самосъвместимостта

  • Субекти
  • Обобщение
  • Въведение
  • The с- локус в Брасика Y. Арабидопсис
  • Положителни регулатори в сигналния път за несъвместимост в Брасика
  • Другите srk интерактори в Брасика
  • Сигнален път за несъвместимост в Арабидопсис
  • Перспективи

Субекти

Обобщение

Въведение

Висшите растения имат механизъм за самосъвместимост, за да предотвратят самозалепването и да улеснят преминаването. Смята се, че несъвместимостта със себе си допринася за поддържането на генетичното разнообразие и за предотвратяване на депресия в инбридинг Системата за самосъвместимост Brassicaceae е добре проучена. Специфичността на разпознаване на тази система за самосъвместимост се определя от диплоиден генотип на майчино растение. При самоопрашване поникването на полен и проникването на поленовата тръба в клетъчната стена на стигматичните папиларни клетки се инхибира.

Arabidopsis thaliana, което е образцово растение, принадлежащо към семейство Brassicaceae, не е било използвано за изследване на механизма за самосъвместимост, тъй като A. thaliana е самосъвместим вид поради липсата на функционален SRK и/или SCR. 16, 17, 18, 19, 20, 21 Въпреки това, трансформацията с функционални SRK-SCR гени от самосъвместими Arabidopsis и тясно свързани видове, като Arabidopsis lyrata, Arabidopsis halleri и Capsella gradiflora, придава фенотип на несъвместимост на A. thaliana, 20, 22, 23, 24, 25, 26, което показва, че A. thaliana има молекулярни компоненти, необходими за сигнализиране за самосъвместимост и може да се използва за изследвания за самосъвместимост на механизма Brassicaceae.

Семейството растения Brassicaceae съдържа 338 рода и 3 709 вида, 308 от 338 рода, разпределени към 44 племена. 27, 28 Тези племена са групирани в три велики рода. 29, 30, 31, 32 Arabidopsis и Brassica принадлежат към родовете I и II, съответно, 33 и тези два рода, разделени преди около 15 милиона години. Дублирането или трипликацията на целия геном е настъпило само в рода Brassica, но не и в Arabidopsis след тяхното разделяне. Тези наблюдения предполагат, че Brassica и Arabidopsis биха имали различен генетичен произход, въпреки че и двете несъвместими растения от тези два рода притежават гените SRK и SCR, за да признаят специфичността на самосъвместимостта. В този мини-преглед ние описваме молекулните компоненти, които функционират в SRK-медиирана сигнализация за самосъвместимост в Brassica и в резултатите от оценката на растенията на тези молекулярни компоненти, идентифицирани с помощта на несъвместима трансгенна A. thaliana. Също така обсъждаме общи и различни аспекти на самосъвместимостта между Brassica и Arabidopsis. .

Локусът в Брасика и Арабидопсис

Въпреки че въвеждането на гените Arabidopsis SRK-SCR дава отговор на несъвместимостта с A. thaliana, 20, 22, 23, 24, 25, 26 конструкция на самосъвместими трансгенни растения от A. thaliana чрез въвеждането на Brassica SRK - SCR двойка гени не е била успешна. 34 Едно от възможните обяснения за този неуспех е, че Brassica SRK и/или SCR са твърде диференцирани, за да функционират в Arabidopsis .

Молекулярно-генетичните изследвания изясниха интересна разлика в регионите на S локуса между Brassica и Arabidopsis. В Brassica обикновено се намират три гена в локуса S. В допълнение към гените SRK и SCR, генът S-locus glycoprotein (SLG) се намира в локуса S. Генът SLG кодира разтворим в стигма гликопротеин, показващ силна сходство с S домейна на SRK. Подобно на SRK, SLG е силно полиморфен протеин сред хаплотипите S. Ролята на SLG в самосъвместимостта остава неясна. Тъй като на някои S хаплотипове липсва функционалният SLG ген в S локуса, 35 SLG генът не се счита за съществен компонент в самосъвместимостта в Brassica. Установено е, че SRK S домейнът на самосъвместим мутант Brassica rapa S-54 е 100% идентичен с гена S-54 SLG, 36 което предполага, че генното преобразуване е настъпило между SRK S домейна и SLG, въпреки че това преобразуване ген причинява загуба на SRK функция. Това наблюдение показва възможна роля на SLG в самосъвместимостта, а именно, че генът SLG допринася за производството на нов алел SRK чрез генна конверсия.

Генът SLG не е открит в S локуса на нито един от хаплотиповете на A. lyrata S. Вместо ген SLG, генът ARK3, който е тясно свързан с гена SRK и съдържа S домена, трансмембранния домен и киназен домен се открива в S локуса на A. lyrata. Генът ARK3, както и SRK и SCR, са повлияни от положителна селекция. 37 Освен това се открива генно преобразуване между SRK и ARK3, както се наблюдава в локуса Brassica S. Това генно преобразуване се случва в областта на киназния домейн, 37 и вероятно функционира за насърчаване на еволюцията на SRK, за да се получи нова специфичност на субстрата.

Положителни регулатори в сигналния път за несъвместимост в Брасика

Чрез използване на дрожден двухибриден подход с домена на SRK киназа като примамка, протеинът, съдържащ повторение на рамото (ARC1), е идентифициран като положителен регулатор на SRK-медиираната сигнална каскада. 41 ARC1 е растителна U-Box E3 убиквитин лигаза, която функционира като свързва убиквитин с прицелните протеини. ARC1 се експресира предимно върху стигмата, а ARC1 се фосфорилира от SRK и MLPK in vitro. 41, 42 ARC1 се наблюдава както в цитозола, така и в ядрата, когато се експресира в тютюневи BY-2 клетки, и се премества в локализирани в ER протеазоми, когато ARC1 и SRK 910 се ко-експресират. 42, 43 Установено е, че делецията на гена ARC1 в самосъвместима линия B. napus 'W1' води до частичен колапс на фенотип на самосъвместимост 44, което предполага, че генът ARC1 е необходим за самосъвместимостта на Brassica .

Последващ анализ, използващ двухибридни анализи на дрожди с ARC1 като примамка, идентифицира Exo70A1 като взаимодействащ с ARC1. Exo70A1 е убиквитиниран от ARC1 in vitro. 45 Exo70A1 е субединица на екзоцистния комплекс и мутацията на ортологичния ген на A. thaliana засяга плодовитостта. 45, 46 Нокдаун на EXO70A1 от RNAi в стигмата на самосъвместима B. napus 'Westar' показва намален брой поленови зърна на повърхността на стигмата след опрашването, 45 и, за разлика от това, експресията на Exo70A1 от промотора SLR1, който е специфичен за стигмата промотор, 47 в самосъвместимата линия на B. napus 'W1' частично преодоля самосъвместимостта. Освен това, съвместната експресия на гените SRK и ARC1 причинява преразпределението на Exo70A1 от цитозола към ER-свързани протеазоми в BY-2 клетки на тютюн. 45 В настоящия модел активиран SRK (и MLPK) фосфорилира ARC1 и след това убиквитинът фосфорилира ARC1 Exo70A1 за протеазомно медиирано разграждане, което води до инхибиране на кълняемостта на полени в самоопрашени стигми на самосъвместими растения Brassica (Фигура 1).

Актуален модел на сигналната каскада за несъвместимост в Брасика .

Изображение в пълен размер

Другите srk интерактори в Брасика

Чрез използване на дрожден двухибриден екран с домен SRK киназа като примамка, тиоредоксин H-подобни протеини (THL1 и THL2) са идентифицирани като SRK взаимодействащи вещества. Взаимодействието 48 THL1/2-SRK е медиирано от цистеинов остатък в трансмембранния домен на SRK протеина. 49 In vitro анализ предполага, че добавянето на рекомбинантни THL1/2 протеини инхибира активността на автофосфорилиране на SRK и че това инхибиране се потиска от фракция на поленов слой от същия S хаплотип. 50 Потискане на експресията на THL1 гена/2 в самосъвместим B. napus 'Westar', който има функционален SRK, който е идентичен с B. oleracea SRK 15, 51, показва спонтанно инхибиране на поникването на полени и удължаване на поленовата тръба. 51 Тези резултати предполагат, че протеините THL1/2 функционират като инхибитори на SRK-медиирана сигнализация в растенията Brassica .

В допълнение към ARC1 и THL1/2 протеините, киназа-асоциирана протеинова фосфатаза (KAPP), класификация на нексин 1 и калмодулин са идентифицирани като SRK взаимодействащи агенти. 52 Експерименти с два дрождни хибрида показват, че KAPP взаимодейства с SRK киназния домен. 52 In vitro експерименти разкриват, че SRK фосфорилира KAPP и KAPP дефосфорилира SRK, 52 предполагайки, че KAPP може да функционира при затихване на сигнализирането на SRK. Калмодулинът е идентифициран чрез двухибриден анализ на дрожди с домен на киназа на убит SRK киназен мутант като примамка и взаимодейства с SRK по Ca2 + -зависим начин. 52 Установено е също, че класификацията на нексин 1 взаимодейства с убития от киназа мутант. 52 Необходимостта и ролята на тези протеини в самосъвместимостта обаче остават неясни.

Сигнален път за несъвместимост при Arabidopsis

Въпреки че A. thaliana е самосъвместимо растение, самосъвместимите трансгенни растения на A. thaliana са успешно изградени чрез въвеждане на SRK-SCR гени от тясно свързани видове, като A. lyrata, A. halleri и C. gradiflora, в A. thaliana. 20, 22, 23, 24, 25, 26 Тези резултати показват, че A. thaliana има всички молекулни компоненти, необходими за сигнализиране за самосъвместимост, различни от SRK и/или SCR. Поради високоефективния и лесен протокол за трансформация на A. thaliana и много генетични ресурси, трансгенните растения на A. thaliana позволяват вътрешно-растителна оценка на молекулните компоненти в механизма за самосъвместимост, идентифицирани в растенията Brassica .

Генът на A. thaliana APK1b (At2g28930) показва най-голямо сходство с гена на B. rapa MLPK. Подобно на гена MLPK, APK1b произвежда два транскрипта от две различни места за иницииране. 39, 53 В допълнение, хромозомната област на B. rapa, съдържаща MLPK, показва най-висок синтез с хромозомна област на A. thaliana, съдържаща APK1b. 53 Трансгенната SRKb-SCRb A. thaliana, която носи мутация на вмъкване на Т-ДНК в APK1b (SALK_055314), която е нулева мутация, 39, 54 показва реакция на несъвместимост към самия прашец, което показва, че мутацията apk1b не е повлияла реакцията на автосъвместимост при трансгенни растения SRKb-SCRb A. thaliana. 53 Наскоро се съобщава за мутация на apk1b в A. thaliana, която влияе на стомашната проводимост. 55 Тези доклади предполагат, че APK1b не работи върху сигнализиране за несъвместимост, а по-скоро работи върху друга сигнална каскада.

Геномът на B. rapa съдържа три предполагаеми ортологични гена от A. thaliana APK1b, т.е. MLPK (Bra000478), Bra035659 и Bra040929, поради допълнителна трипликация на генома при видове Brassica. Въпреки че геномният регион на B. rapa, съдържащ MLPK гена, показва най-голямо сходство с този, съдържащ APK1b, анализът на синтеза, използвайки геномния регион на A. thaliana, съдържащ APK1b като заявка, разкри, че геномният регион на Brassica, съдържащ Bra035659, има най-висок синтез сред трите геномика. Региони Brassica, което показва, че Bra035659 е ортологичният ген APK1b, а A. thaliana не съдържа ортологичен ген Brassica MLPK. Тези наблюдения могат да предположат, че ако MLPK се изисква за сигнализиране за самосъвместимост в растенията Brassica, генът MLPK би се появил като положителен регулатор на сигнализирането за самосъвместимост след диференциация на видовете между Brassica и Arabidopsis. .

Проучване на генома на A. thaliana разкри, че A. thaliana няма ортологичен ген за гена Brassica ARC1. 53, 56 За разлика от A. thaliana, A. lyrata, която е самосъвместим вид Arabidopsis, има ARC1 ортолог. 56 Съобщава се, че отпадането на гена ARC1 в стигмите на A. lyrata причинява частичен колапс на реакцията на самосъвместимост. 56 Освен това е установено, че ARC1 гените на A. lyrata и ARC1 на B. rapa придават силен фенотип на автосъвместимост на трансгенния A. thaliana Col-0 SRKb-SCRb, който показва преходен фенотип на автосъвместимост, което предполага, че ARC1 играе важна роля в сигнализирането за самосъвместимост на Arabidopsis. Въпреки това, трансгенните растения на A. thaliana C24 SRKb-SCRb показват силна реакция на самосъвместимост, въпреки че генът ARC1 не е открит в генома на A. thaliana C24 или в генома на A. thaliana Col-0. 56

Перспективи

След идентифицирането на гена SRK в Brassica, последващо изследване представи няколко кандидати като възможни компоненти на сигнализирането за самосъвместимост в Brassica. Експерименталните резултати in vitro предоставят интересен модел на самосъвместима сигнална каскада в Брасика (Фигура 1). Въпреки това, поради трудността на трансформацията и промяната на генното насочване в самосъвместими растения Brassica, конструираният модел за самосъвместимост не е потвърден от експерименти с растения, използващи генно инактивирани самосъвместими мутантни растения.

Тъй като методът за генно насочване на немоделни организми, включително Brassica, не е разработен, е трудно да се проучи необходимостта и ролята на идентифицираните кандидати в механизма за самосъвместимост в Brassica. Наскоро обаче бяха разработени нови методи за редактиране на генома, като TALEN и CRISPR/Cas, 60. Разработването на тези методи трябва да ни позволи да конструираме немоделни самосъвместими растителни нулеви мутанти, за да изследваме ефектите на кандидат-гените върху сигнализирането за самосъвместимост. На свой ред молекулните компоненти, които функционират в сигнализирането за самосъвместимост на Arabidopsis, не са идентифицирани. Следователно се изисква и идентифициране на молекулните компоненти при самосъвместимостта на Arabidopsis. В заключение, при растителната оценка на кандидат-гени в сигнализирането за самосъвместимост Brassica и идентифицирането на молекулярни компоненти на сигнализирането за самосъвместимост Arabidopsis, това допринася за познаването не само на молекулярния механизъм на самосъвместимост, но и еволюционните аспекти на механизма на самосъвместимост при Brassicaceae.