ön-inkompatibilitása

  • Tárgyak
  • Összegzés
  • Bevezetés
  • A s- lokusz be Brassica Y Arabidopsis
  • Pozitív szabályozók az ön-összeférhetetlenségi jelzés útjában Brassica
  • A többi srk interaktor Brassica
  • Ön-inkompatibilitás jelzési útvonal Arabidopsis
  • Perspektívák

Tárgyak

Összegzés

Bevezetés

A magasabb rendű növények ön-inkompatibilitási mechanizmussal rendelkeznek az önellenőrzés megakadályozására és az átlépés megkönnyítésére. Az ön-inkompatibilitás hozzájárul a genetikai sokféleség fenntartásához és a beltenyésztési depresszió megelőzéséhez. A Brassicaceae ön-inkompatibilitási rendszert jól tanulmányozták. Ennek az ön-inkompatibilitási rendszernek a felismerési specifitását az anyanövény diploid genotípusa határozza meg. Önporzás esetén a pollen csírázása és a pollentömlő behatolása a stigma papilláris sejtek sejtfalába gátolt.

Az Arabidopsis thaliana-t, amely a Brassicaceae családba tartozó mintanövény, nem használták az ön-inkompatibilitási mechanizmus tanulmányozásához, mivel az A. thaliana egy önmagával kompatibilis faj a funkcionális SRK és/vagy SCR hiánya miatt. 16, 17, 18, 19, 20, 21 Azonban önmagukkal nem kompatibilis Arabidopsis és szorosan rokon fajok, például Arabidopsis lyrata, Arabidopsis halleri és Capsella gradiflora funkcionális SRK-SCR génjeivel történő transzformáció az A. thaliana önkompatibilitási fenotípusát adja, 20, 22, 23, 24, 25, 26, jelezve, hogy A. thaliana rendelkezik az ön-inkompatibilitási jelzéshez szükséges molekuláris komponensekkel, és felhasználható a Brassicaceae-mechanizmus ön-inkompatibilitási vizsgálataihoz.

A Brassicaceae növénycsalád 338 nemzetséget és 3709 fajt tartalmaz, a 338 nemzetségből 308-at 44 törzshöz rendeltek. 27, 28 Ezek a törzsek három nagy nemzetségbe vannak csoportosítva. A 29., 30., 31., 32. Arabidopsis és a Brassica az I., illetve a II. Vonalhoz tartozik, 33 és ez a két nemzetség körülbelül 15 millió évvel ezelőtt különvált. A teljes genom megkettőzése vagy megduplázódása csak a Brassica nemzetségben fordult elő, az Arabidopsis-ban azonban elválasztásuk óta nem. Ezek a megfigyelések azt sugallják, hogy a Brassica és az Arabidopsis eltérő genetikai háttérrel rendelkezne, bár e két nemzetség mindkét ön-inkompatibilis növénye rendelkezik az SRK és az SCR génnel, hogy felismerje az ön-inkompatibilitás sajátosságát. Ebben a mini-áttekintésben leírjuk azokat a molekuláris komponenseket, amelyek a Brassica SRK által közvetített ön-inkompatibilitási jelátvitelében működnek, és ezen molekulakomponensek növényértékelési eredményeiben, amelyeket önkompatibilis transzgén A. thaliana alkalmazásával azonosítottunk. Megvitatjuk a Brassica és az Arabidopsis közötti ön-összeférhetetlenség közös és különböző aspektusait is. .

Az s- locus Brassicában és Arabidopsisban

Noha az Arabidopsis SRK-SCR gének bevezetése az A. thaliana (20, 22, 23, 24, 25, 26) A. inkalibilis transzgénikus növények építésének önkompatibilitási válaszát adja a Brassica SRK bevezetésével - Az SCR génpár nem volt sikeres. 34 Ennek a kudarcnak az egyik lehetséges magyarázata, hogy a Brassica SRK és/vagy SCR túlságosan differenciált ahhoz, hogy Arabidopsisban működhessen .

A molekuláris genetikai vizsgálatok érdekes különbséget tisztáztak az S-lokusz régiókban a Brassica és az Arabidopsis között. A Brassica-ban általában három gén található az S-lokuszban. Az SRK- és SCR-gének mellett az S-lokusz-glikoprotein (SLG) gén található az S-lokuszban. Az SLG-gén egy stigmában oldódó glikoproteint kódol, amely erős hasonlóság az SRK S doménjével. Az SRK-hoz hasonlóan az SLG is erősen polimorf fehérje az S haplotípusok között, az SLG szerepe az ön-inkompatibilitásban továbbra sem tisztázott. Mivel egyes S haplotípusokból hiányzik a funkcionális SLG gén az S lokuszban, 35 az SLG gént nem tekintik a Brassica önkompatibilitásának alapvető elemének. Megállapították, hogy egy önkompatibilis Brassica rapa S-54 mutáns SRK S doménje 100% -ban megegyezik az S-54 SLG génnel. az SRK funkció elvesztése. Ez a megfigyelés jelzi az SLG lehetséges szerepét az ön-inkompatibilitásban, nevezetesen azt, hogy az SLG gén génkonverzióval hozzájárul egy új SRK allél előállításához.

Az SLG-gént egyik A. lyrata S-haplotípus S-lokuszán sem találták, az SLG-gén helyett az ARK3-gént, amely szorosan kapcsolódik az SRK-génhez, és tartalmazza az S-domént, a transzmembrán domént és a kináz domén az A. lyrata S lokuszán található. Az ARK3 gént, valamint az SRK-t és az SCR-t pozitív szelekció befolyásolta. 37 Ezenkívül az SRK és az ARK3 közötti génkonverziót detektáltuk, amint azt a Brassica S lokuszban megfigyeltük, Ez a génkonverzió a kináz domén régiójában történt, 37 és valószínűleg az SRK evolúciójának elősegítésére működött, hogy új szubsztrát-specifitást eredményezzen.

Pozitív szabályozók a Brassica önkompatibilitási jelátviteli útvonalán

Élesztő két-hibrid megközelítés alkalmazásával csalétekként az SRK kináz doménnel azonosítottuk a kar ismétlést tartalmazó fehérjét (ARC1) az SRK által közvetített jelátviteli kaszkád pozitív szabályozójaként. Az ARC1 egy növényi U-Box E3 ubiquitin ligáz, amely az ubiquitin és a célfehérjék közötti kötésére szolgál. Az ARC1 túlnyomórészt a stigmán expresszálódik, az ARC1-et pedig in vitro SRK és MLPK foszforilezi. A dohány BY-2 sejtekben expresszálva 41,42 ARC1-et mind a citoszolban, mind a sejtmagokban megfigyeltek, és az ER-lokalizált proteaszómákba helyezték át, amikor az ARC1 és az SRK 910 együtt expresszáltak. 42, 43 Az ARC1 gén deléciója egy önmagával nem kompatibilis B. napus 'W1' vonalon azt találták, hogy a 44. önkompatibilitás fenotípus részleges összeomlását eredményezte, ami arra utal, hogy az ARC1 gén szükséges a Brassica önkompatibilitásához. .

Az ezt követő elemzés élesztő két-hibrid vizsgálatokat használva csaliként ARC1-gyel, az Exo70A1-t kölcsönhatásba hozza az ARC1-gyel. Az Exo70A1-et in vitro az ARC1 ubiquitinizálta. 45 Az Exo70A1 az exociszta komplex alegysége, és az A. thaliana ortológ génjének mutációja befolyásolta a termékenységet. 45, 46 Az EXO70A1 RNAi általi leütése az önkompatibilis B. napus 'Westar' stigmában a beporzás után a pollenszemek számának csökkenését mutatta a stigma felületén, 45 és ezzel ellentétben az Exo70A1 expresszióját az SLR1 promoter egy stigma-specifikus promóter, 47 a B. napus 'W1' ön-inkompatibilis vonalában részben legyőzte az ön-inkompatibilitást. Ezenkívül az SRK és az ARC1 gének együttes expressziója az Exo70A1 újrafelosztását okozta a citoszolból az ER-asszociált proteázómákba a dohány BY-2 sejtjeiben. 45 Egy jelenlegi modellben az aktivált SRK (és MLPK) foszforilálja az ARC1-et, majd az ubiquitin foszforilezett ARC1 Exo70A1-t a proteaszóma által közvetített lebontáshoz, ami a pollenkezelés gátlását eredményezi az önkompatibilis Brassica növények önbeporzó stigmáiban (1. ábra).

Az ön-inkompatibilitás jelző kaszkádjának aktuális modellje Brassicában .

Teljes méretű kép

A többi srk interaktor Brassicában

Az élesztő két-hibrid szkrínelésével, amelynek csaliként az SRK kináz domént használjuk, a tioredoxin H-szerű fehérjéket (THL1 és THL2) azonosítottuk SRK kölcsönhatókként. A 48 THL1/2-SRK interakciót egy cisztein maradék közvetítette az SRK fehérje transzmembrán doménjében. 49 Az in vitro elemzés azt sugallta, hogy a rekombináns THL1/2 fehérjék hozzáadása gátolta az SRK autofoszforilációs aktivitását, és hogy ezt a gátlást egy azonos S haplotípusú pollenréteg-frakció elnyomta. 50 A THL1 gén/2 önkompatibilis B. napus 'Westar', amelynek funkcionális SRK-ja megegyezik a B. oleracea SRK 15, 51-gyel, spontán gátolta a pollen csírázását és a pollentömlő megnyúlását. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a THL1/2 fehérjék az SRK által közvetített jelátvitel gátlóiként működnek a Brassica növényekben .

Az ARC1 és THL1/2 fehérjék mellett a kináz-asszociált protein-foszfatázt (KAPP), a nexin 1 osztályozást és a kalmodulint azonosították SRK-val kölcsönhatásba lépő szerként. 52 Két élesztő hibriddel végzett kísérletek kimutatták, hogy a KAPP kölcsönhatásba lép az SRK kináz doménnel. In vitro kísérletek azt mutatták, hogy az SRK foszforilált KAPP-t és a KAPP defoszforilezett SRK-t mutatott be, 52 arra utal, hogy a KAPP működhet az SRK jelátvitel csillapításában. A kalmodulint élesztő két-hibrid analízissel azonosítottuk egy elhalt SRK kináz mutáns kináz doménjével csaliként, és Ca2 + -függő módon lépett kölcsönhatásba az SRK-val. 52 A nexin 1 osztályozásról kiderült, hogy kölcsönhatásba lép a kináz által elpusztított mutánssal is. 52 Ezen fehérjék szükséglete és szerepe az ön-inkompatibilitásban azonban továbbra is tisztázatlan.

Ön-inkompatibilitás jelzési útja Arabidopsisban

Noha az A. thaliana önkompatibilis növény, az önkompatibilis transzgén A. thaliana növényeket sikeresen felépítették oly módon, hogy szorosan rokon fajokból, például A. lyrata, A. halleri és C. gradiflora származó SRK-SCR géneket vezettek be A. thaliana. 20, 22, 23, 24, 25, 26 Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az A. thaliana rendelkezik az összes önkompatibilitási jelzéshez szükséges molekuláris komponenssel, az SRK és/vagy az SCR kivételével. Az A. thaliana rendkívül hatékony és egyszerű transzformációs protokollja és számos genetikai erőforrás miatt a transzgenikus A. thaliana növények lehetővé teszik a Brassica növényekben azonosított molekuláris komponensek növényi értékelését az ön-inkompatibilitási mechanizmusban. .

Az A. thaliana APK1b (At2g28930) gén mutat a legnagyobb hasonlóságot a B. rapa MLPK génnel. Az MLPK génhez hasonlóan az APK1b két átiratot készített két különböző iniciációs helyről. 39, 53 Ezenkívül az MLPK-t tartalmazó B. rapa kromoszomális régiója mutatja a legnagyobb szintézist az A. thaliana kromoszomális régiójával, amely APK1b-t tartalmaz. A transzgenikus SRKb-SCRb A. thaliana, amely a T-DNS inszertációs mutációját hordozza az APK1b-ben (SALK_055314), ami nulla mutáció, 39, 54 önkonkompatibilitási reakciót mutatott maga a pollen felé, jelezve, hogy az apk1b mutáció nem befolyásolta az autoinkompatibilitási válasz transzgénikus SRKb-SCRb A. thaliana növényekben. 53 Nemrégiben az A. thaliana apk1b mutációjáról számoltak be, hogy befolyásolja a sztóma vezetőképességét. 55 Ezek a jelentések azt sugallják, hogy az APK1b nem önkompatibilitási jelzéssel működik, hanem inkább egy másik jelző kaszkádon működik.

A B. rapa genom három feltételezett ortológ gént tartalmaz az A. thaliana APK1b-től, azaz az MLPK-tól (Bra000478), a Bra035659-től és a Bra040929-től, a Brassica fajokban történő további genom-triplikáció miatt. Bár az MLPK gént tartalmazó B. rapa genomi régiója mutat a legnagyobb hasonlóságot az APK1b tartalommal, szintézisanalízis az APK1b-t tartalmazó A. thaliana genomi régiójának lekérdezésével azt mutatta, hogy a Bra035659-et tartalmazó Brassica genomi régiójában van a legnagyobb szintézis a három genomika. Brassica régiók, jelezve, hogy a Bra035659 az APK1b ortológ gén, az A. thaliana pedig nem tartalmaz Brassica MLPK ortológ gént. Ezek a megfigyelések arra utalhatnak, hogy ha az MLPK-ra van szükség az ön-inkompatibilitási jelzéshez a Brassica növényekben, akkor az MLPK gén az ön-inkompatibilitás jelzésének pozitív szabályozójaként jelent volna meg a Brassica és az Arabidopsis fajdifferenciálása után. .

Az A. thaliana genom felméréséből kiderült, hogy az A. thaliana nem rendelkezik ortológ génnel a Brassica ARC1 génhez. 53, 56 Az A. thalianával ellentétben az A. lyrata, amely önmagában nem kompatibilis Arabidopsis faj, ARC1 ortológussal rendelkezik. 56 Beszámoltak arról, hogy az ARC1 gén az A. lyrata stigmáiba ejtésével az ön-inkompatibilitási válasz részleges összeomlását idézi elő. 56 Ezenkívül azt találták, hogy az A. lyrata ARC1 génje és a B. rapa ARC1 génje erős autoinkompatibilitási fenotípust kölcsönöz a transzgén A. thaliana Col-0 SRKb-SCRb-nek, amely tranziens autoinkompatibilitási fenotípust mutat, ami arra utal, hogy az ARC1 játszik fontos szerepe van az Arabidopsis ön-inkompatibilitási jelzésében. A transzgénikus A. thaliana C24 SRKb-SCRb növények azonban erős ön-inkompatibilitási választ mutatnak, bár az ARC1 gén nem található meg az A. thaliana C24 genomban vagy az A. thaliana Col-0 genomban. 56

Perspektívák

Az SRK gén Brassica-ban történő azonosítását követően a későbbi kutatások több jelöltet is bemutattak az ön-inkompatibilitás szignálozásának lehetséges komponenseiként Brassicában. Az in vitro kísérleti eredmények érdekes modellt szolgáltattak egy önkompatibilis jelátviteli kaszkádról Brassica-ban (1. ábra). Azonban az önmagukkal inkompatibilis Brassica növények transzformációjának és megváltoztatásának nehézségei miatt az ön-inkompatibilitásra felépített modellt gén-inaktivált, önkompatibilis mutáns növények alkalmazásával végzett növénykísérletek nem erősítették meg.

Mivel a nem modell organizmusok, köztük a Brassica géncélzási módszerét nem fejlesztették ki, nehéz volt megvizsgálni az azonosított jelöltek szükségességét és szerepét a Brassica önkompatibilitási mechanizmusában. Azonban a közelmúltban új genomszerkesztési módszereket fejlesztettek ki, mint például a TALEN és a CRISPR/Cas, 60. Ezeknek a módszereknek a fejlesztése lehetővé teszi számunkra, hogy nem-modell önkompatibilis növényi null mutánsokat állítsunk össze, hogy megvizsgálhassuk a jelölt gének hatásait az ön-inkompatibilitás jelzésére. Viszont az Arabidopsis ön-inkompatibilitási jelzésében működő molekuláris komponenseket nem sikerült azonosítani. Ezért az Arabidopsis ön-inkompatibilitásában a molekuláris komponensek azonosítására is szükség van. Összegzésként elmondható, hogy a jelölt gének növényi értékelésében a Brassica ön-inkompatibilitási jelátvitelben és az Arabidopsis ön-inkompatibilitási jelzés molekuláris komponenseinek azonosításában nemcsak az ön-összeférhetetlenség molekuláris mechanizmusának, hanem az az ön-inkompatibilitás mechanizmusának evolúciós aspektusai Brassicaceae-ban.