR. Over-expression of dehydrin gene, OsDhn1, improves drought and salt stress tolerance through scavenging of reactive oxygen species in rice (Oryza sativa L.). J. Plant Biol. 2014;57:383–93.
Olvera-Carrillo Y, Campos F, Reyes JL, Garciarrubio A, Covarrubias AA. Functional analysis of the group 4 late embryogenesis abundant proteins reveals their relevance in the adaptive response during water deficit in Arabidopsis. Plant Physiol. 2010;154:373–90.
Li YG, Zhang DY, Li WN, Mallano AI, Zhang YH, Wang T, Lu M, Qin ZW, Li WB. Expression study of soybean germin-like gene family reveals a role of GLP7 gene in various abiotic stress tolerances. Can J Plant Sci. 2016;96:296–304.
Shi H, Chen Y, Qian Y, Chan Z. Low temperature-induced 30 (LTI30) positively regulates drought stress resistance in Arabidopsis: effect on abscisic acid sensitivity and hydrogen peroxide accumulation. Front Plant Sci. 2015;6:893.
Cieśsla A, Mituła F, Misztal L, Fedorowicz-Strońska O, Janicka S, Tajdel-Zielińska M, Marczak M, Janicki M, Ludwików A, Sadowski J. A role for barley calcium-dependent protein kinase CPK2a in the response to drought. Front Plant Sci. 2016;7:1550.
Vivek PJ, Tuteja N, Soniya EV. CDPK1 from ginger promotes salinity and drought stress tolerance without yield penalty by improving growth and photosynthesis in Nicotiana tabacum. PLoS One. 2013;8:e76392.
Allagulova CR, Gimalov FR, Shakirova FM, Vakhitov VA. The plant dehydrins: structure and putative functions. Biochemistry-Moscow. 2003;68:945–51.
Bies-Ethève N, Gaubier-Comella P, Debures A, Lasserre E, Jobet E, Raynal M, Cooke R, Delseny M. Inventory, evolution and expression profiling diversity of the LEA (late embryogenesis abundant) protein gene family in Arabidopsis thaliana. Plant Mol Biol. 2008;67:107–24.
Washio K, Ishikawa K. Organ-specific and hormone-dependent expression of genes for serine carboxypeptidases during development and following germination of rice grains. Plant Physiol. 1994;105:1275–80.
Rapala-Kozik M, Wolak N, Kujda M, Banas AK. The upregulation of thiamine (vitamin B1) biosynthesis in Arabidopsis thaliana seedlings under salt and osmotic stress conditions is mediated by abscisic acid at the early stages of this stress response. BMC Plant Biol. 2012;12:2.
Yubero-Serrano EM, Moyano E, Medina-Escobar N, Muñoz-Blanco J, Caballero JL. Identification of a strawberry gene encoding a non-specific lipid transfer protein that responds to ABA, wounding and cold stress. J Exp Bot. 2003;54:1865–77.
Hoagland DR, Arnon DI. The water-culture method for growing plants without soil. Calif Agric Exp Sta Circ. 1950;347:357–9.
Wei L, Wang L, Yang Y, Liu G, Wu Y, Guo T, Kang G. Abscisic acid increases leaf starch content of polyethylene glycol-treated wheat seedlings by temporally increasing transcripts of genes encoding starch synthesis enzymes. Acta Physiol Plant. 2015;37:206.
Li G, Wu Y, Liu G, Xiao X, Wang P, Gao T, Xu M, Han Q, Wang Y, Guo T, Kang G. Large-scale proteomics combined with transgenic experiments demonstrates an important role of jasmonic acid in potassium deficiency response in wheat and rice. Mol Cell Proteomics. 2017;16:1889–905.
Tufan HA, Stefanato FL, McGrann GRD, MacCormack R, Boyd LA. The barley stripe mosaic virus system used for virus-induced gene silencing in cereals differentially affects susceptibility to fungal pathogens in wheat. J Plant Physiol. 2011;168:990–4.
Ma HZ, Liu GQ, Li CW, Kang GZ, Guo TC. Identification of the TaBTF3 gene in wheat (Triticum aestivum L.) and the effect of its silencing on wheat chloroplast, mitochondria and mesophyll cell development. Biochem Biophys Res Commun. 2012;426:608–14.
Kang G, Li G, Xu W, Peng X, Han Q, Zhu Y, Guo T. Proteomics reveals the effects of salicylic acid on growth and tolerance to subsequent drought stress in wheat. J Proteome Res. 2012;11:6066–79.
Güitman MR, Arnozis PA, Barneix AJ. Effect of source-sink relations and nitrogen nutrition on senescence and N remobilization in the flag leaf of wheat. Physiol Plant. 1991;82:278–84.
Demiral T, Türkan İ. Comparative lipid peroxidation antioxidant defense systems and proline content in roots of two rice cultivars differing in salt tolerance. Environ Exp Bot. 2005;53:247–57.
Su L, Shan JX, Gao JP, Lin HX. OsHAL3, a blue light-responsive protein, interacts with the floral regulator Hd1 to activate flowering in rice. Mol Plant. 2016;9:233–44.