Регуляция и метаболическая инженерия центрального фенилпропаноидного метаболического пути в ответ на воздействие стрессовых факторов у растений

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В основе многообразия вторичных метаболитов растений лежит фенилпропаноидный метаболический путь. В рамках его функционирования фенилаланин подвергается воздействию ферментов, преобразующих данную аминокислоту в фенольные соединения. Начальные стадии катализируются фенилаланинаммиаклиазой (PAL), циннамат-4-гидроксилазой (C4H) и 4- кумароил-КоА-лигазой (4CL), которые являются частью главного или центрального фенилпропаноидного метаболического пути. Продукты функционирования центального фенилпропаноидного метаболического пути ассоциированы с ростом и развитием растений, реакциями на воздействие внешних стимулов, обеспечением сигнальных и защитных функций. Изучение биохимических и молекулярных основ биосинтеза фенилпропаноидов важно, так как их функционирование лежит в основе понимания молекулярных механизмов адаптации растений к воздействию внешних факторов, таких как засуха, засоление, нехватка компонентов минерального питания, воздействие патогенов. В данном обзоре рассматривается связь генов центрального фенилпропаноидного метаболического пути с воздействием патогенов и абиотических факторов, а также их генетическая и метаболическая инженерия.

Гены PAL, C4H и 4CH многих видов растений, как правило, представляют из себя семейства генов, кодирующих несколько изоформ соответствующих ферментов. Увеличение уровней экспрессии коррелирует с повышенной продукцией фенилпропаноидов, а уровни активности варьируются в зависимости от стадии развития, дифференцировки клеток и воздействия окружающей среды. Таким образом, PAL, C4H и 4CH являются одним из ключевых ферментов, принимающих участие в реакциях растений на стресс. Например, PAL учувствует в передаче сигналов в ответ на воздействие патогенов и напрямую связан с биосинтезом лигнина, который укрепляет клеточную стенку и обладает антимикробной активностью. Гены центрального фенилпропаноидного метаболического пути часто становятся объектами генетической и метаболической инженерии. Данные манипуляции могут быть направлены на увеличения биосинтеза флавоноидов и других вторичных метаболитов, а также для получения генотипов, устойчивых к воздействию биотических и абиотических факторов.

Об авторах

О. Б. Поливанова

Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева

Автор, ответственный за переписку.
Email: polivanovaoks@gmail.com

к.б.н

Россия, Москва

М. Ю. Чередниченко

Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева

Email: olivanovaoks@gmail.com

к.б.н., доцент

Россия, Москва

Список литературы

  1. Mariani L., Ferrante A. Agronomic management for enhancing plant tolerance to abiotic stresses-drought, salinity, hypoxia, and lodging. Horticulturae. 2017; 3: 52.
  2. Rasool F., Uzair M., Naeem M.K. et al. Phenylalanine ammonia-lyase (PAL) genes family in wheat (Triticum aestivum L.): genome-wide char-acterization and expression profiling. Agron. 2021; 11: 2511.
  3. Raes J., Rohde A., Christensen J.H. et al. Genome-wide characterization of the lignification toolbox in Arabidopsis. Plant Physiol. 2003; 133: 1051–1071.
  4. Kao Y.Y., Harding S.A., Tsai, C.J. Differential expression of two distinct phenylalanine ammonia lyase genes in condensed tannin-accumulating and lignifying cells of quaking aspen. Plant Physiol. 2002; 130: 796–807.
  5. Liu X.Y., Yu H.N., Gao S., et al. The isolation and functional characterization of three liverwort genes encoding cinnamate 4-hydroxylase. Plant Physiol. Biochem. 2017; 117: 42–50.
  6. Lu S., Zhou Y., Li L., Chiang V.L. Distinct roles of cinnamate 4-hydroxylase genes in Populus. Plant Cell Physiol. 2006; 47(7): 905–914.
  7. Rostami Z., Fazeli A., Hojati Z. The isolation and expression analysis of cinnamate 4-hydroxylase and chalcone synthase genes of Scrophularia striata under different abiotic elicitors. Sci Rep. 2022; 12: 8128.
  8. Lavhale S.G., Kalunke R.M., Giri, A.P. Structural, functional and evolutionary diversity of 4-coumarate-CoA ligase in plants. Planta. 2018; 248(5):1063–1078.
  9. Wang T., Li Q., Bi K. Bioactive flavonoids in medicinal plants: structure, activity and biological fate. Asian J. Pharm. Sci. 2018; 13: 12–23.
  10. Qin Y., Li Q., An Q. et al. Phenylalanine ammonia lyase from Fritillaria unibracteata promotes drought tolerance by regulating lignin biosynthesis and SA signaling pathway. Int. J. Biol. Macromol. 2022; 31(213): 574–588.
  11. Shine M.B., Yang J.W., El-Habbak M. et al. Cooperative functioning between phenylalanine ammonia lyase and isochorismate synthase activities contributes to salicylic acid biosynthesis in soybean. New Phytol. 2016; 212(3): 627–636.
  12. Kim D.S., Hwang B.K. An important role of the pepper phenylalanine ammonia lyase gene (PAL1) in salicylic acid-dependent signalling of the defence response to microbial pathogens. J. Exp. Bot. 2014; 65(9): 2295–2306.
  13. Tonnessen, B.W., Manosalva P., Lang J.M. Rice phenylalanine ammonia lyase gene OsPAL4 is associated with broad spectrum disease resistance. Plant Mol. 2015; 87: 273–286.
  14. Cass C.L., Peraldi A., Dowd P.F. Effects of phenylalanine ammonia lyase (PAL) knockdown on cell wall composition, biomass digestibility, and biotic and abiotic stress responses in Brachypodium. J. Exp. Bot. 2015; 66: 4317–4335.
  15. Chen Y., Li F., Tian L. et al. The phenylalanine ammonia lyase gene LjPAL1 is involved in plant defense responses to pathogens and plays diverse roles in Lotus japonicus-Rhizobium symbioses. Mol. Plant. Microbe Interact. 2017; 30(9): 739–753.
  16. Yang Y.H., Yang H., Li R.F. et al. A Rehmannia glutinosa cinnamate 4-hydroxylase promotes phenolic accumulation and enhances tolerance to oxidative stress. Plant Cell Rep. 2021; 40: 375–391.
  17. Wu Y., Wang T., Xin Y. et al. Overexpression of the GbF3’H1 gene enhanced the epigallocatechin, gallocatechin, and catechin contents in transgenic Populus. J. Agric. Food Chem. 2020; 68: 998–1006.
  18. Karlson C.K.S., Mohd Noor S.N., Khalid N., Tan B.C. CRISPRi-mediated down-regulation of the cinnamate-4-hydroxylase (C4H) gene enhances the flavonoid biosynthesis in Nicotiana tabacum. Biology. 2022; 11: 1127.
  19. Sykes R.W., Gjersing E.L., Foutz K., et al. Down-regulation of p-coumaroyl quinate/shikimate 3′-hydroxylase (C3′H) and cinnamate 4-hydroxylase (C4H) genes in the lignin biosynthetic pathway of Eucalyptus urophylla × E. grandis leads to improved sugar release. Biotechnol. Biofuels. 2015; 8: 128.
  20. Kumar R., Vashisth D., Misra A. et al. RNAi down-regulation of cinnamate-4-hydroxylase increases artemisinin biosynthesis in Artemisia annua. Sci. Rep. 2016; 6: 26458.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рисунок. Схема главного фенилпропаноидного метаболического пути

Скачать (22KB)
Метаданные

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».