Аллельные различия ключевых генов биосинтеза беталаинов у контрастных по окраске корнеплода образцов свеклы столовой коллекции ВИР
https://doi.org/10.30901/2227-8834-2024-1-139-151
Аннотация
Актуальность. Свекла столовая (Beta vulgaris L.) – основной источник важнейшего натурального красителя бетанина. Ряд предприятий вынуждены импортировать зарубежные красители ввиду недостаточных запасов отечественного растительного сырья. В связи с этим особую актуальность приобретает создание сортов с повышенным содержанием беталаиновых пигментов.
Материалы и методы. Проведен скрининг аллельных различий ключевых генов биосинтеза беталаинов у контрастных по окраске корнеплода образцов свеклы столовой из коллекции ВИР по методу Сэнгера.
Результаты и обсуждение. Нами впервые была выявлена нонсенс-мутация в гене CYP76AD1 у образца сорта ‘Сердолик’ с желтой окраской мякоти корнеплода, приводящая к усечению функционального домена Р450, а также ряд миссенс-мутаций у образца ‘Аваланч’ в первом экзоне гена BvDODA1, вероятно, ассоциированных с проявлением неокрашенного фенотипа. В ходе анализа in silico, на основании последовательности аннотированного ранее в хромосоме 9 гена CYP76AD5, вблизи него идентифицированы еще две тандемно дуплицированные высокогомологичные копии CYP76AD5.1 и CYP76AD5.3, которые, по предварительной оценке, вместе с геном CYP76AD6 являются наиболее подходящими генами-мишенями для нокаута.
Заключение. Используя сформированную ранее группу высокобетаниновых образцов свеклы столовой и выявленные нами закономерности, возможно выбрать наиболее подходящие образцы для дальнейшего редактирования. Кроме того, обнаруженные в настоящем исследовании аллельные различия ключевых генов биосинтеза беталаинов будут полезны при конструировании молекулярных маркеров для ускоренного отбора форм свеклы столовой с заданными свойствами.
Ключевые слова
Beta vulgaris L.,
гены семейства цитохром Р450,
BvDODA1,
BvMYB1,
бетацианины,
бетаксантины,
окраска мякоти корнеплода
При поддержке: работа выполнена при финансовой поддержке проекта Российского научного фонда № 21-66-00012 «Создание с использованием генетических технологий и изучение новых линий растений, адаптированных к меняющимся условиям окружающей среды, обладающих повышенной продуктивностью и диетической ценностью». Авторы благодарят рецензентов за их вклад в экспертную оценку этой работы.
Об авторах
А. С. Михайлова
Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова
Россия
Россия
Александра Сергеевна Михайлова, младший научный сотрудник,
190000 Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44
Д. В. Соколова
Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова
Россия
Россия
Диана Викторовна Соколова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник,
190000 Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44
Н. А. Швачко
Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова
Россия
Россия
Наталия Альбертовна Швачко, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник,
190000 Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44
В. С. Попов
Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова
Россия
Россия
Виталий Сергеевич Попов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
190000 Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44
Е. К. Хлесткина
Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова;
Научно-технологический университет «Сириус», Центр генетики и наук о жизни
Россия
Россия
Елена Константиновна Хлесткина, доктор биологических наук, профессор РАН, директор, 190000 Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44;
руководитель направления «Биология и биотехнология растений», 354340 Краснодарский край, федеральная территория «Сириус», пгт. Сириус, Олимпийский пр., 1
Список литературы
1. Bastos E.L., Schliemann W. Betalains as antioxidants. In: H.M. Ekiert, K.G. Ramawat, J. Arora (eds). Plant Antioxidants and Health. Reference Series in Phytochemistry. Cham: Springer; 2022. p.51-93. DOI: 10.1007/978-3-030-78160-6_9
2. Brockington S.F., Yang Y., Gandia-Herrero F., Covshoff S., Hibberd J.M., Sage R.F. et al. Lineage-specific gene radiations underlie the evolution of novel betalain pigmentation in Caryophyllales. New Phytologist. 2015;207(4):1170-1180. DOI: 10.1111/nph.13441
3. GenomeNet. MOTIF Search: [website]. Available from: https://www.genome.jp/tools/motif/ [accessed Oct. 19, 2023].
4. Goldman I.L., Austin D. Linkage among the R, Y and BI loci in table beet. Theoretical and Applied Genetics. 2000;100(3-4):337-343. DOI: 10.1007/s001220050044
5. Gopalan M., Jadhav A.S. Protective effect beetroot Beta vulgaris extract against H2 O2 Induced Oxidative stress in U87MG glioma cells. South Asian Journal of Experimental Biology. 2021;11(3):266-274. DOI: 10.38150/sajeb.11(3).p266-274
6. Grützner R., Schubert R., Horn C., Yang C., Vogt T., Marillonnet S. Engineering betalain biosynthesis in tomato for high level betanin production in fruits. Frontiers in Plant Science. 2021;12:682443. DOI: 10.3389/fpls.2021.682443
7. Hatlestad G.J., Akhavan N.A., Sunnadeniya R.M., Elam L., Cargile S., Hembd A. et al. The beet Y locus encodes an anthocyanin MYB-like protein that activates the betalain red pigment pathway. Nature Genetics. 2015;47(1):92-96. DOI: 10.1038/ng.3163
8. Hatlestad G.J., Sunnadeniya R.M., Akhavan N.A., Gonzalez A., Goldman I.L., McGrath J.M. et al. The beet R locus encodes a new cytochrome P450 required for red betalain production. Nature Genetics. 2012;44(7):816-820. DOI: 10.1038/ng.2297
9. Integrated DNA Technologies: [website]. Available from: https://eu.idtdna.com/pages/tools/oligoanalyzer?returnurl=%2Fcalc%2Fanalyzer [accessed Oct. 19, 2023].
10. Kajanus B. Über die Farbenavriation der Beta-Rüben. Zeitschrift für Pflanzenzüchtung. 1917;5(4):357-372. [in German]
11. Keller W. Inheritance of some major color types in beets. Journal of Agricultural Research. 1936;52(1):27-35.
12. Khan M.I., Giridhar P. Plant betalains: Chemistry and biochemistry. Phytochemistry. 2015;117:267-295. DOI: 10.1016/j.phytochem.2015.06.008
13. MEGA Software. Molecular Evolutionary Genetics Analysis: [website]. Available from: https://www.megasoftware.net/ [accessed Oct. 19, 2023].
14. MultAlin. Multiple sequence alignment with hierarchical clustering: [website]. Available from: http://multalin.toulouse.inra.fr/multalin/ [accessed Oct. 19, 2023].
15. NCBI. National Center for Biotechnology Information: [website]. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov [accessed Oct. 19, 2023].
16. NCBI. National Center for Biotechnology Information. Open Reading Frame Finder: [website]. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/ [accessed Oct. 19, 2023].
17. Ninfali P., Antonini E., Frati A., Scarpa E.S. C-glycosyl flavonoids from Beta vulgaris Cicla and betalains from Beta vulgaris rubra: antioxidant, anticancer and antiinflammatory activities – A review. Phytotherapy Research. 2017;31(6):871-884. DOI: 10.1002/ptr.5819
18. Oda M., Furukawa K., Ogata K., Sarai A., Ishii S., Nishimura Y. et al. Identification of indispensable residues for specific DNA-binding in the imperfect tandem repeats of c-Myb R2R3. Protein Engineering, Design and Selection. 1997;10(12):1407-1414. DOI: 10.1093/protein/10.12.1407
19. Pfam. The Protein Family Database: [website]. Available from: http://pfam.xfam.org/ [accessed Oct. 19, 2023].
20. Phytozome 13. The Plant Genomics Resource: [website]. Available from: https://phytozome-next.jgi.doe.gov/info/Bvulgaris_EL10_1_0 [accessed Oct. 19, 2023].
21. Polturak G., Breitel D., Grossman N., Sarrion-Perdigones A., Weithorn E., Pliner M. et al. Elucidation of the first committed step in betalain biosynthesis enables the heterologous engineering of betalain pigments in plants. New Phytologist. 2015;210(1):269-283. DOI: 10.1111/nph.13796
22. Polturak G., Grossman N., Vela-Corcia D., Dong Y., Nudel A., Pliner M. et al. Engineered gray mold resistance, antioxidant capacity, and pigmentation in betalain-producing crops and ornamentals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2017;114(34):9062-9067. DOI: 10.1073/pnas.1707176114
23. Saikumar P., Murali R., Reddy E.P. Role of tryptophan repeats and flanking amino acids in Myb-DNA interactions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1990;87(21):8452-8456. DOI: 10.1073/pnas.87.21.8452
24. SnapGene. SnapGene Viewer: [website]. Available from: https://www.snapgene.com/snapgene-viewer [accessed Oct. 19, 2023].
25. Соколова Д.В. Генетическое разнообразие коллекции столовой свеклы ВИР (Beta L.) как потенциал для селекции (обзор). Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2022;183(4):239-250. DOI: 10.30901/2227-8834-2022-4-239-250
26. Sokolova D.V., Shvachko N.A., Mikhailova A.S., Popov V.S. Betalain content and morphological characteristics of table beet accessions: their interplay with abiotic factors. Agronomy. 2022;12(5):1033. DOI: 10.3390/agronomy12051033
27. Соколова Д.В., Соловьева А.Е. Перспективный исходный материал для селекции сортов свеклы с высоким содержанием бетанина. Аграрная Россия. 2019;(8):26- 32. DOI: 10.30906/1999-5636-2019-8-26-32
28. Stintzing F.C., Carle R. Betalains – emerging prospects for food scientists. Trends in Food Science and Technology. 2007;18(10):514-525. DOI: 10.1016/j.tifs.2007.04.012
29. Strack D., Vogt T., Schliemann W. Recent advances in betalain research. Phytochemistry. 2003;62(3):247-269. DOI: 10.1016/s0031-9422(02)00564-2
30. Sunnadeniya R., Bean A., Brown M., Akhavan N., Hatlestad G., Gonzalez A. et al. Tyrosine hydroxylation in betalain pigment biosynthesis is performed by cytochrome P450 enzymes in beets (Beta vulgaris). PLoS One. 2016;11(2):e0149417. DOI: 10.1371/journal.pone.0149417
31. SWISS-MODEL Interactive Workspace: [website]. Available from: https://swissmodel.expasy.org/interactive [accessed Oct. 19, 2023].
32. SWISS-MODEL Template Library (SMTL): [website]. Available from: https://swissmodel.expasy.org/templates/6kks.1 [accessed Oct. 19, 2023].
33. Tesoriere L., Allegra M., Butera D., Livrea M.A. Absorption, excretion, and distribution of dietary antioxidant betalains in LDLs: potential health effects of betalains in humans. The American Journal of Clinical Nutrition. 2004;80(4):941-945. DOI: 10.1093/ajcn/80.4.941
34. Unipro UGENE. Unipro UGENE 49.1: [сайт]. URL: https://ugene.net/ru/ [дата обращения: 19.10.2023].
35. UniProt. Align: [website]. Available from: https://www.uniprot.org/align [accessed Oct. 19, 2023].
36. UVA FASTA Server. Local DNA alignments (lalign): [website]. Available from: https://fasta.bioch.virginia.edu/fasta_www2/fasta_www.cgi?rm=lalign&pgm=lal [accessed Oct. 19, 2023].
37. Wang B., Luo Q., Li Y., Yin L., Zhou N., Li X. et al. Structural insights into target DNA recognition by R2R3-MYB transcription factors. Nucleic Acids Research. 2019;48(1):460-471. DOI: 10.1093/nar/gkz1081
38. Waterhouse A., Bertoni M., Bienert S., Studer G., Tauriello G., Gumienny R. et al. SWISS-MODEL: homology modelling of protein structures and complexes. Nucleic Acids Research. 2018;46(1):296-303. DOI: 10.1093/nar/gky427
39. Watson J.F., Goldman I.L. Inheritance of a gene conditioning blotchy root color in table beet (Beta vulgaris L.). Journal of Heredity. 1997;88(6):540-543. DOI: 10.1093/oxfordjournals.jhered.a023154
40. Юдина Р.С., Гордеева Е.И., Шоева О.Ю., Тихонова М.А., Хлесткина Е.К. Антоцианы как компоненты функционального питания. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2021;25(2):178-189. DOI: 10.18699/VJ21.022
Дополнительные файлы
|
1. Приложение 1 | |
| Тема | Таблица 1. Аллель-специфичные праймеры для ресеквенирования аллелей генов биосинтеза беталаинов у образцов, контрастных по признаку окраски корнеплода. | |
| Тип | Прочее | |
Скачать
(135KB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
2. Приложение 2 | |
| Тема | Таблица 2. Аллельные различия структурных и регуляторных генов биосинтеза беталаиновых пигментов столовой свеклы, выявленные в ходе ресеквенирования. | |
| Тип | Прочее | |
Скачать
(175KB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
3. Приложение 3 | |
| Тема | Рисунок 1. Множественное выравнивание нуклеотидных последовательностей промоторной области и первого экзона гена CYP76AD1 (Phytozome: EL10Ac2g04268), выполненное с помощью программы MULTALIGN, на основании результатов ресеквенирования аллелей образцов свеклы столовой исследуемой выборки. Рамкой зеленого цвета обозначена область первого экзона. | |
| Тип | Прочее | |
Посмотреть
(4MB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
4. Приложение 4 | |
| Тема | Рисунок 2. Множественное выравнивание нуклеотидных последовательностей промоторной области и первого экзона (выделена рамкой зеленого цвета) гена CYP76AD5.1 (Phytozome: EL10Ac9g22160), выполненное с помощью программы MULTALIGN, на основании результатов ресеквенирования аллелей образцов свеклы столовой исследуемой выборки. | |
| Тип | Прочее | |
Посмотреть
(4MB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
5. Приложение 5 | |
| Тема | Рисунок 3. Множественное выравнивание нуклеотидных последовательностей промоторной области и первого экзона (выделена рамкой зеленого цвета) гена CYP76AD5.2 (Phytozome: EL10Ac9g22161), выполненное с помощью программы MULTALIGN, на основании результатов ресеквенирования аллелей образцов свеклы столовой исследуемой выборки. | |
| Тип | Прочее | |
Посмотреть
(4MB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
6. Приложение 6 | |
| Тема | Рисунок 4. Множественное выравнивание нуклеотидных последовательностей промоторной области и первого экзона (выделена рамкой зеленого цвета) гена CYP76AD5.3 (Phytozome: EL10Ac9g22162), выполненное с помощью программы MULTALIGN, на основании результатов ресеквенирования аллелей образцов свеклы столовой исследуемой выборки. | |
| Тип | Прочее | |
Посмотреть
(3MB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
7. Приложение 7 | |
| Тема | Рисунок 5. Множественное выравнивание нуклеотидных последовательностей промоторной области и первого экзона (выделена рамкой зеленого цвета) гена CYP76AD6 (Phytozome: EL10Ac9g22144), выполненное с помощью программы MULTALIGN, на основании результатов ресеквенирования аллелей образцов свеклы столовой исследуемой выборки. Рамкой зеленого цвета выделена область первого экзона. | |
| Тип | Прочее | |
Посмотреть
(1MB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
8. Приложение 8 | |
| Тема | Рисунок 6. Множественное выравнивание нуклеотидных последовательностей промоторной области и первого экзона гена BvDODAl (Phytozome: EL10Ac2g04269), выполненное с помощью программы MULTALIGN, на основании результатов ресеквенирования аллелей образцов свеклы столовой исследуемой выборки. Рамкой зеленого цвета обозначена область первого экзона. | |
| Тип | Прочее | |
Посмотреть
(5MB)
|
Метаданные ▾ | |
|
|
9. Приложение 9 | |
| Тема | Рисунок 7. Множественное выравнивание нуклеотидных последовательностей кодирующей области гена BvMYBl (Phytozome: EL10Ac2g04153), выполненное с помощью программы MULTALIGN, на основании результатов ресеквенирования аллелей образцов свеклы столовой исследуемой выборки. | |
| Тип | Прочее | |
Посмотреть
(1MB)
|
Метаданные ▾ | |
Рецензия
Для цитирования:
Михайлова А.С., Соколова Д.В., Швачко Н.А., Попов В.С., Хлесткина Е.К. Аллельные различия ключевых генов биосинтеза беталаинов у контрастных по окраске корнеплода образцов свеклы столовой коллекции ВИР. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2024;185(1):139-151. https://doi.org/10.30901/2227-8834-2024-1-139-151
For citation:
Mikhailova A.S., Sokolova D.V., Shvachko N.A., Popov V.S., Khlestkina E.K. Allelic differences in the key genes of betalain biosynthesis in table beet accessions with contrasting root color from the VIR collection. Proceedings on applied botany, genetics and breeding. 2024;185(1):139-151. (In Russ.) https://doi.org/10.30901/2227-8834-2024-1-139-151
Просмотров:
361
Послать статью по эл. почте 