Nhận diện các isoform phosphoenolpyruvate carboxylase trong lá, thân và rễ của cây CAM tuyệt đối Vanilla planifolia Salib. (Orchidaceae): một tiếp cận sinh lý học và phân tử

Hans Gehrig1, Karin Faist1, Manfred Kluge1
1Institut für Botanik, TU-Darmstadt, Darmstadt, Germany

Tóm tắt

Nghiên cứu này cung cấp phân tích so sánh đầu tiên về các isoform phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPc; EC 4.1.1.31) ở cây thực vật thuộc quá trình trao đổi chất axit crassulacean (CAM) tuyệt đối, Vanilla planifolia Salisb. Sự cố định CO2 vào ban đêm và sự tích tụ malat bởi lá và thân xanh cho thấy các cơ quan này thực hiện CAM. Tuy nhiên, các rễ trên không chứa diệp lục cho thấy sự quang hợp C3. Hoạt tính xúc tác của PEPc cao nhất ở lá so với thân và rễ trên không. Km (PEP) và Ki (malat) tương tự nhau trong PEPc được chiết xuất từ lá và rễ trên không, và cao hơn đáng kể ở thân. cDNA đã được thu nhận từ các mô này và cũng từ các rễ được trồng trong đất, và nhiều dòng cDNA khác nhau đã được phát hiện và khuếch đại thông qua RT-PCR và RACE-PCR. Các chuỗi axit amin của các isoform PEPc suy diễn từ cDNA cho thấy mức độ đồng hình lớn, và phân tích Southern blot cho thấy rằng các gen mã hóa tạo thành một gia đình đa gen nhỏ với ít nhất hai thành viên. Một isoform PEPc (PpcV1) được cho là liên quan đến CAM bởi vì, như được chỉ ra bởi phân tích northern blot, nó chủ yếu được biểu hiện trong các cơ quan thực hiện CAM, tức là trong lá và thân. Một isoform khác (PpcV2) được xác định trong các rễ trưởng thành trong đất và rễ trên không, nhưng các northern blot cho thấy rằng ở một mức độ nào đó PpcV2 cũng được biểu hiện trong mô lá và mô thân. Do đó, giả thuyết cho rằng PpcV2 mã hóa isoform bảo trì của PEPc. Tổng thể, nghiên cứu hiện tại cung cấp bằng chứng ủng hộ quan điểm rằng các isoform của PEPc liên quan đến các chức năng cụ thể.

Từ khóa

#phosphoenolpyruvate carboxylase #isoform #cây CAM #Vanilla planifolia #sinh lý học #phân tử

Tài liệu tham khảo

Avadhani PN, Goh CJ, Rao AN, Arditti J: Carbon fixation in Orchids. In: Arditti J (ed) pp. 173–193. Cornell University Press, Ithaca, NY (1982).

Brulfert J, Güclü S, Kluge M: Effects of abrupt or progressive drought on the photosynthetic mode of Crassula sieberiana, cultivated under different day-length. Plant Physiol 138: 685–690 (1991).

Chirgwin JM, Przybyla AE, McDonald RJ, Rutter WJ: Isolation of biologically active ribonucleic acid from sources enriched in ribonucleases. Biochemistry 18: 5294–5299 (1979).

Chollet R, Vidal J, O'Leary MH: Phosphoenolpyruvate carboxylae: A ubiquitous, highly regulated enzyme in plants. Annu Rev Plant Physiol 47: 273–98 (1996).

Cushman JC, Bohnert HJ: Transcriptional activation of CAM genes during development and environmental stress. In: Winter K, Smith JAC (eds) Ecology Studies 114, pp. 135–158. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg (1996).

Cushman JC, Meyer G, Michalowski CB, Schmitt JM, Bohnert HJ: Salt stress leads to differential expression of two isogenes of phosphoenolpyruvate carboxylase during Crassulacean acid metabolism induction in the common ice plant. Plant Cell 1: 715–725 (1989).

Bohnert HJ, Ostrem JA, Cushman JC, Michalowski CB, Rickers J, Meyer G, de Rocher E, Vernon DM, Krueger M, Vazquez-Moreno L, Velten J: Mesembryanthemum crystallinum, a higher plant model for the study of environmentally induced changes in gene expression. Plant Mol Biol Rep 6: 11–28 (1988).

Davies DD: The central role of phosphoenolpyruvate in plant metabolism. Annu Rev Plant Physiol 30: 131–158 (1979).

Frohmann MA, Duch MK, Martin GR: Rapid production of fullength cDNAs from rare transcripts: Amplification using a single gene-specific oligonucleotide primer. Proc Natl Acad Sci USA 85: 8998–9002 (1988).

Fourney RM, Miyakoshi J, Day III RS, Paterson M: Northern blotting: efficient RNA staining and transfer. Focus 10: 5–7 (1988).

Gehrig H, Taybi T, Kluge M, Brulfert J: Identification of multiple PEPC isogenes in leaves of the facultative Crassulacean Acid Metabolism (CAM) plant Kalanchoe blossfeldiana Poelln cv. Tom Thumb. FEBS Lett 3773: 399–402 (1995).

Grams TEE, Kluge M, Lüttge U: High temperature-adapted plants of Kalanchoe daigremontiana show changes in temperature dependence of the endogenous CAM rhythm. J Exp Bot 293: 1927–1929 (1995).

Hermans J, Westhoff P: Homologous for the C4 isoform of phosphoenolpyruvate carboxylase in a C3 and a C4 Flaveria species. Mol Gen Genet 234: 275–284 (1992).

Höfner R, Vazquez-Moreno L, Abou-Mandour A, Bohnert HJ, Schmitt JM: Two isoforms of phosphoenolpyruvate carboxylase in the facultative CAM plant Mesembryanthemum crystallinum. Plant Physiol Biochem 27: 803–810 (1989).

Honda H, Okamoto T, Shimada H: Isolation of a cDNA for a phosphoenolpyruvate carboxylase from a monocot CAM plant, Aloe arborescens: structure and its gene expression. Plant Cell Physiol 37: 881–888 (1986).

Kluge M, Lange OL, Eichmann M, Schmid R: Diurnaler Säurerhythmus bei Tillandsia usneoides: Untersuchungen über den Weg des Kohlenstoffs sowie die Abhängigkeit des CO2-Gaswechsels von Lichtintensitäten, Temperatur und Wassergehalt der Pflanze. Planta 112: 357–372 (1973).

Kluge M, Ting IP: Crassulacean acid Metabolism. Ecology Studies 30. Springer-Verlag, Berlin (1978).

Lance C, Rustin P: The central role of malate in plant metabolism. Physiol Vég 22: 625–641 (1984).

Latzko E, Kelly GJ: The many-faceted function of phosphoenolpyruvate carboxylase in C3 plants. Physiol Vég 21: 805–808 (1983).

Lepiniec L, Vidal J, Chollet R, Gadal P, Cretin C: Phosphoenolpyruvate carboxylase: structure, regulation and evolution. Plant Sci 99: 111–124 (1994).

Lepiniec L, Santi S, Keryer E, Amiet V, Vidal J, Gadal P, Cretin C: Complete nucleotide sequence of one member of the sorghum phosphatenolpyruvate carboxylase gene family. Plant Mol Biol 17: 1077–1079 (1991).

Matsuoka M, Hata S: Comparative studies of phosphoenolpyruvate carboxylase from C3 and C4 plants. Plant Physiol 85: 947–951 (1987).

Melzer E, O'Leary M: Anapleurotic fixation by phosphoenolpyruvate carboxylase in C3 plants. Plant Physiol 84: 58–60 (1987).

Möllering H: L(–) Malat. In: Bergmeyer HU (ed) Methoden der Enzymatischen Analyse, vol 2, pp. 1636–1693. Verlag Chemie, Weinheim, Germany (1984).

Murray MG, Thompson WF: Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. Nucl Acids Res 8: 4321–4325 (1980).

Pathirana SM, Vance CP, Miller SS, Gantt JS: Alfalfa nodule phosphoenolpyruvate carboxylase: characterization of the cDNA and expression in effective and plant controlled ineffective nodules. Plant Mol Biol 20: 437–450 (1992).

Poetsch W, Herman J, Westhoff P: Multiple cDNAs of phosphoenolpyruvate carboxylase in the C4 dicot Flaveria trinervia. FEBS Lett 282: 133–176 (1992).

Osmond CB, Holtum JAM: Crassulacean acid metabolism. Biochem Plant 8: 283–328 (1981).

Veres G, Gibbs RA, Scherer SE, Caskey CT: The molecular basis of the sparse fur mouse mutation. Science 237: 415–417 (1987).

Vinson B: Crassulacean Säurestofwechsel bei epiphytischen und epilithischen Orchideen Madagaskars: Untersuchungen auf ökophysiologischer und biochemischer Ebene. Dissertation (1995).

Winter K, Smith APC (eds) Crassulacean Acid Metabolism. Biochemistry, Ecophysiology and Evolution. Springer-Verlag, Heidelberg (1995).