Sự quá biểu hiện của helicase PDH45 hoặc SUV3 trong lúa dẫn đến sự chậm trễ trong các sự kiện liên quan đến lão hóa lá

Protoplasma - Tập 254 - Trang 1103-1113 - 2016
Anca Macovei1,2, Ranjan K. Sahoo1, Matteo Faè2, Alma Balestrazzi2, Daniela Carbonera2, Narendra Tuteja1,3
1Plant Molecular Biology Group, International Center for Genetic Engineering and Biotechnology (ICGEB), New Delhi, India
2Department of Biology and Biotechnology “L. Spallanzani”, University of Pavia, Pavia, Italy
3Amity Institute of Microbial Technology, Amity University Uttar Pradesh, Noida, India

Tóm tắt

Quá trình lão hóa là một quá trình rất phức tạp được đặc trưng bởi một loạt các sự kiện thoái hóa được điều chỉnh một cách tinh vi, bao gồm những thay đổi về cấu trúc tế bào, chuyển hóa và biểu hiện gen. Ở động vật, một trong những dấu hiệu của lão hóa là sự rút ngắn telomere. Ở thực vật, khía cạnh này trở nên khó hiểu hơn vì sự rút ngắn telomere không phải lúc nào cũng tương quan với quá trình lão hóa. Trong một số trường hợp, không có sự khác biệt nào về độ dài telomere trong các giai đoạn phát triển của thực vật, trong khi ở những trường hợp khác có cả sự rút ngắn và kéo dài. Một số gen liên quan đến sự ổn định telomere đã được xác định ở thực vật, bao gồm một số helicase. Trong nghiên cứu này, các cây lúa IR64 biến đổi gen có khả năng chịu stress mặn, quá biểu hiện gen PDH45 (Pea DNA Helicase 45) hoặc SUV3 (Suppressor of Var1-3), được sử dụng để kiểm tra hiệu suất của chúng trong quá trình lão hóa tự nhiên ở giai đoạn ra hoa (S2) và giai đoạn chín hạt (S4). Kết quả cho thấy cả hai dòng lúa biến đổi gen PDH45 và SUV3 đều có mức độ hoại tử/tự chết tế bào giảm so với các cây loại dại. Thêm vào đó, ở những cây này, một số gen liên quan đến lão hóa (SAGs) đã bị giảm biểu hiện ở các giai đoạn S2 và S4, trong khi các gen liên quan đến duy trì ổn định genome và sửa chữa DNA lại được tăng cường biểu hiện. Đặc biệt, độ dài telomere ở các dòng quá biểu hiện SUV3 đã dài gấp 3,8 lần so với các cây loại dại. Điều này liên quan đến sự gia tăng (2,5 lần) trong mức độ transcript telomerase (OsTERT). Đây là một kết quả thú vị báo cáo về khả năng liên quan của SUV3 trong sự ổn định telomere ở thực vật.

Từ khóa

#lão hóa #telomere #helicase #lúa #PDH45 #SUV3 #ổn định genome #sửa chữa DNA

Tài liệu tham khảo

Amiard S, Charbonnel C, Allain E, Depeiges A, White CI, Gallego ME (2010) Distinct roles of the ATR kinase and the Mre11-Ras50-Nbs1 complex in the maintenance of chromosome stability in Arabidopsis. Plant Cell 22:3020–3033. doi:10.1105/tpc.110.078527 Amiard S, Da Inez O, Gallego ME, White CI (2014) Responses to telomere erosion in plants. PlosOne 9:e86220. doi:10.1371/journal.pone.0086220 Amin M, Elias SM, Hossain A, Ferdousi A, Rahman MS, Tuteja N, Seraj ZI (2012) Over-expression of a DEAD-box helicase, PDH45, confers both seedling and reproductive stage salinity tolerance to rice (Oryza sativa L.). Mol Breed 30:345–354. doi:10.1007/s11032-011-9625-3 Balestrazzi A, Donà M, Macove IA, Sabatini ME, Pagano A, Carbonera D (2015) DNA repair and telomere maintenance during seed imbibition: correlation of transcriptional patterns. Telomere Telomerase 2:e496. doi:10.14800/tt.496 Barefield C, Karlseder (2012) The BLM helicase contributes to telomere maintenance through processing of late-replication intermediate structures. Nucleic Acids Res 40(15):7358–7367. doi:10.1093/nar/gks407 Blasco MA, Lee H-W, Hande MP, Samper E, Lansdorp PM, DePinho RA, Greider CW (1997) Telomere shortening and tumor formation by mouse cells lacking telomerase RNA. Cell 91:25–34. doi:10.1016/S0092-8674(01)80006-4 Borrás L, Slafer GA, Otegui ME (2004) Seed dry weight response to source-sink manipulations in wheat, maize and soybean: a quantitative reappraisal. Field Crops Res 86:131–146 Cawthon RM (2002) Telomere measurement by quantitative PCR. Nucleic Acids Res 30(10):e47. doi:10.1093/nar/30.10.e47 Collins K (2006) The biogenesis and regulation of telomerase holoenzymes. Nat Rev Mol Cell Biol 7(7):484–494. doi:10.1038/nrm1961 Deng Y, Guo X, Ferguson DO, Chang S (2009) Multiple roles for MRE11 at uncapped telomeres. Nature 460:914–918. doi:10.1038/nature08196 Donà M, Confalonieri M, Minio A, Biggiogera M, Buttafava A, Raimondi E, Delledonne M, Ventura L, Sabatini ME, Macovei A, Giraffa G, Carbonera D, Balestrazzi A (2013) RNA-Seq analysis discloses early senescence and nucleolar dysfunction triggered by Tdp1α depletion in Medicago truncatula. J Exp Bot 64:1941–1951. doi:10.1093/jxb/ert063 Dvořáčková M, Fojtová M, Fajkus J (2015) Chromatin dynamics of plant telomeres and ribosomal genes. Plant J 83:18–37. doi:10.1111/tpj.12822 Fischer RA (2008) The importance of grain or kernel number in wheat: a reply to Sinclair and Jamieson. Filed Crops Res 105:15–21 Fitzgerald MS, McKnight TD, Shippen DE (1996) Characterization and developmental patterns of telomerase expression in plants. Proc Natl Acad Sci U S A 93(25):14422–1427 Fitzgerald MS, Riha K, Gao F, Ren S, McKnight TD, Shippen DE (1999) Disruption of the telomerase catalytic subunit gene from Arabidopsis inactivates telomerase and leads to a slow loss of telomeric DNA. Proc Natl Acad Sci U S A 96:14813–1418 Gichner T, Mukherjee A, Wagner ED, Plewa MJ (2005) Evaluation of nuclear DNA diffusion assay to detect apoptosis and necrosis. Mutat Res 586:38–46. doi:10.1016/j.mrgentox.2005.05.010 Gill SS, Tajrishi M, Madan M, Tuteja N (2013) A DESD-box heliase functions in salinity stress tolerance by improving photosynthesis and antioxidant machinery in rice (Oryza sativa L. cv. PB1). Plant Mol Biol 82:1–22. doi:10.1007/s11103-013-0031-6 Gregersen PL, Culetic A, Boschiam L, Krupinska K (2013) Plant senescence and crop productivity. Plant Mol Biol 82:603–622. doi:10.1007/s11103-013-0013-8 Hiscox JD, Israelstam GF (1979) A method for the extraction of chlorophyll from leaf tissue without maceration. Can J Bot 57:1332–1334. doi:10.1139/b79-163 Huang YJ, To KY, Yap MN, Chiang WJ, Suen DF, Chen SCG (2001) Cloning and characterization of leaf senescence up-regulated genes in sweet potato. Physiol Plant 113:384–391 Hug N, Lingner J (2006) Telomere length homeostasis. Chromosoma 115:413–425 Jing HC, Hille J, Dijkwel PP (2003) Aging in plants: conserved strategies and novel pathways. Plant Biol 5:455–464 Kakar K, Wandrey M, Czechowski T, Gaertner T, Scheible WR, Stitt M, Torres-Jerez I, Xiao Y, Redman JC, Wu H, Cheung F, Town CD, Udvardi MK (2008) A community resource for high-throughput quantitative RT-PCR analysis of transcription factor gene expression in Medicago truncatula. Plant Methods 4:18. doi:10.1186/1746-4811-4-18 Kong Z, Li M, Yang W, Xu W, Xue Y (2006) A novel nuclear-localized CCCH-type zinc finger protein, OsDOS, is involved in delaying leaf senescence in rice. Plant Physiol 141:1376–1388. doi:10.1104/pp.106.082941 Lee RH, Wang CH, Huang LT, Chen SCG (2001) Leaf senescence in rice plants: cloning and characterization of senescence up-regulated genes. J Exp Bot 52:1117–1121. doi:10.1093/jexbot/52.358.1117 Lim PO, Kim HJ, Nam HG (2007) Leaf senescence. Annu Rev Plant Biol 58:115–136. doi:10.1146/annurev.arplant.57.032905.105316 Liu X, Li Z, Jiang Z, Zhao Y, Peng J, Jin J, Guo H, Luo J (2011) LSD: a leaf senescence database. Nucleic Acids Res. doi:10.1093/nar/gkq1169 Macovei A, Garg B, Raikwar S, Balestrazzi A, Carbonera D, Buttafava A, Jiménez-Bermont JF, Gill SS, Tuteja N (2014) Synergistic exposure of rice seeds to different doses of γ-ray and salinity stress resulted in increased antioxidant enzyme activities and gene-specific modulation of TC-NER pathway.. doi:10.1155/2014/676934 Malecki M, Jedrzejczak R, Stepien PP, Golik P (2007) In vitro reconstitution and characterization of the yeast mitochondrial degradosome complex unravels tight functional interdependence. J Mol Biol 372:23–36. doi:10.1016/j.jmb.2007.06.074 Maser RS, DePinho RA (2002) Connecting chromosomes, crisis, and cancer. Science 297:565–569 Mendez-Bermudez A, Hidalgo-Bravo A, Cotton VE, Gravani A, Jeyapalan JN, Royle NJ (2012) The roles of WRN and BLM RecQ helicases in the alternative lengthening of telomeres. Nucleic Acids Res 40:10809–10820. doi:10.1093/nar/gks862 Murray MG, Thompson WF (1980) Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. Nucleic Acids Res 8:4321–4325. doi:10.1093/nar/8.19.4321 O’Brien IEW, Baguley BC, Murray BG, Morris BA, Ferguson IB (1998) Early stages of the apoptotic pathway in plant cells are reversible. Plant J 13:803–814 Pfaffl MW, Horgan GW, Dempfle L (2002) Relative expression software tool (REST) for group-wise comparison and statistical analysis of relative expression results in real-time PCR. Nucl Acid Res 9:336. doi:10.1093/nar/30.9.e36 Pham XH, Reddy MK, Ehtesham NZ, Matta B, Tuteja N (2000) A DNA helicase from Pisum sativum is homologous to translation initiation factor and stimulates topoisomerase I activity. Plant J 24:219–229. doi:10.1046/j.1365-313x.2000.00869.x Reape TJ, Molony EM, McCabe PF (2008) Programmed cell death in plants: distinguishing between different models. J Exp Bot 58:435–444. doi:10.1093/jxb/erm258 Riha K, Fajkus J, Siroky J, Vyskot B (1998) Developmental control of telomere lengths and telomerase activity in plants. Plant Cell 10:1691–1698. doi:10.1105/tpc.10.10.1691 Riha K, McKnight TD, Griffing LR, Shippen DE (2001) Living with genome instability: plant responses to telomere dysfunction. Science 291:1797–1800. doi:10.1126/science.1057110 Sahoo RK, Gill SS, Tuteja N (2012) Pea DNA helicase 45 promotes salinity stress tolerance in IR64 rice with improved yield. Plant Sign Behav 7:1–5. doi:10.4161/psb.20915 Simeonova E, Sikora A, Charzynska M, Mostowaska A (2000) Aspects of programmed cell death during leaf senescence of mono- and dicotyledonous plants. Protoplasma 214:93–101 Singh NP, Muller CH, Berger RE (2003) Effects of age on DNA double-strand breaks and apoptosis in human sperm. Fertil Steril 80:1420–1430. doi:10.1016/j.fertnstert.2003.04.002 Song H, Liu D, Li F, Lu H (2011) Season- and age-associated telomerase activity in Ginkgo biloba L. Mol Biol Rep 38:1799–1805. doi:10.1007/s11033-010-0295-8 Szczesny RJ, Borowski LS, Brzezniak LK, Dmochowska A, Gewartowski K, Bartnik E, Stepien PP (2010) Human mitochondrial RNA turnover caught in flagrant: involvement of hSuv3p helicase in RNA surveillance. Nucleic Acids Res 38:279–298. doi:10.1093/nar/gkp903 Tuteja N (2003) Plant DNA helicases: the long unwinding road. J Exp Bot 54:2201–2214. doi:10.1093/jxb/erg246 Tuteja N, Sahoo RK, Garg B, Tuteja R (2013) OsSUV3 dual helicase functions in salinity stress tolerance by maintaining photosynthesis and antioxidant machinery in rice (Oryza sativa L. cv. IR64). Plant J 76:115–127. doi:10.1111/tpj.12277 Van Doorn WG (2011) Classes of programmed cell death in plants, compared to those in animals. J Exp Bot 62:4749–4761. doi:10.1093/jxb/err196 Waterworth WM, Drury GE, Bray CM, West CE (2011) Repairing breaks in the plant genome: the importance of keeping it together. New Phytol 192:805–822. doi:10.1111/j.1469-8137.2011.03926.x Watson MJ, Riha K (2010) Comparative biology of telomeres: where plants stand. FEBS Lett 584:3752–3759. doi:10.1016/j.febslet.2010.06.017 Zellinger B, Riha K (2007) Composition of plant telomeres. Biochem Biophys Act 1769:399–409. doi:10.1016/j.bbaexp.2007.02.001