Ảnh hưởng của sự biểu hiện quá mức của các bản sao thay thế đúng và sai của gen kinase phụ thuộc canxi CPK9 và CPK3a đối với sự phát triển, khả năng chịu stress và hàm lượng resveratrol trong các văn hóa tế bào Vitis amurensis

Springer Science and Business Media LLC - Tập 38 - Trang 1-11 - 2016
A. S. Dubrovina1, O. A. Aleynova1, K. V. Kiselev1,2
1Laboratory of Biotechnology, Institute of Biology and Soil Science, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, Vladivostok, Russia
2Department of Biochemistry and Microbiology, The School of Natural Sciences, Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia

Tóm tắt

Các kinase phụ thuộc vào canxi (CDPKs hoặc CPKs) là những cảm biến Ca2+ quan trọng trong thực vật, liên quan đến phản ứng của thực vật đối với các yếu tố stress vô sinh và hữu sinh, chẳng hạn như sự đóng khí khổng do hạn hán hoặc sản xuất stilbene do tác nhân gây bệnh. Chúng tôi đã phát hiện ra rằng gen VaCPK9 của Vitis amurensis bị xử lý sau phiên mã bất thường thông qua các vị trí cắt ghép điển hình dẫn đến việc sản xuất ba isoform mRNA mà thiếu các miền kinase xúc tác quan trọng. Chúng tôi cũng phát hiện nhiều cDNA VaCPK9 và VaCPK3a không điển hình mang các chuỗi lặp ngắn trực tiếp thay vì các vị trí cắt ghép điển hình và gợi ý rằng các cDNA này là các bản sao thay thế giả được tạo ra bởi sự chuyển đổi mẫu của lặp lại phiên mã ngược in vitro. Nghiên cứu hiện tại đã được tiến hành để xác định liệu các CDPKs dài đầy đủ và được cắt ghép có vai trò trong việc điều chỉnh sự phát triển của cây nho, tổng hợp stilbene và thích nghi với stress vô sinh hay không. Chúng tôi đã tạo ra các văn hóa callus V. amurensis chuyển gen biểu hiện quá mức các bản sao VaCPK9 và VaCPK3a thật và giả khác nhau dưới sự kiểm soát của promoter CaMV 35S. Việc biểu hiện quá mức các bản sao dài đầy đủ VaCPK9 và VaCPK3a chỉ làm tăng nhẹ sự tích lũy sinh khối nhưng không ảnh hưởng đến khả năng chống chọi với stress vô sinh cũng như tổng hợp resveratrol (3,5,4'-trihydroxy-trans-stilbene) trong các callus. Việc biểu hiện quá mức các bản sao thay thế thật VaCPK9SF1, VaCPK9SF2, và VaCPK9SF3 đã cải thiện đáng kể sự phát triển của các callus chuyển gen, trong khi việc biểu hiện quá mức các bản sao thay thế giả VaCPK3aSF1, VaCPK3aSF2, và VaCPK3aSF3 không ảnh hưởng đáng kể đến điều này. Kết quả cho thấy rằng các gen VaCPK9 và VaCPK3a thực hiện chức năng trong việc điều chỉnh sự phát triển của V. amurensis nhưng không tham gia vào quá trình tổng hợp stilbene và khả năng chịu stress vô sinh. Việc cắt ghép thay thế của VaCPK9 có thể đóng vai trò củng cố tác động tích cực của sự biểu hiện VaCPK9 lên sự tích lũy sinh khối.

Từ khóa

#CDPK #CPK9 #CPK3a #Vitis amurensis #cAPP #resveratrol #stress vô sinh #cắt ghép thay thế

Tài liệu tham khảo

Aleynova OA, Dubrovina AS, Manyakhin AY, Karetin YA, Kiselev KV (2015) Regulation of resveratrol production in Vitis amurensis cell cultures by calcium-dependent protein kinases. Appl Biochem Biotech 175(3):1460–1476 Aleynova-Shumakova OA, Dubrovina AS, Manyakhin AY, Karetin YA, Kiselev KV (2014) VaCPK20 gene overexpression significantly increased resveratrol content and expression of stilbene synthase genes in cell cultures of Vitis amurensis Rupr. Appl Microbiol Biotechnol 98:5541–5549 Aleynova OA, Grigorchuk VP, Dubrovina AS, Rybin VG, Kiselev KV (2016) Stilbene accumulation in cell cultures of Vitis amurensis Rupr. overexpressing VaSTS1, VaSTS2, and VaSTS7 genes. Plant Cell Tissue Organ C. doi:10.1007/s11240-016-0954-0 Asano T, Tanaka N, Yang G, Hayashi N, Komatsu S (2005) Genome-wide identification of the rice calcium-dependent protein kinase and its closely related kinase gene families: comprehensive analysis of the CDPKs gene family in rice. Plant Cell Physiol 46:356–366 Carvalho RF, Feijão CV, Duque P (2013) On the physiological significance of alternative splicing events in higher plants. Protoplasma 250:639–650 Chen F, Fasoli M, Tornielli GB, Dal Santo S, Pezzotti M, Zhang L, Cai B, Cheng ZM (2013) The evolutionary history and diverse physiological roles of the grapevine calcium-dependent protein kinase gene family. PLoS One 8:e80818 Cheng SH, Willmann MR, Chen HC, Sheen J (2002) Calcium signaling through protein kinases. The Arabidopsis calcium-dependent protein kinase gene family. Plant Physiol 129:469–485 Druillennec S, Dorard C, Eychène A (2012) Alternative splicing in oncogenic kinases: from physiological functions to cancer. J Nucleic Acids 2012:639062 Dubrovina AS, Kiselev KV (2012) Effect of long-term cultivation on resveratrol accumulation in a high-producing cell culture of Vitis amurensis//. Acta Physiol Plant 34:1101–1106 Dubrovina AS, Kiselev KV, Veselova MV, Isaeva GA, Fedoreyev SA, Zhuravlev YN (2009) Enhanced resveratrol accumulation in rolB transgenic cultures of Vitis amurensis correlates with unusual changes in CDPK gene expression. J Plant Physiol 66:1194–1206 Dubrovina AS, Kiselev KV, Khristenko VS (2013a) Expression of calcium-dependent protein kinase (CDPK) genes under abiotic stress conditions in wild-growing grapevine Vitis amurensis. J Plant Physiol 170:1491–1500 Dubrovina AS, Kiselev KV, Zhuravlev YN (2013b) The role of canonical and non-canonical pre-mRNA splicing in plant stress responses. Bio Med Res Int 2013:264314 Dubrovina AS, Aleynova OA, Kiselev KV, Novikova GV (2014) True and false alternative transcripts of calcium-dependent protein kinase CPK9 and CPK3a genes in Vitis amurensis. Acta Physiol Plant 36:1727–1737 Dubrovina AS, Kiselev KV, Khristenko VS, Aleynova OA (2015) VaCPK20, a calcium-dependent protein kinase gene of wild grapevine Vitis amurensis Rupr., mediates cold and drought stress tolerance. J Plant Physiol 185:1–12 Dubrovina AS, Kiselev KV, Khristenko VS, Aleynova OA (2016) VaCPK21, a calcium-dependent protein kinase gene of wild grapevine Vitis amurensis Rupr., is involved in grape response to salt stress. Plant Cell Tissue Organ Cult 124:137–150 Filichkin SA, Priest HD, Givan SA, Shen R, Bryant DW, Fox SE, Wong WK, Mockler TC (2010) Genome-wide mapping of alternative splicing in Arabidopsis thaliana. Genome Res 20:45–58 Franz S, Ehlert B, Liese A, Kurth J, Cazalé AC, Romeis T (2011) Calcium-dependent protein kinase CPK21 functions in abiotic stress response in Arabidopsis thaliana. Mol Plant 4:83–96 Fu LW, Yu XC, An CC (2014) OsCPK20 positively regulates Arabidopsis resistance against Pseudomonas syringae pv. tomato and rice resistance against Magnaporthe grisea. Acta Physiol Plant 36:273–282 Harper JF, Huang JF, Lloyd SJ (1994) Genetic identification of an autoinhibitor in CDPK, a protein kinase with a calmodulin-like domain. Biochemistry 33:7267–7277 Harper JF, Breton G, Harmon A (2004) Decoding Ca(2+) signals through plant protein kinases. Annu Rev Plant Biol 55:263–288 Hrabak EM (2000) Calcium-dependent protein kinases and their relatives. Adv Bot Res 32:185–223 Kawasaki T, Okumura S, Kishimoto N, Shimada H, Higo K, Ichikawa N (1999) RNA maturation of the rice SPK gene may involve trans-splicing. Plant J 18:625–632 Kiselev KV, Dubrovina AS, Bulgakov VP (2009a) Phenylalanine ammonia-lyase and stilbene synthase gene expression in rolB transgenic cell cultures of Vitis amurensis. Appl Microbiol Biotechnol 82:647–655 Kiselev KV, Turlenko AV, Zhuravlev YN (2009b) CDPK gene expression in somatic embryos of Panax ginseng expressing rolC. Plant Cell Tissue Organ Cult 99:141–149 Kiselev KV, Grishchenko OV, Zhuravlev YN (2010) CDPK gene expression in salt tolerant rolB and rolC transformed cell cultures of Panax ginseng. Biol Plant 54:621–630 Kiselev KV, Dubrovina AS, Shumakova OA, Karetin YA, Manyakhin AY (2013a) Structure and expression profiling of a novel calcium-dependent protein kinase gene, CDPK3a, in leaves, stems, grapes, and cell cultures of wild-growing grapevine Vitis amurensis Rupr. Plant Cell Rep 32:431–442 Kiselev KV, Tyunin AP, Karetin YA (2013b) Influence of 5-azacytidine and salicylic acid on demethylase gene expression in cell cultures of Vitis amurensis Rupr. Acta Physiol Plant 35:1843–1851 Kiselev KV, Dubrovina AS, Tyunin AP (2015) The methylation status of plant genomic DNA influences PCR efficiency. J Plant Physiol 175:59–67 Klimecka M, Muszyńska G (2007) Structure and functions of plant calcium-dependent protein kinases. Acta Biochim Pol 54:219–233 Kobayashi M, Ohura I, Kawakita K, Yokota N, Fujiwara M, Shimamoto K, Doke N, Yoshioka H (2007) Calcium-dependent protein kinases regulate the production of reactive oxygen species by potato NADPH oxidase. Plant Cell 19:1065–1080 Köhler B, Blatt MR (2002) Protein phosphorylation activates the guard cell Ca2+channel and is a prerequisite for gating by abscisic acid. Plant J 32:185–194 Marquez Y, Brown JW, Simpson C, Barta A, Kalyna M (2012) Transcriptome survey reveals increased complexity of the alternative splicing landscape in Arabidopsis. Genome Res 22:1184–1195 Mastrangelo AM, Marone D, Laidò G, De Leonardis AM, De Vita P (2012) Alternative splicing: enhancing ability to cope with stress via transcriptome plasticity. Plant Sci 185–186:40–49 Matschi S, Werner S, Schulze WX, Legen J, Hilger HH, Romeis T (2013) Function of calcium-dependent protein kinase CPK28 of Arabidopsis thaliana in plant stem elongation and vascular development. Plant J 73:883–896 Nishiyama R, Mizuno H, Okada S, Yamaguchi T, Takenaka M, Fukuzawa H, Ohyama K (1999) Two mRNA species encoding calcium-dependent protein kinases are differentially expressed in sexual organs of Marchantia polymorpha through alternative splicing. Plant Cell Physiol 40:205–212 Ray S, Agarwal P, Arora R, Kapoor S, Tyagi AK (2007) Expression analysis of calcium-dependent protein kinase gene family during reproductive development and abiotic stress conditions in rice (Oryza sativa L. ssp. indica). Mol Genet Genomics 278:493–505 Syed NH, Kalyna M, Marquez Y, Barta A, Brown JW (2012) Alternative splicing in plants—coming of age. Trends Plant Sci 17:616–623 Tzfira T, Tian GW, Lacroix B, Vyas S, Li J, Leitner-Dagan Y, Krichevsky A, Taylor T, Vainstein A, Citovsky V (2005) pSAT vectors: a modular series of plasmids for autofluorescent protein tagging and expression of multiple genes in plants. Plant Mol Biol 57:503–516 Wang CT, Song W (2013) Calcium-dependent protein kinase gene ZmCPK12 from maize confers tolerance to drought and salt stresses in transgenic plants. Acta Physiol Plant 35:1659–1666 Yu XC, Zhu SY, Gao GF, Wang XJ, Zhao R, Zou KQ, Wang XF, Zhang XY, Wu FQ, Peng CC, Zhang DP (2007) Expression of a grape calcium-dependent protein kinase ACPK1 in Arabidopsis thaliana promotes plant growth and confers abscisic acid-hypersensitivity in germination, postgermination growth, and stomatal movement. Plant Mol Biol 64:531–538 Zhang K, Han YT, Zhao FL, Hu Y, Gao YR, Ma YF, Zheng Y, Wang YJ, Wen YQ (2015) Genome-wide identification and expression analysis of the CDPK gene family in grape, Vitis spp. BMC Plant Biol 15:164 Zuo R, Hu R, Chai G, Xu M, Qi G, Kong Y, Zhou G (2013) Genome-wide identification, classification, and expression analysis of CDPK and its closely related gene families in poplar (Populus trichocarpa). Mol Biol Rep 40(3):2645–2662