vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2023-3-207-213vir-nw-1667Research ArticleИММУНИТЕТ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ И ИХ ДИКИХ РОДИЧЕЙIMMUNITY OF CULTIVATED PLANTS AND THEIR WILD RELATIVESЭкспрессия гена фактора транскрипции StTCP23 в растениях картофеля, инокулированных вироидом веретеновидности клубнейExpression of the transcription factor encoding gene StTCP23 in potato plants infected with the tuber spindle viroidhttps://orcid.org/0000-0003-3383-2973МироненкоН. В.MironenkoN. V.

Нина Васильевна Мироненко, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник

196608 Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3

Nina V. Mironenko, Dr. Sci. (Biology), Leading Researcher

3 Podbelskogo Hwy., Pushkin, St. Petersburg 196608

nina2601mir@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7657-6618ОринаА. С.OrinaA. S.

Александра Станиславовна Орина, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

196608 Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3

Aleksandra S. Orina, Cand. Sci. (Biology), Senior Researcher

3 Podbelskogo Hwy., Pushkin, St. Petersburg 196608

orina-alex@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1419-7134ЛашинаН. М.LashinaN. M.

Нина Михайловна Лашина, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

196608 Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3

Nina M. Lashina, Cand. Sci. (Biology), Senior Researcher

3 Podbelskogo Hwy., Pushkin, St. Petersburg 196608

nlashina@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7368-0797АфанасенкоО. С.AfanasenkoО. S.

Ольга Сильвестровна Афанасенко, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник

196608 Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3

Olga S. Afanasenko, Dr. Sci. (Biology), Leading Researcher

3 Podbelskogo Hwy., Pushkin, St. Petersburg 196608

olga.s.afan@gmail.comВсероссийский научно-исследовательский институт защиты растенийРоссияAll-Russian Research Institute of Plant ProtectionRussian Federation2023231020231843207213Copyright © Мироненко Н.В., Орина А.С., Лашина Н.М., Афанасенко О.С., 20232023Мироненко Н.В., Орина А.С., Лашина Н.М., Афанасенко О.С.Mironenko N.V., Orina A.S., Lashina N.M., Afanasenko О.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://elpub.vir.nw.ru/jour/article/view/1667Актуальность

Актуальность. Вироид веретеновидности клубней картофеля PSTVd (potato spindle tuber viroid) – самый мелкий из всех известных возбудителей болезней картофеля – является кольцевой молекулой однонитевой РНК. Симптомы, вызываемые PSTVd, приводят к существенному снижению урожая клубней или гибели растения. Установлено, что вироидная инфекция запускает процесс «сайленсинга» генов хозяина и индуцирует симптомы болезни растения с помощью vd-sRNA. Одной из мишеней вироида является ген картофеля StTCP23, который кодирует фактор транскрипции. Целью исследования являлась оценка влияния инокуляции растений картофеля сорта ‘Colomba’ штаммом NicTr-3 вироида PSTVd на экспрессию гена StTCP23 в инфицированном растении.

Материалы и методы

Материалы и методы. Растения картофеля сорта ‘Colomba’ инокулировали соком из листьев растений томата сорта ‘Rutgers’, в котором поддерживали штамм NicTr-3 вироида PSTVd. Факт заражения подтверждали методом ОТ-ПЦР со специфичными праймерами. Разнообразие молекул в популяции вироида выявляли с помощью клонирования и последующего секвенирования клонов вироида. Экспрессию гена StTCP23 в инфицированных растениях картофеля оценивали методом количественной ПЦР относительно гена фактора элонгации ef1α.

Результаты

Результаты. Фенотипические проявления заражения сорта ‘Colomba’ штаммом NicTr-3 вироида PSTVd не выявлены, тогда как факт заражения подтвержден молекулярными методами. Установлено присутствие 10 мутаций в отдельных вариантах штамма NicTr-3, ответственных за снижение агрессивности штамма. Показано повышение экспрессии гена StTCP23 в листьях растений картофеля сорта ‘Colomba’, инокулированных штаммом NicTr-3, по сравнению с контролем.

Заключение

Заключение. Механизм взаимодействия вироида и гена StTCP23 в зараженном растении картофеля не является универсальным и зависит как от генотипа сорта картофеля, так и от штамма вироида. Для доказательства существования специфических механизмов взаимодействия генотипа сорта и генотипа штамма вироида необходимы дополнительные исследования.

Background The potato spindle tuber viroid (PSTVd) is the smallest of all known potato pathogens. PSTVd is a circular, single-stranded RNA molecule that does not code for proteins. Symptoms caused by PSTVd lead to a significant reduction in tuber yield or death of the plant. PSTVd infection triggers the silencing of host-plant genes and induces disease symptoms in the plant via vd-sRNA. The StTCP23 potato gene which encodes a transcription factor is one of the targets of PSTVd. The aim of the study was to assess the effect of inoculation of potato plants of cv. ‘Colomba’ with the PSTVd viroid NicTr-3 strain on the StTCP23 expression in infected plants.

Materials and methods

Materials and methods. Potato plants of cv. ‘Colomba’ were inoculated with leaf sap of the tomato cv. ‘Rutgers’ in which the PSTVd viroid NicTr-3 strain was propagated. RT-PCR with specific primers was used to confirm the infection of potato plants with the viroid. Diversity of RNA molecules in the PSTVd population was revealed using RT, cloning, and sequencing of the viroid. The expression of the StTCP23 gene in infected potato plants was assessed by quantitative PCR with the ef1α gene as a reference.

Results

Results. Symptoms of infecting ‘Colomba’ plants with the PSTVd viroid strain NicTr-3 were not detected, while the presence of the viroid in potato leaves was confirmed by molecular methods. Ten mutations were found in individual variants of the PSTVd strain NicTr-3, responsible for reducing the viroid’s aggressiveness. An increase in the expression of StTCP23 was shown at 3 time points in ‘Colomba’ plants inoculated with the NicTr-3 strain compared to the control.

Conclusion

Conclusion. The mechanism of interaction between PSTVd and the StTCP23 gene in an infected potato plant is not universal and depends both on the potato genotype and viroid strain. Additional studies are required to prove the existence of specific interaction mechanisms between the host-plant and viroid strain genotypes.

PSTVdсорт ‘Colomba’мутации вироидапатогенностьагрессивностьPSTVdcv. ‘Colomba’viroid mutationspathogenicityaggressivenessРабота выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 20-46-07001 «Молекулярно-генетические механизмы взаимоотношений в патосистеме <i>Solanum</i> spp. – вироид веретеновидности клубней картофеля (PSTVd) и особенности эпидемиологии вироида». Авторы выражают благодарность исполнительному директору СПССК « Устюженский картофель» (Вологодская об- ласть) А. А. Кузнецову за предоставленные для исследования клубни картофеля сорта ‘Colomba’. Авторы благодарят рецензентов за их вклад в экспертную оценку этой работы.Тhe research was supported by a grant from the Russian Science Foundation: No. 20-46-07001 “Molecular and genetic mechanisms of plant pathogen interaction in the pathosystem of <i>Solanum</i> spp. – the potato spindle tuber viroid and features of the viroid’s epidemiology on potato”. The authors express their gratitude to A. A. Kuznetsov, Executive Director of the Ustyuzhensky Potato Co-op, Vologda Province, for providing ‘Colomba’ potato tubers for the study. The authors thank the reviewers for their contribution to the peer review of this paper.ReferencesAdkar-Purushothama C.R., Perreault J.P. Alterations of the viroid regions that interact with the host defense genes attenuate viroid infection in host plant. RNA Biology. 2018;15(7):955-966. DOI: 10.1080/15476286.2018.1462653Adkar-Purushothama C.R., Perreault J.P. Alterations of the viroid regions that interact with the host defense genes attenuate viroid infection in host plant. RNA Biology. 2018;15(7):955-966. DOI: 10.1080/15476286.2018.1462653Afanasenko O.S., Khiutti A.V., Mironenko N.V., Lashina N.M. Transmission of potato spindle tuber viroid between Phytophthora infestans and host plants. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2022a;26(3):271-280. DOI: 10.18699/VJGB-22-34Afanasenko O.S., Khiutti A.V., Mironenko N.V., Lashina N.M. Transmission of potato spindle tuber viroid between Phytophthora infestans and host plants. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2022a;26(3):271-280. DOI: 10.18699/VJGB-22-34Afanasenko O.S., Lashina N.M., Mironenko N.V., Kyrova E.I., Rogozina E.V., Zubko N.G. et al. Evaluation of responses of potato cultivars to potato spindle tuber viroid and to mixed viroid/viral infection. Agronomy. 2022b;12(12):2916. DOI: 10.3390/agronomy12122916Afanasenko O.S., Lashina N.M., Mironenko N.V., Kyrova E.I., Rogozina E.V., Zubko N.G. et al. Evaluation of responses of potato cultivars to potato spindle tuber viroid and to mixed viroid/viral infection. Agronomy. 2022b;12(12):2916. DOI: 10.3390/agronomy12122916Aviña-Padilla K., Rivera-Bustamante R., Kovalskaya N.Y., Hammond R.W. Pospiviroid infection of tomato regulates the expression of genes involved in flower and fruit development. Viruses. 2018;10(10):516. DOI: 10.3390/v10100516Aviña-Padilla K., Rivera-Bustamante R., Kovalskaya N.Y., Hammond R.W. Pospiviroid infection of tomato regulates the expression of genes involved in flower and fruit development. Viruses. 2018;10(10):516. DOI: 10.3390/v10100516Bao S., Owens R.A., Sun Q., Song H., Liu Y., Eamens A.L. et al. Silencing of transcription factor encoding gene StTCP23 by small RNAs derived from the virulence modulating region of potato spindle tuber viroid is associated with symptom development in potato. PLoS Pathogens. 2019a;15(12):e1008110. DOI: 10.1371/journal.ppat.1008110Bao S., Owens R.A., Sun Q., Song H., Liu Y., Eamens A.L. et al. Silencing of transcription factor encoding gene StTCP23 by small RNAs derived from the virulence modulating region of potato spindle tuber viroid is associated with symptom development in potato. PLoS Pathogens. 2019a;15(12):e1008110. DOI: 10.1371/journal.ppat.1008110Bao S., Zhang Z., Lian Q., Sun Q., Zhang R. Evolution and expression of genes encoding TCP transcription factors in Solanum tuberosum reveal the involvement of StTCP23 in plant defence. BMC Genetics. 2019b;20(1):91. DOI: 10.1186/s12863-019-0793-1Bao S., Zhang Z., Lian Q., Sun Q., Zhang R. Evolution and expression of genes encoding TCP transcription factors in Solanum tuberosum reveal the involvement of StTCP23 in plant defence. BMC Genetics. 2019b;20(1):91. DOI: 10.1186/s12863-019-0793-1Behjatnia A., Dry I., Krake L., Condé B.D., Connelly M.I., Randles J. et al. New potato spindle tuber viroid and tomato leaf curl geminivirus strains from a wild Solanum sp. Phytopathology. 1996;86:880-886. DOI: 10.1094/Phyto86-880Behjatnia A., Dry I., Krake L., Condé B.D., Connelly M.I., Randles J. et al. New potato spindle tuber viroid and tomato leaf curl geminivirus strains from a wild Solanum sp. Phytopathology. 1996;86:880-886. DOI: 10.1094/Phyto86-880Cottilli P., Belda-Palazón B., Adkar-Purushothama C.R., Perreault J.P., Schleiff E., Rodrigo I. et al. Citrus exocortis viroid causes ribosomal stress in tomato plants. Nucleic Acids Research. 2019;47(16):8649-8661. DOI: 10.1093/nar/gkz679Cottilli P., Belda-Palazón B., Adkar-Purushothama C.R., Perreault J.P., Schleiff E., Rodrigo I. et al. Citrus exocortis viroid causes ribosomal stress in tomato plants. Nucleic Acids Research. 2019;47(16):8649-8661. DOI: 10.1093/nar/gkz679Fang Y., Zheng Y., Lu W., Li J., Duan Y., Zhang S. et al. Roles of miR319-regulated TCPs in plant development and response to abiotic stress. The Crop Journal. 2021;9(1):17- 28. DOI: 10.1016/j.cj.2020.07.007Fang Y., Zheng Y., Lu W., Li J., Duan Y., Zhang S. et al. Roles of miR319-regulated TCPs in plant development and response to abiotic stress. The Crop Journal. 2021;9(1):17-28. DOI: 10.1016/j.cj.2020.07.007Góra A., Candresse T., Zagórski W. Analysis of the population structure of three phenotypically different PSTVd isolates. Archives of Virology. 1994;138(3-4):233-245. DOI: 10.1007/BF01379128Góra A., Candresse T., Zagórski W. Analysis of the population structure of three phenotypically different PSTVd isolates. Archives of Virology. 1994;138(3-4):233-245. DOI: 10.1007/BF01379128Góra A., Candresse T., Zagórski W. Use of intramolecular chimeras to map molecular determinants of symptom severity of potato spindle tuber viroid (PSTVd). Archives of Virology. 1996;141(11):2045-2055. DOI: 10.1007/BF01718214Góra A., Candresse T., Zagórski W. Use of intramolecular chimeras to map molecular determinants of symptom severity of potato spindle tuber viroid (PSTVd). Archives of Virology. 1996;141(11):2045-2055. DOI: 10.1007/BF01718214Hadidi A., Flores R., Randles J.W., Palukaitis P. (eds.) Viroids and Satellites. Oxford; Cambridge, MA: Academic Press; 2017.Hadidi A., Flores R., Randles J.W., Palukaitis P. (eds.) Viroids and Satellites. Oxford; Cambridge, MA: Academic Press; 2017.Kastalyeva T.B., Girsova N.V., Mozhaeva K.A., Lee I.M., Owens R.A. Molecular properties of potato spindle tuber viroid (PSTVd) isolates of the Russian Research Institute of Phytopathology. Molecular Biology. 2013;47(1):85-96. DOI: 10.1134/S0026893312060106Kastalyeva T.B., Girsova N.V., Mozhaeva K.A., Lee I.M., Owens R.A. Molecular properties of potato spindle tuber viroid (PSTVd) isolates of the Russian Research Institute of Phytopathology. Molecular Biology. 2013;47(1):85-96. DOI: 10.1134/S0026893312060106Katsarou K., Adkar-Purushothama C.R., Tassios E., Samiotaki M., Andronis C., Lisón P. et al. Revisiting the non-coding nature of pospiviroids. Cells. 2022;11(2):265. DOI: 10.3390/cells11020265Katsarou K., Adkar-Purushothama C.R., Tassios E., Samiotaki M., Andronis C., Lisón P. et al. Revisiting the non-coding nature of pospiviroids. Cells. 2022;11(2):265. DOI: 10.3390/cells11020265Keese P., Symons R.H. Domains in viroids: evidence of intermolecular RNA rearrangements and their contribution to viroid evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1985;82(14):4582-4586. DOI: 10.1073%2Fpnas.82.14.4582Keese P., Symons R.H. Domains in viroids: evidence of intermolecular RNA rearrangements and their contribution to viroid evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1985;82(14):4582-4586. DOI: 10.1073%2Fpnas.82.14.4582Kitabayashi S., Tsushima D., Adkar-Purushothama C.R., Sano T. Identification and molecular mechanisms of key nucleotides causing attenuation in pathogenicity of dahlia isolate of potato spindle tuber viroid. International Journal of Molecular Sciences. 2020;21(19):7352. DOI: 10.3390/ijms21197352Kitabayashi S., Tsushima D., Adkar-Purushothama C.R., Sano T. Identification and molecular mechanisms of key nucleotides causing attenuation in pathogenicity of dahlia isolate of potato spindle tuber viroid. International Journal of Molecular Sciences. 2020;21(19):7352. DOI: 10.3390/ijms21197352Livak K.J., Schmittgen T.D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) method. Methods. 2001;25(4):402-408. DOI: 10.1006/meth.2001.1262Livak K.J., Schmittgen T.D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) method. Methods. 2001;25(4):402-408. DOI: 10.1006/meth.2001.1262Matsushita Y., Yanagisawa H., Khiutti A., Mironenko N., Ohto Y., Afanasenko O. Genetic diversity and pathogenicity of potato spindle tuber viroid and chrysanthemum stunt viroid isolates in Russia. European Journal of Plant Pathology. 2021;161(8):529-542. DOI: 10.1007/s10658-021-02339-zMatsushita Y., Yanagisawa H., Khiutti A., Mironenko N., Ohto Y., Afanasenko O. Genetic diversity and pathogenicity of potato spindle tuber viroid and chrysanthemum stunt viroid isolates in Russia. European Journal of Plant Pathology. 2021;161(8):529-542. DOI: 10.1007/s10658-021-02339-zМироненко Н.В., Кочетов А.В.,Афанасенко О.С. Влияние аллельного полиморфизма 3’нетранслируемой области гена StTCP23 на толерантность сортов картофеля к вироиду веретеновидности клубней. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2023;184(1):137-143. DOI: 10.30901/2227-8834-2023-1-137-143Mironenko N.V., Kochetov A.V., Afanasenko O.S. Influence of allelic polymorphism of the 3’ untranslated region of the StTCP23 gene on the tolerance of potato varieties to the spindle tuber viroid. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2023;184(1):137-143. [in Russian] DOI: 10.30901/2227-8834-2023-1-137-143Owens R.A., Chen W., Hu Y., Hsu Y.H. Suppression of potato spindle tuber viroid replication and symptom expression by mutations which stabilize the pathogenicity domain. Virology. 1995;208(2):554-564. DOI: 10.1006/viro.1995.1186Owens R.A., Chen W., Hu Y., Hsu Y.H. Suppression of potato spindle tuber viroid replication and symptom expression by mutations which stabilize the pathogenicity domain. Virology. 1995;208(2):554-564. DOI: 10.1006/viro.1995.1186Owens R.A., Girsova N.V., Kromina K.A., Lee I.M., Mozhaeva K.A., Kastalyeva T. Russian isolates of potato spindle tuber viroid exhibit low sequence diversity. Plant Disease. 2009;93(7):752-759. DOI: 10.1094/PDIS-93-7-0752Owens R.A., Girsova N.V., Kromina K.A., Lee I.M., Mozhaeva K.A., Kastalyeva T. Russian isolates of potato spindle tuber viroid exhibit low sequence diversity. Plant Disease. 2009;93(7):752-759. DOI: 10.1094/PDIS-93-7-0752Qi Y., Ding B. Inhibition of cell growth and shoot development by a specific nucleotide sequence in a noncoding viroid RNA. The Plant Cell. 2003;15(6):1360-1374. DOI: 10.1105/tpc.011585Qi Y., Ding B. Inhibition of cell growth and shoot development by a specific nucleotide sequence in a noncoding viroid RNA. The Plant Cell. 2003;15(6):1360-1374. DOI: 10.1105/tpc.011585Ren L., Wu H., Zhang T., Ge X., Wang T., Zhou W. et al. Genomewide identification of TCP transcription factors family in sweet potato reveals significant roles of miR319-targeted TCPs in leaf anatomical morphology. Frontiers in Plant Science. 2021;12:686-698. DOI: 10.3389/fpls.2021.686698Ren L., Wu H., Zhang T., Ge X., Wang T., Zhou W. et al. Genomewide identification of TCP transcription factors family in sweet potato reveals significant roles of miR319-targeted TCPs in leaf anatomical morphology. Frontiers in Plant Science. 2021;12:686-698. DOI: 10.3389/fpls.2021.686698Slugina M.A., Filyushin M.A., Meleshin A.A., Shchennikova A.V., Kochieva E.Z. Differences in the amylase inhibitor gene SbAI expression in potato during long-term tuber cold storage and in response to short-term cold stress. Russian Journal of Genetics. 2020;56(3):375-378. DOI: 10.1134/S1022795420030163Slugina M.A., Filyushin M.A., Meleshin A.A., Shchennikova A.V., Kochieva E.Z. Differences in the amylase inhibitor gene SbAI expression in potato during long-term tuber cold storage and in response to short-term cold stress. Russian Journal of Genetics. 2020;56(3):375-378. DOI: 10.1134/S1022795420030163Wassenegger M., Spieker R.L., Thalmeir S., Gast F.U., Riedel L., Sänger H.L. A single nucleotide substitution converts potato spindle tuber viroid (PSTVd) from a noninfectious to an infectious RNA for Nicotiana tabacum. Virology. 1996;226(2):191-197. DOI: 10.1006/viro.1996.0646Wassenegger M., Spieker R.L., Thalmeir S., Gast F.U., Riedel L., Sänger H.L. A single nucleotide substitution converts potato spindle tuber viroid (PSTVd) from a noninfectious to an infectious RNA for Nicotiana tabacum. Virology. 1996;226(2):191-197. DOI: 10.1006/viro.1996.0646

The authors declare that there are no conflicts of interest present.