A New 5'-UTR  LcyE  allele Correlates with Increased Expression of the Lycopine-ε-Cyclase Gene Determining the Flow of the β-ε Branch of the Carotenoid Biosynthesis Pathway in Maize

D. H. Arkhestova; Архестова Д. Х.; G. I. Efremov; Ефремов Г. И.; S. P. Appaev; Аппаев С. П.; E. Z. Kochieva; Кочиева Е. З.; A. V. Shchennikova; Щенникова А. В.

doi:10.31857/S0016675823030025

Новый аллель 5'-UTR LcyE коррелирует с повышенной экспрессией гена ликопин-ε-циклазы, определяющей поток ветви β-ε пути биосинтеза каротиноидов у кукурузы

Авторы: Архестова Д.Х.¹^,2, Ефремов Г.И.¹, Аппаев С.П.², Кочиева Е.З.¹, Щенникова А.В.¹
Учреждения:
1. Институт биоинженерии, Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” Российской академии наук
2. Институт сельского хозяйства – филиал Кабардино-Балкарского научного центра Российской академии наук
Выпуск: Том 59, № 4 (2023)
Страницы: 417-424
Раздел: ГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙ
URL: https://journal-vniispk.ru/0016-6758/article/view/134576
DOI: https://doi.org/10.31857/S0016675823030025
EDN: https://elibrary.ru/INSQAK
ID: 134576

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Окраска зерна кукурузы Zea mays L. определяется содержанием и составом каротиноидов, в том числе провитамина А, являющегося продуктом ветвей β-β (β-каротин, β-криптоксантин) и β-ɛ (α-каротин) каротиногенеза. Соотношение потоков ветвей зависит от активности ликопин-ɛ-циклазы LcyE, определяющей ветвь β-ɛ. В данной работе проведен анализ аллельных вариантов гена LcyE, потенциально эффективных для повышения биосинтеза β-каротина, у 20 инбредных линий кукурузы отечественной селекции, различающихся окраской зерна. Амплифицированы и секвенированы участки 5'-UTR гена LcyE. Анализ фрагментов показал присутствие аллеля “2” у четырех линий и нового аллеля “5” у 16 линий. Охарактеризован полиморфизм нового аллеля “5” – четыре мононуклеотидных полиморфизма и две делеции. Проведенное сравнение цис-регуляторных элементов в анализируемой области 5'-UTR аллелей “2” и “5” обнаружило различие в сайтах связывания с транскрипционными факторами. Экспрессия гена LcyE определена в листьях двух линий с аллелем “2” и трех – с аллелем “5”. Показана прямая зависимость между присутствием аллеля “5” и снижением экспрессии гена: уровень транскрипции гена в случае аллеля “2” в 10–15 раз выше, чем в случае аллеля “5”. Предполагаем, что наличие в геноме кукурузы аллеля “5” гена LcyE коррелирует со снижением или подавлением экспрессии данного гена и, при стабильной активности других ферментов каротиногенеза, с окраской зерна. Использование доноров аллеля “5” в комбинации с известной темно-желтой или оранжевой окраской зерна может быть использовано в селекции кукурузы с повышенным синтезом провитамина А в зерне.

Ключевые слова

Zea mays L., инбредные линии кукурузы, биосинтез каротиноидов, провитамин A, ликопин-ε-циклаза, экспрессия гена, 5'-UTR-полиморфизм.

Список литературы

Harjes C.E., Rocheford T.R., Bai L. et al. Natural genetic variation in lycopene epsilon cyclase tapped for maize biofortification // Science. 2008. V. 319. P. 330–333. https://doi.org/10.1126/science.1150255
Kurilich A.C., Juvik J.A. Quantification of carotenoid and tocopherol antioxidants in Zea mays // J. Agric. Food Chem. 1999. V. 47. P. 1948–1955. https://doi.org/10.1021/jf981029d
O’Hare T.J., Martin I., Fanning K.J. et al. Sweetcorn colour change and consumer perception associated with increasing zeaxanthin for the amelioration of age-related macular degeneration // Acta Horticulturae. 2014. V. 1040. P. 221–226. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2014.1040.30
Yadav O.P., Hossain F., Karjagi C.G. et al. Genetic improvement of maize in India: Retrospect and prospects // Agric. Res. 2015. V. 4. № 4. P. 325–338. https://doi.org/10.1007/s40003-015-0180-8
Zunjare R.U., Chhabra R., Hossain F. et al. Molecular characterization of 5'-UTR of the lycopene epsilon cyclase (lcyE) gene among exotic and indigenous inbreds for its utilization in maize biofortification // 3 Biotech. 2018. V. 8. № 1. Р. 75. https://doi.org/10.1007/s13205-018-1100-y
Cunningham F.X., Jr., Pogson B., Sun Z. et al. Functional analysis of the β and ε lycopene cyclase enzymes of Arabidopsis reveals a mechanism for control of cyclic carotenoid formation // Plant Cell. 1996. V. 8. P. 1613–1626. https://doi.org/10.1105/tpc.8.9.1613
Rosas-Saavedra C., Stange C. Biosynthesis of carotenoids in plants: Enzymes and color // Subcell Biochem. 2016. V. 79. P. 35–69. https://doi.org/10.1007/978-3-319-39126-7_2
Wong J.C., Lambert R.J., Wurtzel E.T., Rocheford T.R. QTL and candidate genes phytoene synthase and zeta-carotene desaturase associated with the accumulation of carotenoids in maize // Theor. Appl. Genet. 2004. V. 108. № 2. P. 349–359. https://doi.org/10.1007/s00122-003-1436-4
Krinsky N.I., Johnson E.J. Carotenoid actions and their relation to health and disease // Mol. Aspects of Med. 2005. V. 26. № 6. P. 459–516. https://doi.org/10.1016/j.mam.2005.10.001
Nagao A., Olson J.A. Enzymatic formation of 9-cis, 13-cis, and all-trans retinals from isomers of beta-carotene // Faseb J. 1994. V. 8. № 12. P. 968–973. https://doi.org/10.1096/fasebj.8.12.8088462
Babu R., Rojas N.P., Gao S. et al. Validation of the effects of molecular marker polymorphisms in LcyE and CrtRB1 on provitamin A concentrations for 26 tropical maize populations // Theor. Appl. Genet. 2013. V. 126. P. 389–399. https://doi.org/10.1007/s00122-012-1987-3
Baveja A., Muthusamy V., Panda K.K. et al. Development of multinutrient-rich biofortified sweet corn hybrids through genomics-assisted selection of shrunken2, opaque2, lcyE and crtRB1 genes // J. Appl. Genet. 2021. V. 62. № 3. P. 419–429. https://doi.org/10.1007/s13353-021-00633-4
Bai L., Kim E.H., DellaPenna D., Brutnell T.P. Novel lycopene epsilon cyclase activities in maize revealed through perturbation of carotenoid biosynthesis // Plant J. 2009. V. 59. № 4. P. 588–599. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2009.03899.x
Yu B., Lydiate D.J., Young L.W. et al. Enhancing the carotenoid content of Brassica napus seeds by downregulating lycopene epsilon cyclase // Transgenic Res. 2008. V. 17. № 4. P. 573–585. https://doi.org/10.1007/s11248-007-9131-x
Diretto G., Tavazza R., Welsch R. et al. Metabolic engineering of potato tuber carotenoids through tuber-specific silencing of lycopene epsilon cyclase // BMC Plant Biol. 2006. V. 6. Р. 13. https://doi.org/10.1186/1471-2229-6-6
Pogson B.J., Rissler H.M. Genetic manipulation of carotenoid biosynthesis and photoprotection // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 2000. V. 355. № 1402. P. 1395–1403. https://doi.org/10.1098/rstb.2000.0701
Richaud D., Stange C., Gadaleta A. et al. Identification of lycopene epsilon cyclase (lcyE) gene mutants to potentially increase β-carotene content in durum wheat (Triticum turgidum L. ssp. durum) through TILLING // PLoS One. 2018. V. 13. № 12: e0208948. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0208948
Yan J., Kandianis B.C., Harjes E.C. et al. Rare genetic variation at Zea mays crtRB1 increases beta carotene in maize grain // Nat. Genet. 2010. V. 42. P. 322–327. https://doi.org/10.1038/ng.551
Liu L., Jeffers D., Zhang Y. et al. Introgression of the crtRB1 gene into quality protein maize inbred lines using molecular markers // Mol. Breed. 2015. V. 35. № 8: 154. https://doi.org/10.1007/s11032-015-0349-7
Muthusamy V., Hossain F., Thirunavukkarasu N. et al. Development of β-carotene rich maize hybrids through marker-assisted introgression of β-carotene hydroxylase allele // PLoS One. 2014. V. 9. № 12. Р. e11583. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0113583
Дьяченко Е.А., Слугина М.А. Внутривидовой полиморфизм гена сахарозосинтазы Sus1 у образцов Pisum sativum L. // Вавилов. журн. генет. и селекции. 2018. Т. 22. № 1. С. 108–114. https://doi.org/10.18699/VJ18.338
Kumar S., Stecher G., Tamura K. MEGA7: Molecular evolutionary genetics analysis version 7.0 for bigger datasets // Mol. Biol. Evol. 2016. V. 33. № 7. P. 1870–1874. https://doi.org/10.1093/molbev/msw054
Lescot M. PlantCARE, a database of plant cis – acting regulatory elements and a portal to tools for in silico analysis of promoter sequences // Nucl. Ac. Res. 2002. V. 30. P. 325–327. https://doi.org/10.1093/nar/30.1.325
Li F., Vallabhaneni R., Wurtzel E.T. PSY3, a new member of the phytoene synthase gene family conserved in the Poaceae and regulator of abiotic stress – induced root carotenogenesis // Plant Physiol. 2008. V. 146. P. 1333–1345. https://doi.org/10.1104/pp.107.111120
Dibari B., Murat F., Chosson A. et al. Deciphering the genomic structure, function and evolution of carotenogenesis related phytoene synthases in grasses // BMC Genomics. 2012. V. 13. Р. 221. https://doi.org/10.1186/1471-2164-13-221
Vatov E., Ludewig U., Zentgraf U. Disparate dynamics of gene body and cis-regulatory element evolution illustrated for the senescence-associated cysteine protease gene SAG12 of plants // Plants (Basel). 2021. V. 10. № 7: 1380. https://doi.org/10.3390/plants10071380
Bai J.F., Wang Y.K., Guo L.P. et al. Genomic identification and characterization of MYC family genes in wheat (Triticum aestivum L.) // BMC Genomics. 2019. V. 20. № 1. Article 1032. https://doi.org/10.1186/s12864-019-6373-y