Влияние аллельного полиморфизма 3’-нетранслируемой области гена StTCP23 на толерантность сортов картофеля к вироиду веретеновидности клубней

Актуальность. Известно, что симптоматика больных растений картофеля может быть результатом комплементарных взаимодействий между геномной РНК вироида веретеновидности клубней картофеля (PSTVd) и мРНК некоторых регуляторных генов, которые приводят к РНК-интерференции, синтезу малых интерферирующих РНК (vd-sRNA PSTVd) и нарушению морфогенеза. В то же время степень проявления симптомов при поражении вироидом варьирует у различных сортов картофеля. Впервые рассмотрена возможность предсказания взаимодействий участков 3’ UTR различных аллелей гена StTCP23, кодирующего транскрипционный фактор, с комплементарными участками в составе геномной РНК PSTVd.
Материалы и методы. Материалом исследования служили растения восьми районированных сортов картофеля. Было секвенировано по шесть клонов каждого ампликона кДНК участка гена StTCP23, включающего 3’ UTR-область, и охарактеризован аллельный состав таргетных участков 3’ UTR размером 27 нуклеотидов.
Результаты. Всего выявлено 11 типов аллелей, которые различаются однонуклеотидными заменами и делециями различной длины. Сорта, имеющие аллель А с нуклеотидной последовательностью, идентичной референсной (‘Gala’, ‘Colomba’, ‘Фаворит’, ‘Фиолетовый’), или высокую дозу аллеля С, имеющего делецию 4-х нуклеотидов (‘Impala’), отличались высокой восприимчивостью уже при первичном заражении PSTVd. Сорта ‘Крепыш’, ‘Labadia’ и ‘Riviera’, отнесенные к толерантным сортам при первичной инокуляции, напротив, характеризуются отсутствием аллеля А и наличием сортоспецифичных мутантных аллелей.
Заключение. Высокая степень полиморфизма в сайте-мишени (3’ UТR-области) гена StTCP23 указывает на возможное давление отбора на этот локус. Можно предположить, что сорта с более короткими аллелями, которые имеют меньше оснований, комплементарных vd-sRNA в гипотетических дуплексах, и поэтому меньшую вероятность индуцировать сайленсинг гена-мишени, являются более толерантными к PSTVd при первичном заражении вироидом.

1. Adkar-Purushothama C.R., Brosseau C., Giguère T., Sano T., Moffett P., Perreault J.P. Small RNA derived from the virulence modulating region of the potato spindle tuber viroid silences callose synthase genes of tomato plants. The Plant Cell. 2015;27(8):2178-2194. DOI: 10.1105/tpc.15.00523

2. Adkar-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: 10.1080/15476286.2018.1462653

3. Afanasenko 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. 2022;12(12):2916. DOI: 10.3390/agronomy12122916

4. Aviña-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/v10100516

5. Bao 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.1008110

6. Bao 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/s12863-019-0793-1

7. Doebley J., Stec A., Hubbard L. The evolution of apical dominance in maize. Nature. 1997;386(6624):485-488. DOI: 10.1038/386485a0

8. El-Sappah A.H., Yan K., Huang Q., Islam M.M., Li Q., Wang Y. et al. Comprehensive mechanism of gene silencing and its role in plant growth and development. Frontiers in Plant Science. 2021;12:705249. DOI: 10.3389/fpls.2021.705249

9. Fang 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.2020.07.007

10. Katsarou K., Wu Y., Zhang R., Bonar N., Morris J., Hedley P.E. et al. Insight on genes affecting tuber development in potato upon Potato spindle tuber viroid (PSTVd) infection. PLoS One. 2016;11(3):e0150711. DOI: 10.1371/journal.pone.0150711

11. Keese 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.82.14.4582

12. Kosugi S., Ohashi Y. PCF1and PCF2 specifically bind to cis elements in the rice proliferating cell nuclear antigen gene. The Plant Cell. 1997;9(9):1607-1619. DOI: 10.1105/tpc.9.9.1607

13. Luo D., Carpenter R., Vincent C., Copsey L., Coen E. Origin of floral asymmetry in Antirrhinum. Nature. 1996; 383(6603):794-799. DOI: 10.1038/383794a0.

14. Manrique-Carpintero N.C., Coombs J.J., Pham G.M., Laimbeer F.P.E., Braz G.T., Jiang J. et al. Genome reduction in tetraploid potato reveals genetic load, haplotype variation, and loci associated with agronomic traits. Frontiers in Plant Science. 2018;9:944. DOI: 10.3389/fpls.2018.00944

15. Martín-Trillo M., Cubas P. TCP genes: a family snapshot ten years later. Trends in Plant Science. 2010;15(1):31-39. DOI: 10.1016/j.tplants.2009.11.003

16. Navarro B., Flores R., Serio F.D. Advances in viroid–host interactions. Annual Review of Virology. 2021;8(1):305-325. DOI: 10.1146/annurev-virology-091919-092331

17. Nicolas M., Cubas P. TCP factors: new kids on the signaling block. Current Opinion in Plant Biology. 2016;33:33-41. DOI: 10.1016/j.pbi.2016.05.006

18. Ohnishi Y., Tamura Y., Yoshida M., Tokunaga K., Hohjoh H. Enhancement of allele discrimination by introduction of nucleotide mismatches into siRNA in allele-specific gene silencing by RNAi. PLoS One. 2008;3(5):e2248. DOI: 10.1371/journal.pone.0002248

19. Pham G.M., Newton L., Wiegert-Rininger K., Vaillancourt B., Douches D.S., Buell C.R. Extensive genome heterogeneity leads to preferential allele expression and copy numberdependent expression in cultivated potato. The Plant Journal. 2017;92(4):624-637. DOI: 10.1111/tpj.13706

20. Ren 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;12:686698. DOI: 10.3389/fpls.2021.686698

21. Sano T. Progress in 50 years of viroid research – Molecular structure, pathogenicity, and host adaptation. Proceedings of the Japan Academy. Series B: Physical and Biological Sciences. 2021;97(7):371-401. DOI: 10.2183/pjab.97.020

22. Sevestre F., Facon M., Wattebled F., Szydlowski N. Facilitating gene editing in potato: a Single-Nucleotide Polymorphism (SNP) map of the Solanum tuberosum L. cv. Desiree genome. Scientific Reports. 2020;10(1):2045. DOI: 10.1038/s41598-020-58985-6

23. Watanabe K. Potato genetics, genomics, and applications. Breeding Science. 2015;65(1):53-68. DOI: 10.1270/jsbbs.65.53