Экспрессия гена фактора транскрипции StTCP23 в растениях картофеля, инокулированных вироидом веретеновидности клубней

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. 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. 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. 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.

1. 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

2. Afanasenko 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-22-34

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. 2022b;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. Behjatnia 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/Phyto86-880

8. Cottilli 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/gkz679

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. Góra 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/BF01379128

11. Góra 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/BF01718214

12. Hadidi A., Flores R., Randles J.W., Palukaitis P. (eds.) Viroids and Satellites. Oxford; Cambridge, MA: Academic Press; 2017.

13. 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/S0026893312060106

14. Katsarou 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/cells11020265

15. 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

16. Kitabayashi 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/ijms21197352

17. Livak 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.2001.1262

18. Matsushita 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-z

19. Мироненко 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: 10.30901/2227-8834-2023-1-137-143

20. Owens 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.1995.1186

21. Owens 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-93-7-0752

22. Qi 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.011585

23. 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;12:686-698. DOI: 10.3389/fpls.2021.686698

24. Slugina 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/S1022795420030163

25. Wassenegger 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