Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
PAD4, LSD1 và EDS1 điều chỉnh khả năng chịu hạn, sản xuất sinh khối thực vật và tính chất của thành tế bào
Tóm tắt
Các giống Arabidopsis và cây bạch dương mang gen PAD4, LSD1 và EDS1 đã cho thấy sự phát triển thành công dưới căng thẳng hạn hán. Những chiến lược thích nghi này phụ thuộc vào việc kiểm soát phân chia tế bào / chết tế bào và sự thay đổi thành phần thành tế bào. Việc gia tăng khả năng chịu đựng của cây trước các tác động môi trường sẽ mở ra nhiều cơ hội cho việc trồng cây thành công ở những khu vực trước đây được cho là không phù hợp, chẳng hạn như ở những khu vực có tưới nước kém. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thực hiện phân tích chức năng của các protein do các gen DEFICIENT PHYTOALEXIN 4 (PAD4), DISEASE SIMULATING LESION 1 (LSD1) và SUSCEPTIBILITY DISEASE ENHANCED 1 (EDS1) mã hóa để giải thích vai trò của chúng trong khả năng chịu hạn và sản xuất sinh khối ở hai loài khác nhau: Arabidopsis thaliana và Populus tremula × tremuloides. Các đột biến Arabidopsis pad4-5, lsd1-1, eds1-1 và các dòng cây bạch dương chuyển gen PAD4-RNAi, LSD1-RNAi và ESD1-RNAi đã được kiểm tra dựa trên các tham số hình thái và sinh lý khác nhau. Các thí nghiệm của chúng tôi đã chứng minh rằng PAD4, LSD1 và EDS1 ở Arabidopsis đóng một vai trò quan trọng trong sự sống sót dưới căng thẳng hạn hán và điều chỉnh sự phát triển sinh dưỡng và sinh sản của cây. Sản xuất sinh khối và các chiến lược thích nghi ở cây bạch dương cũng được phối hợp qua một hệ thống di truyền của PAD4 và LSD1, điều chỉnh quy trình phân chia tế bào và chết tế bào. Hơn nữa, tỷ lệ phân chia tế bào / phân hóa tế bào được cải thiện và các tính chất vật lý thay đổi của gỗ bạch dương là kết quả của các thay đổi phụ thuộc vào PAD4 và LSD1 trong cấu trúc và thành phần thành tế bào. Các kết quả của chúng tôi cho thấy rằng PAD4, LSD1 và EDS1 cấu thành một trung tâm phân tử, tích hợp các phản ứng của cây với căng thẳng nước, sản xuất sinh khối sinh dưỡng và phát triển sinh sản. Mục tiêu ứng dụng của nghiên cứu của chúng tôi là tạo ra các cây chuyển gen với cơ chế điều tiết nhận diện tín hiệu stress nhằm tối ưu hóa sự phát triển của cây trồng và sản xuất sinh khối trong các điều kiện đồng ruộng có căng thẳng trung bình.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Abràmoff MD, Magalhães PJ, Ram SJ (2004) Image processing with ImageJ. Biophotonics Int 11:36–42
Attia Z, Domec JC, Oren R, Way DA, Moshelion M (2015) Growth and physiological responses of isohydric and anisohydric poplars to drought. J Exp Bot. doi:10.1093/jxb/erv195
Brebu M, Vasile C (2010) Thermal degradation of lignin: a review. Cellulose Chem Technol 44(9):353–363
Chai T, Zhou J, Liu J, Xing D (2015) LSD1 and HY5 antagonistically regulate red light induced-programmed cell death in Arabidopsis. Front Plant Sci. doi:10.3389/fpls.2015.00292
Ding SY, Liu YS, Zeng Y, Himmel ME, Baker JO, Bayer EA (2012) How does plant cell wall nanoscale architecture correlate with enzymatic digestibility? Science 338:1055–1060
Eccleston CH, March F (2010) Global environmental policy: concepts, principles, and practice. CRC Press, Boca Raton
Fernandes AN, Thomas LH, Altaner CM, Callow P, Forsyth VT, Apperley DC, Kennedy CJ, Jarvish MC (2011) Nanostructure of cellulose microfibrils in spruce wood. Proc Natl Acad Sci USA 47:1195–1203
Feys BJ, Moisan LJ, Newman MA, Parker JE (2001) Direct interaction between the Arabidopsis disease resistance signaling proteins, EDS1 and PAD4. EMBO J 20:5400–5411
Hebda M, Laska M, Szechyńska-Hebda M (2013) Application of a device used for observation of controlled thermal processes in a furnace. J Thermal Anal Calorim 114:1099–1109
Huang X, Li Y, Zhang X, ZuoJ Yang S (2010) The Arabidopsis LSD1 gene plays an important role in the regulation of low temperature-dependent cell death. New Phytol 187:301–312
Jirage D, Tootle TL, Reuber TL, Frost LN, Feys BJ, Parker JE, Ausubel FM, Glazebrook J (1999) Arabidopsis thaliana PAD4 encodes a lipase-like gene that is important for salicylic acid signaling. Proc Natl Acad Sci USA 23:13583–13588
Jones B, Wang J, Sandberg G (2008) Methods of increasing plant growth. WO 2008125983 A2, PCT/IB2008/001482
Karimi M, Inze D, Depicker A (2002) Gateway vectors for Agrobacterium-mediated plant transformation. Trends Plant Sci 7(5):193–195
Karpiński S, Szechyńska-Hebda M (2010) Secret life of plants: from memory to intelligence. Plant Signal Behavior 5:1391–1394
Karpiński S, Szechyńska-Hebda M (2012) Cellular light memory, photo-electrochemical and redox retrograde signaling in plants. JBCBB, Biotechnol 93:27–39
Karpiński S, Szechyńska-Hebda M, Wituszyńska W, Burdiak P (2013) Light acclimation, retrograde signalling, cell death and immune defences in plants. Plant, Cell Environ 36:736–744
Li X, Bonawitz ND, Weng JK, Chapple C (2010) The growth reduction associated with repressed lignin biosynthesis in Arabidopsis thaliana is independent of flavonoids C. Plant Cell 22:1620–1632
Liang YK, Xie X, Lindsay SE, Wang YB, Masle J, Williamson L, Leyser O, Hetherington AM (2010) Cell wall composition contributes to the control of transpiration efficiency in Arabidopsis thaliana. Plant J 64(4):679–686
Mateo A, Muhlenbock P, Rusterucci C, Chi-Chen C, Miszalski Z, Karpiński B, Parker JE, Mullineaux PM, Karpiński S (2004) The LESION SIMULATING DISEASE 1 (LSD1) gene is required for acclimation to conditions that promote excess excitation energy. Plant Physiol 136:2818–2830
Mühlenbock P, Plaszczyca M, Mellerowicz E, Karpiński S (2007) Lysigenous aerenchyma formation in Arabidopsis is controlled by lesion simulating disease1. Plant Cell 19:3819–3830
Mühlenbock P, Szechyńska-Hebda M, Plaszczyca M, Baudo M, Mullineaux PM, Parker JE, Karpińska B, Karpiński S (2008) Chloroplast signaling and lesion simulating disease1 regulate crosstalk between light acclimation and immunity in Arabidopsis. Plant Cell 20:2339–2356
Mullineaux P, Karpiński S (2002) Signal transduction in response to excess light: getting out of the chloroplast. Curr Opin Plant Biol 5:43–48
Nilsson O, Alden T, Sitbon F, Little CA, Chalupa V, Sandberg G, Olsson O (1992) Spatial pattern of cauliflower mosaic virus 35S promoter-luciferase expression in transgenic hybrid aspen trees monitored by enzymatic assay and non-destructive imaging. Transgenic Res 1:209–220
Park YB, Cosgrove DJ (2011) Changes in cell wall biomechanical properties in the xyloglucan-deficient xxt1/xxt2 mutant of Arabidopsis. Plant Physiol 158:465–475
Risopatron JPM, Sun Y, Jones BJ (2010) The vascular cambium: molecular control of cellular structure. Protoplasma 247(3–4):145–161
Rivas-San Vicente M, Plasencia J (2011) Salicylic acid beyond defence: its role in plant growth and development. J Exp Bot 62(10):3321–3338
Rustérucci C, Aviv DH, Holt BF, Dangl JL, Parker JE (2001) The disease resistance signaling components EDS1 and PAD4 are essential regulators of the cell death pathway controlled by LSD1 in Arabidopsis. Plant Cell 13:2211–2224
Ślesak I, Szechyńska-Hebda M, Fedak H, Sidoruk N, Dabrowska-Bronk J, Witoń D, Rusaczonek A, Antczak A, Drożdżek M, Karpińska B, Karpiński S (2014) Phytoalexin deficient 4 affects reactive oxygen species metabolism, cell wall and wood properties in hybrid aspen (Populus tremula L. × tremuloides). Plant Cell. doi:10.1111/pce.12388
Straus MR, Rietz S, Loren Ver, van Themaat E, Bartsch M, Parker JE (2010) Salicylic acid antagonism of EDS1-driven cell death is important for immune and oxidative stress responses in Arabidopsis. Plant J. 4:628–640
Szechyńska-Hebda M, Kruk J, Gorecka M, Karpiński B, Karpiński S (2010) Evidence for light wavelength-specific photoelectrophysiological signaling and memory of excess light episodes in Arabidopsis. Plant Cell 22:2201–2218
Szechyńska-Hebda M, Skrzypek E, Dąbrowska G, Wędzony M, van Lammeren A (2012) The effect of endogenous hydrogen peroxide induced by cold treatment in the improvement of tissue regeneration efficiency. Acta Physiol Plant 34:547–560
Szechyńska-Hebda M, Hebda M, Mierzwiński D, Kuczyńska P, Mirek M, Wędzony M, van Lammeren A, Karpiński S (2013) Effect of cold-induced changes in physical and chemical leaf properties on the resistance of winter triticale (xTriticosecale) to the fungal pathogen Microdochium nivale. Plant Pathol 62:867–878
Trenberth KE (2011) Changes in precipitation with climate change. Clim Res 47:123–138
Wituszyńska W, Karpiński S (2014) Determination of water use efficiency for Arabidopsis thaliana. Protocol in http://www.bio-protocol.org
Wituszyńska W, Gałązka K, Rusaczonek A, Vanderauwera S, Van Breusegem F, Karpiński S (2013a) Multivariable environmental conditions promote photosynthetic adaptation potential in Arabidopsis thaliana. J Plant Physiol 170:548–559
Wituszyńska W, Slesak I, Vanderauwera S, Szechynska-Hebda M, Kornas A, Van Der Kelen K, Muhlenbock P, Karpiński B, Mackowski S, Van Breusegem F, Karpiński S (2013b) Lesion simulating disease 1, enhanced disease susceptibility 1, and phytoalexin deficient 4 conditionally regulate cellular signaling homeostasis, photosynthesis, water use efficiency, and seed yield in Arabidopsis. Plant Physiol 161:1795–1805
Wituszyńska W, Szechyńska-Hebda M, Sobczak M, Rusaczonek A, Kozłowska-Makulska A, Witoń D, Karpiński S (2015) Lesion simulating disease 1 and enhanced disease susceptibility 1 differentially regulate UV-C induced photooxidative stress signalling and programmed cell death in Arabidopsis thaliana. Plant, Cell Environ 38:315–330
Zhou N, Tootle TL, Tsui F, Klessig DF, Glazebrook J (1998) PAD4 functions upstream from salicylic acid to control defense responses in Arabidopsis. Plant Cell 10:1021–1030