загальні

  • Предмети
  • Резюме
  • Вступ
  • s- локус в Brassica Y Арабідопсис
  • Позитивні регулятори в сигнальному шляху самонесумісності в Brassica
  • Інші srk-взаємодії в Brassica
  • Сигнальний шлях самосумісності в Росії Арабідопсис
  • Перспективи

Предмети

Резюме

Вступ

Вищі рослини мають механізм самосумісності, щоб запобігти самозалежуванню та полегшити схрещування. Вважається, що самосумісність сприяє підтримці генетичного різноманіття та запобіганню інбридинговій депресії. Система самосумісності Brassicaceae добре вивчена. Специфічність розпізнавання цієї системи самосумісності визначається диплоїдним генотипом материнської рослини. При самозапиленні пригнічується проростання пилку та проникнення пилкової трубки в клітинну стінку рильцевих папілярних клітин.

Arabidopsis thaliana, яка є зразковою рослиною, що належить до сімейства Brassicaceae, не використовувалася для вивчення механізму самосумісності, оскільки A. thaliana є самосумісним видом через відсутність функціональних SRK та/або SCR. 16, 17, 18, 19, 20, 21 Однак трансформація з функціональними генами SRK-SCR від самосумісних Arabidopsis та близькоспоріднених видів, таких як Arabidopsis lyrata, Arabidopsis halleri та Capsella gradiflora, надає фенотип несумісності A. thaliana, 20, 22, 23, 24, 25, 26, що вказує на те, що A. thaliana має молекулярні компоненти, необхідні для сигналізації про самонесумісність, і може використовуватися для досліджень самонесумісності механізму Brassicaceae.

Родина рослини Brassicaceae містить 338 родів і 3709 видів, 308 з 338 родів віднесено до 44 племен. 27, 28 Ці племена згруповані у три великі родини. 29, 30, 31, 32 Arabidopsis і Brassica належать до лінії I та II відповідно 33, і ці два роди розділилися приблизно 15 мільйонів років тому. Дублювання або триплікація цілого геному відбувалися лише у родини Brassica, але не у Arabidopsis з моменту їх відокремлення. Ці спостереження дозволяють припустити, що Brassica та Arabidopsis мали б різний генетичний фон, хоча обидві самонесумісні рослини цих двох родів мають гени SRK та SCR, щоб визнати специфіку самосумісності. У цьому міні-огляді ми описуємо молекулярні компоненти, які функціонують в опосередкованій SRK сигналізації про самонесумісність у Brassica, та в результатах оцінки рослин цих молекулярних компонентів, виявлених за допомогою несумісного трансгенного A. thaliana. Ми також обговорюємо загальні та різні аспекти самосумісності між Брассікою та Арабідопсисом. .

Локус у Брассіці та Арабідопсисі

Хоча введення генів Arabidopsis SRK-SCR надає реакцію самонесумісності на A. thaliana, 20, 22, 23, 24, 25, 26, побудова самонесумісних трансгенних рослин A. thaliana шляхом введення Brassica SRK- Пара генів SCR не мала успіху. 34 Одним з можливих пояснень цієї помилки є те, що Brassica SRK та/або SCR занадто диференційовані, щоб функціонувати в Arabidopsis .

Молекулярно-генетичні дослідження з'ясували цікаву різницю в S локусних регіонах між Brassica та Arabidopsis. У Brassica, як правило, у локусі S. знаходяться три гени. На додаток до генів SRK та SCR, у локусі S знаходиться ген глікопротеїну S-локусу (SLG). Ген SLG кодує розчинний у стигмі глікопротеїн, що демонструє подібність до S-домену SRK. Як і SRK, SLG є високополіморфним білком серед гаплотипів S. Роль SLG у самосумісності залишається незрозумілою. Оскільки у деяких гаплотипів S бракує функціонального гена SLG у локусі S, 35 ген SLG не вважається важливим компонентом самосумісності у Brassica. Встановлено, що домен SRK S самосумісного мутанта Brassica rapa S-54 є на 100% ідентичним гену S-54 SLG, 36 що свідчить про те, що конверсія гена відбулася між доменом SRK S та SLG, хоча цей ген перетворення спричинив втрата функції SRK. Це спостереження вказує на можливу роль SLG у самосумісності, а саме на те, що ген SLG сприяє виробленню нового алелю SRK шляхом конверсії генів.

Ген SLG не виявлено в локусі S жодного з гаплотипів A. lyrata S. Замість гена SLG ген ARK3, який тісно пов'язаний з геном SRK і містить S-домен, трансмембранний домен і домен кінази виявляється в S локусі A. lyrata. Позитивний відбір зазнав впливу на ген ARK3, а також SRK та SCR. 37 Крім того, було виявлено перетворення генів між SRK та ARK3, як це спостерігалося в локусі Brassica S. Це перетворення генів відбувалося в області домену кінази, 37 і, можливо, функціонувало для сприяння еволюції SRK для отримання нової специфічності субстрату.

Позитивні регулятори в сигнальному шляху самонесумісності в Брассіці

Використовуючи дріжджовий двогібридний підхід з доменом кінази SRK в якості приманки, білок, що містить повторне плече (ARC1), був визначений як позитивний регулятор опосередкованого SRK каскаду сигналів. 41 ARC1 - це рослинна U-Box E3 убиквитинова лігаза, яка функціонує як зв’язує убиквітин з білками-мішенями. ARC1 переважно експресується на клеймі, а ARC1 фосфорилюється SRK та MLPK in vitro. 41,42 ARC1 спостерігали як у цитозолі, так і в ядрах, коли експресувались у клітинах тютюну BY-2, і переміщувались до локалізованих у ER протеасом, коли ARC1 та SRK 910 коекспресувались. 42, 43 Виявлено, що делеція гена ARC1 у самонесумісній лінії B. napus 'W1' призводить до часткового колапсу фенотипу самонесумісності 44, припускаючи, що ген ARC1 необхідний для самонесумісності Brassica .

Подальший аналіз з використанням двогібридних аналізів дріжджів з ARC1 як приманкою виявив Exo70A1 як взаємодіючий елемент з ARC1. Exo70A1 був убіквітинований ARC1 in vitro. 45 Exo70A1 є субодиницею комплексу екзоцист, і мутація ортологічного гена A. thaliana впливала на фертильність. 45, 46 Нокдаун EXO70A1 RNAi у стигмі самосумісного B. napus 'Westar' показав зменшену кількість пилкових зерен на поверхні рильця після запилення, 45 і, навпаки, експресія Exo70A1 промотором SLR1, який є специфічним стигматичним промотором, 47 у самонесумісній лінії B. napus 'W1' частково подолав самосумісність. Крім того, спільна експресія генів SRK та ARC1 спричинила перерозподіл Exo70A1 з цитозолю до ER-асоційованих протеасом у клітинах тютюну BY-2. 45 У сучасній моделі активований SRK (і MLPK) фосфорилює ARC1, а потім убиквітин фосфорилює ARC1 Exo70A1 для опосередкованої протеасомою деградації, що призводить до гальмування проростання пилку в самозапилюваних рильцях самонесумісних рослин Brassica (Рисунок 1).

Сучасна модель каскаду сигналізації про самосумісність у Брассіці .

Повнорозмірне зображення

Інші srk-взаємодії в Брассіці

Використовуючи дріжджовий двогібридний екран із доменом кінази SRK як приманки, тіоредоксин H-подібні білки (THL1 та THL2) були визначені як SRK-взаємодії. Взаємодія 48 THL1/2-SRK була опосередкована залишком цистеїну в трансмембранному домені білка SRK. 49 Аналіз in vitro показав, що додавання рекомбінантних білків THL1/2 пригнічує активність автофосфорилювання SRK, і що це пригнічення пригнічується фракцією пилкового шару того самого гаплотипу S. 50 Придушення експресії гена THL1/2 у самосумісний B. napus 'Westar', який має функціональний SRK, ідентичний B. oleracea SRK 15, 51, виявив спонтанне пригнічення проростання пилку та подовження пилкових труб. 51 Ці результати дозволяють припустити, що білки THL1/2 функціонують як інгібітори опосередкованої SRK передачі сигналів у рослин Brassica .

На додаток до білків ARC1 та THL1/2, агентами, що взаємодіють з SRK, були визначені асоційована з кіназою білкова фосфатаза (KAPP), класифікація нексину 1 та кальмодулін. 52 Експерименти з двома дріжджовими гібридами показали, що KAPP взаємодіє з доменом кінази SRK. 52 Експерименти in vitro показали, що SRK фосфорилював KAPP та KAPP дефосфорилював SRK, 52 припускаючи, що KAPP може функціонувати в послабленні сигналізації SRK. Кальмодулін був ідентифікований за допомогою двогібридного аналізу дріжджів з домом кінази мертвого мутанта кінази SRK як приманки та взаємодіяв із SRK залежно від Ca2 +. 52 Встановлено також, що класифікація нексину 1 взаємодіє з мутантами, убитими кіназою. 52 Однак потреба та роль цих білків у самосумісності залишаються незрозумілими.

Сигнальний шлях самонесумісності в Арабідопсисі

Хоча A. thaliana є самосумісною рослиною, самосумісні трансгенні рослини A. thaliana були успішно сконструйовані шляхом впровадження в гени SRK-SCR з близькоспоріднених видів, таких як A. lyrata, A. halleri та C. gradiflora. A. thaliana. 20, 22, 23, 24, 25, 26 Ці результати вказують на те, що A. thaliana має всі молекулярні компоненти, необхідні для сигналізації про несумісність, крім SRK та/або SCR. Завдяки високоефективному та простому протоколу трансформації A. thaliana та багатьом генетичним ресурсам, трансгенні рослини A. thaliana дозволяють оцінювати молекулярні компоненти в механізмі самосумісності, визначені у рослин Brassica, у рослині. .

Ген A. thaliana APK1b (At2g28930) виявляє найбільшу схожість з геном B. rapa MLPK. Як і ген MLPK, APK1b продукував дві транскрипти з двох різних місць ініціації. 39, 53 Крім того, хромосомна область B. rapa, що містить MLPK, демонструє найвищий синтез з хромосомною областю A. thaliana, що містить APK1b. 53 Трансгенна SRKb-SCRb A. thaliana, яка несе мутацію вставки Т-ДНК в APK1b (SALK_055314), що є нульовою мутацією, 39, 54, показала реакцію самонесумісності на саму пилок, вказуючи на те, що мутація apk1b не впливала реакція аутонесумісності у трансгенних рослин SRKb-SCRb A. thaliana. 53 Нещодавно повідомлялося, що мутація apk1b у A. thaliana впливає на провідність устьиц. 55 Ці звіти свідчать про те, що APK1b не працює на сигналізації про несумісність, а навпаки, працює на іншому каскаді сигналів.

Геном B. rapa містить три передбачувані ортологічні гени з A. thaliana APK1b, тобто MLPK (Bra000478), Bra035659 та Bra040929, завдяки додатковому потроенню геному у видів Brassica. Хоча геномна область B. rapa, що містить ген MLPK, виявляє найбільшу схожість із областю, що містить APK1b, аналіз синтезу, використовуючи в якості запиту геномну область A. thaliana, що містить APK1b, показав, що геномна область Brassica, що містить Bra035659, має найвищий синтез серед три геноміки. Регіони Brassica, що вказує на те, що Bra035659 є ортологічним геном APK1b, а A. thaliana не містить ортологічного гена Brassica MLPK. Ці спостереження можуть припустити, що, якщо MLPK потрібен для сигналізації про самонесумісність у рослин Brassica, ген MLPK мав би виглядати як позитивний регулятор сигналізації про несумісність після диференціації видів між Brassica та Arabidopsis. .

Дослідження геному A. thaliana показало, що A. thaliana не має ортологічного гена для гена Brassica ARC1. 53, 56 На відміну від A. thaliana, A. lyrata, який є самосумісним видом Arabidopsis, має ортолог ARC1. 56 Повідомляється, що падіння гена ARC1 у рильцях A. lyrata спричиняє частковий колапс реакції самонесумісності. 56 Крім того, було встановлено, що гени ARC1 A. lyrata та ARC1 B. rapa надають сильний фенотип аутосумісності трансгенному A. thaliana Col-0 SRKb-SCRb, який показує тимчасовий фенотип аутосумісності, що свідчить про те, що ARC1 відіграє важливу роль важливу роль у сигналізації самосумісності арабідопсису. Однак трансгенні рослини A. thaliana C24 SRKb-SCRb демонструють сильну реакцію самонесумісності, хоча ген ARC1 не зустрічається ні в геномі A. thaliana C24, ні в геномі A. thaliana Col-0. 56

Перспективи

Після ідентифікації гена SRK у Brassica, подальше дослідження представило декількох кандидатів як можливі компоненти сигналізації про самостійну несумісність у Brassica. Результати експериментальних досліджень in vitro дали цікаву модель самосумісного каскаду сигналів у Брассіці (рис. 1). Однак через складність трансформації та зміни націленості генів у самонесумісних рослин Brassica модель, побудована для самонесумісності, не була підтверджена експериментами на рослинах із використанням інактивованих генів самонесумісних рослин-мутантів.

Оскільки метод генного націлювання на немодельні організми, включаючи Brassica, не розроблений, було важко дослідити потребу та роль визначених кандидатів у механізмі самосумісності в Brassica. Однак нещодавно були розроблені нові методи редагування геному, такі як TALEN та CRISPR/Cas, 60. Розвиток цих методів повинен дозволити нам побудувати немодельні самосумісні рослинні нульові мутанти для вивчення впливу генів-кандидатів на сигналізацію про самонесумісність. У свою чергу, молекулярні компоненти, які функціонують у сигналізації самосумісності Arabidopsis, не виявлені. Тому також необхідна ідентифікація молекулярних компонентів при самосумісності арабідопсису. На закінчення, при оцінці рослинами генів-кандидатів у сигналізації самонесумісності Brassica та ідентифікації молекулярних компонентів сигналізації самонесумісності Arabidopsis це сприяє пізнанню не тільки молекулярного механізму самосумісності, але й еволюційні аспекти механізму самосумісності у Brassicaceae.