Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tổng hợp glucoraphanin và sulforaphane thông qua melatonin trung gian oxit nitric trong rễ tóc của bông cải xanh (Brassica oleracea L. var. italica Planch): những hiểu biết từ dữ liệu transcriptome
Tóm tắt
Glucoraphanin (GRA) có mặt trong hạt và các cơ quan dinh dưỡng của bông cải xanh và là tiền chất của hợp chất chống ung thư sulforaphane (SF). Rễ tóc thu được bằng cách nhiễm lá bông cải xanh (Brassica oleracea L. var. Italic Planch) với Agrobacterium rhizogenes (ATCC15834) là tự chủ về phytohormone, ổn định về di truyền và có thể sản xuất một lượng lớn chất chống ung thư SF. Melatonin (MT) là một hormone tự nhiên được tìm thấy rộng rãi trong thực vật. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng melatonin có thể điều chỉnh việc tổng hợp các metabolite thứ cấp của các mục tiêu hạ lưu bằng cách trung gian hóa tổng hợp các phân tử tín hiệu. Tuy nhiên, việc liệu MT có điều chỉnh tổng hợp NO và H2O2 và trung gian hóa cơ chế tổng hợp của các metabolite thứ cấp, GRA và SF, vẫn chưa rõ ràng. Trong nghiên cứu này, rễ tóc của bông cải xanh được điều trị với 500 μmol/L MT, và bộ gen của bông cải xanh (Brassica oleracea L. var. botrytis L) được sử dụng làm bộ gen tham chiếu cho phân tích transcriptome. Bằng cách này, chúng tôi phát hiện ra rằng MT điều chỉnh tổng hợp NO và H2O2 và trung gian hóa tổng hợp các metabolite thứ cấp GRA và SF. Các chú thích GO chỉ ra rằng các gen biểu hiện khác nhau (DEGs) liên quan đến điều trị MT ở rễ tóc bông cải xanh chủ yếu liên quan đến hoạt động xúc tác, tế bào và quá trình trao đổi chất; phân tích con đường KEGG cho thấy rằng điều trị MT có khả năng ảnh hưởng đến quá trình truyền tín hiệu hormone trong rễ tóc bông cải xanh; rễ tóc bông cải xanh được điều trị với 500 μmol/L MT trong 0, 6, 12, 20 và 32 giờ, tương ứng; so với 0 giờ, năng suất GRA và SF đã tăng lên dưới các phương pháp điều trị khác. Năng suất cao nhất của GRA và SF xảy ra ở 12 giờ. Hàm lượng NO cao nhất ở 12 giờ, và hàm lượng H2O2 có mối tương quan dương với nồng độ MT. Hàm lượng NO và H2O2 đã được điều chỉnh, và hàm lượng GRA và SF đã tăng lên dưới điều trị MT. Chất ức chế tổng hợp NO (L-NAME và TUN) có thể ức chế hiệu quả hàm lượng NO trong rễ tóc bông cải xanh và giảm năng suất GRA và SF; MT có thể điều chỉnh mức độ NO bằng cách điều chỉnh các enzym liên quan đến tổng hợp NO và có thể giảm thiểu sự giảm hàm lượng NO trong tế bào mô do chất ức chế tổng hợp NO gây ra và thúc đẩy tổng hợp NO. Những kết quả này có ý nghĩa lý thuyết quan trọng trong việc hiểu biết về việc điều chỉnh các sự kiện tổng hợp GRA và SF của NO và H2O2.
Từ khóa
#Glucoraphanin #sulforaphane #melatonin #oxit nitric #bông cải xanh #rễ tóc #tổng hợp metabolite thứ cấp #phân tích transcriptomeTài liệu tham khảo
Halkier BA, Gershenzon J. Biology and biochemistry of glucosinolates. Annu Rev Plant Biol. 2006;57:303–33. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.57.032905.105228.
Gigolashvili T, Yatusevich R, Berger B, Müller C, Flügge UI. The R2R3-MYB transcription factor HAG1/MYB28 is a regulator of methionine-derived glucosinolate biosynthesis in Arabidopsis thaliana. Plant J. 2007;51(2):247–61. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2007.03133.x Epub 2007 May 23.
Scholl C, Eshelman BD, Barnes DM, Hanlon PR. Raphasatin is a more potent inducer of the detoxification enzymes than its degradation products. J Food Sci. 2011;76(3):C504-511. https://doi.org/10.1111/j.1750-3841.2011.02078.x.
Ramirez MC, Singletary K. Regulation of estrogen receptor alpha expression in human breast cancer cells by sulforaphane. J Nutr Biochem. 2009;20(3):195–201. https://doi.org/10.1016/j.jnutbio.2008.02.002.
Kang K, Yu M. Protective effect of sulforaphane against retinal degeneration in the Pde6rd10 mouse model of retinitis pigmentosa. Curr Eye Res. 2017;42(12):1684–8. https://doi.org/10.1080/02713683.2017.1358371.
Choi WJ, Kim SK, Park HK, Sohn UD, Kim W. Anti-inflammatory and anti-superbacterial properties of sulforaphane from shepherd’s purse. Korean J Physiol Pharmacol. 2014;18(1):33–9. https://doi.org/10.4196/kjpp.2014.18.1.33.
Tusevski O, Vinterhalter B, Milošević DK, Soković M, Ćirić A, Vinterhalter D, Korać SZ, Stanoeva JP, Stefova M, Simic SG. Production of phenolic compounds, antioxidant and antimicrobial activities in hairy root and shoot cultures of Hypericum perforatum L. Plant cell, Tiss Org (PCTOC). 2017;128(3):589–605. https://doi.org/10.1007/s11240-016-1136-9.
Zhang CC, Ma SY, Li S, Yu Y, Zhang XM, Bao JY. Suspension culture system of hairy roots of broccoli was established. Molecular plant species. 2020;18(04):1250–1258. (In Chinese)https://doi.org/10.13271/j.mpb.018.001250.
Zhao SQ. Establishment of broccoli hairy root induction and propagation system. Gansu Agricultural University. 2015. (In Chinese) https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?FileName=1015975361.nh&DbName=CMFD2016.
Allegra M, Reiter RJ, Tan DX, Gentile C, Tesoriere L, Livrea MA. The chemistry of melatonin's interaction with reactive species. J Pineal Res. 2003;1–10. https://doi.org/10.1034/j.1600-079x.2003.02112.x.
Zhang N, Sun Q, Li H, Li X, Cao Y, Zhang H, Li S, Zhang L, Qi Y, Ren S, Zhao B, Guo YD. Melatonin improved anthocyanin accumulation by regulating gene expressions and resulted in high reactive oxygen species scavenging capacity in cabbage. Front Plant Sci. 2016;7:197. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00197.
Wei L, Liu C, Zheng H, Zheng L. Melatonin treatment affects the glucoraphanin-sulforaphane system in postharvest fresh-cut broccoli (Brassica oleracea L.). Food Chem. 2019;307:125562. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.125562.
Sarti P, Magnifico MC, Altieri F, Mastronicola D, Arese M. New evidence for cross talk between melatonin and mitochondria mediated by a circadian-compatible interaction with nitric oxide. Int J Mol Sci. 2013;14(6):11259–76. https://doi.org/10.3390/ijms140611259.
Schopfer P, Plachy C, Frahry G. Release of reactive oxygen intermediates (superoxide radicals, hydrogen peroxide, and hydroxyl radicals) and peroxidase in germinating radish seeds controlled by light, gibberellin, and abscisic acid1. Plant Physiol. 2001;125(4):1591–602. https://doi.org/10.1104/pp.125.4.1591.
Baxter A, Mittler R, Suzuki N. ROS as key players in plant stress signalling. J Exp Bot. 2013;65(5):1229–40. https://doi.org/10.1093/jxb/ert375.
Guo FQ, Okamoto M, Crawford NM. Identification of a plant nitric oxide synthase gene involved in hormonal signaling. Science. 2003;302(5642):100–3. https://doi.org/10.1126/science.1086770.
Santolini J, André F, Jeandroz S, Wendehenne D. Nitric oxide synthase in plants: Where do we stand? Nitric Oxide. 2017;63:30–8. https://doi.org/10.1016/j.niox.2016.09.005.
Chamizo-Ampudia A, Sanz-Luque E, Llamas A, Galvan A, Fernandez E. Nitrate Reductase Regulates Plant Nitric Oxide Homeostasis. Trends Plant Sci. 2017;22(2):163–74. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2016.12.001.
Corpas FJ, González-Gordo S, Cañas A, Palma JM. Nitric oxide and hydrogen sulfide in plants: which comes first? J Exp Bot. 2019;70(17):4391–404. https://doi.org/10.1093/jxb/erz031.
Bethke PC. Apoplastic synthesis of nitric oxide by plant tissues. Plant Cell. 2004;16(2):332–41. https://doi.org/10.1105/tpc.017822.
Wen D, Gong B, Sun S, Liu S, Wang X, Wei M, Yang F, Li Y, Shi Q. Promoting roles of melatonin in adventitious root development of Solanum lycopersicum L. by regulating auxin and nitric oxide signaling. Front Plant Sci. 2016;7:718. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00718.
Zhao N, Yu Y, Yue Y, Dou M, Guo B, Yan S, Chen S. Nitric oxide regulates perylenequinones biosynthesis in Shiraia bambusicola S4201 induced by hydrogen peroxide. Sci Rep. 2021;11(1):2365. https://doi.org/10.1038/s41598-021-81990-2.
Auh CK, Murphy TM. Plasma Membrane Redox Enzyme Is Involved in the Synthesis of O2- and H2O2 by Phytophthora Elicitor-Stimulated Rose Cells. Plant Physiol. 1995;107(4):1241–7. https://doi.org/10.1104/pp.107.4.1241.
Peng M. Peroxidase-generated hydrogen peroxide as a source of antifungal activity in vitro and on tobacco leaf disks. Phytopathology. 1992;82(6):696–9. https://doi.org/10.1094/Phyto-82-696.
León-López L, Escobar-Zúñiga Y, Salazar-Salas NY, Mora Rochín S, Cuevas-Rodríguez EO, Reyes-Moreno C, Milán-Carrillo J. Improving polyphenolic compounds: antioxidant activity in chickpea sprouts through elicitation with hydrogen peroxide. Foods. 2020;9(12):1791. https://doi.org/10.3390/foods9121791.
Jahan MS, Guo S, Baloch AR, Sun J, Shu S, Wang Y, Ahammed GJ, Kabir K, Roy R. Melatonin alleviates nickel phytotoxicity by improving photosynthesis, secondary metabolism and oxidative stress tolerance in tomato seedlings. Ecotoxicol Environ Saf. 2020;197: 110593. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.110593.
Sharma M, Gupta SK, Deeba F, et al. Effects of reactive oxygen species on crop productivity. React. Oxygen Species in Plants, Hoboken. 2017. https://doi.org/10.1002/9781119324928.ch6.
Wu XH, Fan M Z, Li XF, Piao XC, Lian ML. Involvement of putrescine, nitric oxide, and hydrogen peroxide in methyl jasmonate induced ginsenoside synthesis in adventitious root cultures of panax ginseng C.A. meyer. J Plant Growth Regul. 2020;39(2):1–10. https://doi.org/10.1007/s00344-020-10199-w.
He H, He LF. Crosstalk between melatonin and nitric oxide in plant development and stress responses. Physiol Plant. 2020;170(2):218–26. https://doi.org/10.1111/ppl.13143.
Wan J, Zhang P, Wang R, Sun L, Ju Q, Xu J. Comparative physiological responses and transcriptome analysis reveal the roles of melatonin and serotonin in regulating growth and metabolism in Arabidopsis. BMC Plant Biol. 2018;18(1):362. https://doi.org/10.1186/s12870-018-1548-2.
Moreau M, Lee GI, Wang Y, Crane BR, Klessig DF. AtNOS/AtNOA1 is a functional Arabidopsis thaliana cGTPase and not a nitric-oxide synthase. J Biol Chem. 2008;283(47):32957–67. https://doi.org/10.1074/jbc.M804838200.
Erdal S. Melatonin promotes plant growth by maintaining integration and coordination between carbon and nitrogen metabolisms. Plant Cell Rep. 2019;38(8):1001–12. https://doi.org/10.1007/s00299-019-02423-z.
Olas JJ, Wahl V. Tissue-specific NIA1 and NIA2 expression in Arabidopsis thaliana. Plant Signal Behav. 2019;14(11):1656035. https://doi.org/10.1080/15592324.2019.1656035.
Stöhr C, Strube F, Marx G, Ullrich WR, Rockel P. A plasma membrane-bound enzyme of tobacco roots catalyses the formation of nitric oxide from nitrite. Planta. 2001;212(5–6):835–41. https://doi.org/10.1007/s004250000447.
Wimalasekera R, Villar C, Begum T, Scherer GF. COPPER AMINE OXIDASE1 (CuAO1) of Arabidopsis thaliana contributes to abscisic acid- and polyamine-induced nitric oxide biosynthesis and abscisic acid signal transduction. Mol Plant. 2011;4(4):663–78. https://doi.org/10.1093/mp/ssr023.
Khan A, Numan M, Khan AL, Lee IJ, Imran M, Asaf S, Al-Harrasi A. Melatonin: awakening the defense mechanisms during plant oxidative stress. Plants (Basel). 2020;9(4):407. https://doi.org/10.3390/plants9040407.
Lu, X., Ma, S., Ma, L. et al. The responses of sulforaphane synthesis and endogenous NO to Penicillium chrysogenum elicitor in Broccoli cells. Theor. Exp. Plant Physiol. 2021;33, 43–53 () https://doi.org/10.1007/s40626-020-00193-8.
Yu Y. Optimization of broccoli hairy root induction system and regulation of signal molecules on the synthesis and release of sulforaphane. Gansu Agricultural University. 2018. (In Chinese)https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?FileName=1018711007.nh&DbName=CMFD2018.
Tian P, Lu X, Bao JY, Zhang XM, Lu YQ, Zhang XL, Wei YC, Yang J, Li S, Ma SY. Transcriptomics analysis of genes induced by melatonin related to glucosinolates synthesis in broccoli hairy roots. Plant Signal Behav. 2021;16(11): e1952742. https://doi.org/10.1080/15592324.2021.1952742.
Young MD, Wakefield MJ, Smyth GK, Oshlack A. Gene ontology analysis for RNA-seq: accounting for selection bias. Genome Biol. 2010; R14. https://doi.org/10.1186/gb-2010-11-2-r14.
Kanehisa M, Goto S. KEGG: kyoto encyclopedia of genes and genomes. Nucleic Acids Res. 2000;28(1):27–30. https://doi.org/10.1093/nar/28.1.27.
Mao X, Cai T, Olyarchuk JG, Wei L. Automated genome annotation and pathway identification using the KEGG Orthology (KO) as a controlled vocabulary. Bioinformatics. 2005;21(19):3787–93. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bti430.
Livak KJ, Schmittgen TD. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) Method. Methods. 2001;402–408. https://doi.org/10.1006/meth.2001.1262.
Yang Y, Hou S, Cui G, Chen S, Wei J, Huang L. Characterization of reference genes for quantitative real-time PCR analysis in various tissues of Salvia miltiorrhiza. Mol Biol Rep. 2009;37(1):507–13. https://doi.org/10.1007/s11033-009-9703-3.