ЕКСПРЕСІЯ ГЕНІВ ПЛАСТИДНИХ ТА МІТОХОНДРІАЛЬНИХ sHSP У NICOTIANA SYLVESTRIS ЗА ДІЇ ТЕПЛОВОГО СТРЕСУ
DOI:
https://doi.org/10.31861/biosystems2026.01.073Ключові слова:
абіотичний стрес, біоінформатичний аналіз, генетичний поліморфізм, експресія генів, мультигенна родина, тепловий стрес, sHSP, Nicotiana sylvestrisАнотація
В умовах кліматичних змін дослідження механізмів захисту рослин від підвищених температур набуває особливої актуальності. Низькомолекулярні білки теплового шоку (small HSP - sHSP) відіграють ключову роль у підтримці білкового гомеостазу та регуляції відповіді рослин на стресові фактори, а саме - на тепловий стрес. У роботі здійснено біоінформатичний та експериментальний аналіз родини генів sHsp у Nicotiana sylvestris. Використання оновленої анотованої збірки геному дозволило ідентифікувати 48 генів sHsp, що є суттєвим розширенням порівняно з попередніми даними. Встановлено, що ці гени належать до 16 структурних класів, серед яких представлені білки з різною передбачуваною субклітинною локалізацією.
Для подальшого аналізу були обрані шість генів, які кодують sHSP з пластидною та мітохондріальною локалізацією: NslHsp18.1-MPI, NslHsp21.3-MPI, NslHsp24.4-MPI, NslHsp24.9-PI, NslHsp26.4- PI, NslHsp25.7-MPII. Методом кількісної ЗТ-ПЛР оцінено профіль експресії цих генів у листках N. sylvestris за контрольних умов (25°C) та після короткочасного теплового шоку (37°C і 42°C). За фізіологічно оптимальної температури експресія досліджених sHsp була низькою або відсутньою. Інкубація за температури 37°C викликала суттєву активацію транскрипції генів NslHsp24.4-MPI, NslHsp24.9-PI, NslHsp26.4- PI, NslHsp25.7-MPII, а за 42°C цей ефект підсилювався. Водночас два гени – NslHsp-18.1-МPI та NslHsp-21.3-МPI – залишались помірно експресованими навіть за умов більш інтенсивного теплового шоку, що може відображати їхню допоміжну роль у стресовій відповіді.
Отримані дані демонструють класо- та компартмент-специфічний характер індукції sHSP у N. sylvestris та розширюють уявлення про молекулярні основи термотолерантності представників роду Nicotiana.
Посилання
1. Bavisotto, C. C., Alberti, G., Vitale, A. M., Paladino, L., Campanella, C., Rappa, F., Gorska, M., De Macario, E. C., Cappello, F., Macario, A. J. L., & Gammazza, A. M. (2020). HSP60 post-translational modifications: functional and pathological consequences. Frontiers in Molecular Biosciences, 7, 95. https://doi.org/10.3389/fmolb.2020.00095
2. Boratyn, G. M., Camacho, C., Cooper, P. S., Coulouris, G., Fong, A., Ma, N., Madden, T. L., Matten, W. T., McGinnis, S. D., Merezhuk, Y., Raytselis, Y., Sayers, E. W., Tao, T., Ye, J., & Zaretskaya, I. (2013). BLAST: a more efficient report with usability improvements. Nucleic Acids Research, 41(W1), W29–W33. https://doi.org/10.1093/nar/gkt282
3. Bourgine, B., & Guihur, A. (2021). Heat shock signaling in land plants: From plasma membrane sensing to the transcription of small heat shock proteins. Frontiers in Plant Science, 12, 710801. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.710801.
4. Cai, G., Niu, M., Sun, Z., Wang, H., Zhang, S., Liu, F., Wu, Y., & Wang, G. (2024). A small heat shock protein (SlHSP17.3) in tomato plays a positive role in salt stress. Frontiers in Plant Science, 15. https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1443625
5. Friedrich, T., Oberkofler, V., Trindade, I., Altmann, S., Brzezinka, K., Lämke, J., Gorka, M., Kappel, C., Sokolowska, E., Skirycz, A., Graf, A., & Bäurle, I. (2021). Heteromeric HSFA2/HSFA3 complexes drive transcriptional memory after heat stress in Arabidopsis. Nature Communications, 12, 3426. https://doi.org/10.1038/s41467-021-23786-6 .
6. Goodspeed, T., & Thompson, M. (1959). Cytotaxonomy of Nicotiana.II Botanical Review, 25(2), 385–415. http://www.jstor.org/stable/4353598
7. Guo, L.-M., Li, J., He, J., Liu, H., & Zhang, H.-M. (2020). A class I cytosolic HSP20 of rice enhances heat and salt tolerance in different organisms. Scientific Reports, 10, 1383. https://doi.org/10.1038/s41598-020-58395-8 .
8. Guo, M., Liu, J.-H., Lu, J.-P., Zhai, Y.-F., Wang, H., Gong, Z.-H., Wang, S.-B., & Lu, M.-H. (2015). Genome-wide analysis of the CaHsp20 gene family in pepper: Comprehensive sequence and expression profile analysis under heat stress. Frontiers in Plant Science, 6. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.00806
9. Hagymasi, A. T., Dempsey, J. P., & Srivastava, P. K. (2022). Heat‐Shock proteins. Current Protocols, 2(11), e592. https://doi.org/10.1002/cpz1.592
10. Haq, S. U., Khan, A., Ali, M., Khattak, A. M., Gai, W., Zhang, H., Wei, A., & Gong, Z. (2019). Heat shock proteins: dynamic biomolecules to counter plant biotic and abiotic stresses. International Journal of Molecular Sciences, 20(21), 5321. https://doi.org/10.3390/ijms20215321
11. Haslbeck, M., & Vierling, E. (2015). A first line of stress defense: small heat shock proteins and their function in protein homeostasis. Journal of Molecular Biology, 427(7), 1537–1548. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2015.02.002
12. Hassan, M. U., Chattha, M. U., Khan, I., Chattha, M. B., Barbanti, L., Aamer, M., Iqbal, M. M., Nawaz, M., Mahmood, A., Ali, A., & Aslam, M. T. (2020). Heat stress in cultivated plants: nature, impact, mechanisms, and mitigation strategies - a review. Plant Biosystems - an International Journal Dealing With All Aspects of Plant Biology, 155(2), 211–234. https://doi.org/10.1080/11263504.2020.1727987
13. Hu, Y., Zhang, T., Liu, Y., Li, Y., Wang, M., Zhu, B., Liao, D., Yun, T., Huang, W., Zhang, W., & Zhou, Y. (2021). Pumpkin (Cucurbita moschata) HSP20 gene family identification and expression under heat stress. Frontiers in Genetics, 12, 753953. https://doi.org/10.3389/fgene.2021.753953 .
14. Huang, J., Hai, Z., Wang, R., Yu, Y., Chen, X., Liang, W., & Wang, H. (2022). Genome-wide analysis of HSP20 gene family and expression patterns under heat stress in cucumber (Cucumis sativus L.). Frontiers in Plant Science, 13, 968418. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.968418
15. Ji, X.-R., Yu, Y.-H., Ni, P.-Y., Zhang, G.-H., & Guo, D.-L. (2019). Genome-wide identification of small heat-shock protein (HSP20) gene family in grape and expression profile during berry development. BMC Plant Biology, 19(1). https://doi.org/10.1186/s12870-019-2031-4
16. Kang, Y., Lee, K., Hoshikawa, K., Kang, M., & Jang, S. (2022). Molecular bases of heat stress responses in vegetable crops with focusing on heat shock factors and heat shock proteins. Frontiers in Plant Science, 13. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.837152
17. Kingston, R.E., Chomczynski, P. and Sacchi, N. (1996). Guanidine methods for total RNA preparation. Current Protocols in Molecular Biology, 36: 4.2.1-4.2.9. https://doi.org/10.1002/0471142727.mb0402s36
18. Kozub, L. V., Tynkevich, Y. O., Volkov, R. A., & Panchuk, I. I. (2026). Identification and analysis of the organization of sHsp genes in Nicotiana attenuata and Solanum lycopersicum (Solanaceae). Cytology and Genetics, 60(1), 21–40. https://doi.org/10.3103/s0095452726010044
19. Kozub, L., & Panchuk, I. (2024a). Bioinformatic analysis of the coding sequences of Nicotiana sylvestris sHSP. Scientific Herald of Chernivtsi University. Biology (Biological Systems), 16(1), 31–40. https://doi.org/10.31861/biosystems2024.01.031
20. Kozub, L., & Panchuk, I. (2024b). Identification and bioinformatics analysis of sHSP genes in Oryza sativa. Scientific Herald of Chernivtsi University. Biology (Biological Systems), 16(3). https://doi.org/10.31861/biosystems2024.03.280
21. Liu, Y.-L., Liu, S., Xiao, J.-J., Cheng, G.-X., Ul, H. S., & Gong, Z.-H. (2021). CaHSP18.1a, a small heat shock protein from pepper (Capsicum annuum L.), positively responds to heat, drought, and salt tolerance. Horticulturae, 7(5), 117. https://doi.org/10.3390/horticulturae7050117
22. Lopes-Caitar, V. S., De Carvalho, M. C., Darben, L. M., Kuwahara, M. K., Nepomuceno, A. L., Dias, W. P., Abdelnoor, R. V., & Marcelino-Guimarães, F. C. (2013). Genome-wide analysis of the Hsp 20 gene family in soybean: comprehensive sequence, genomic organization and expression profile analysis under abiotic and biotic stresses. BMC Genomics, 14(1), 577. https://doi.org/10.1186/1471-2164-14-577
23. Miroshnichenko, G., Volkov, R., & Kostyshin, S. (1988). Divergence of the polynucleotide sequences of DNA in interspecies Solanaceae hybrids. Biochemistry-Moscow, 53(4), 492-498.
24. Mondal, S., Karmakar, S., Panda, D., Pramanik, K., Bose, B., & Singhal, R. K. (2023). Crucial plant processes under heat stress and tolerance through heat shock proteins. Plant Stress, 10, 100227. https://doi.org/10.1016/j.stress.2023.100227 .
25. Murashige, T., & Skoog, F. (1962). A revised medium for rapid growth and bio assays with tobacco tissue cultures. Physiologia Plantarum, 15(3), 473–497. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x
26. Muthusamy, S. K., Dalal, M., Chinnusamy, V., & Bansal, K. C. (2017). Genome-wide identification and analysis of biotic and abiotic stress regulation of small heat shock protein (HSP20) family genes in bread wheat. Journal of plant physiology, 211, 100-113. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2017.01.004
27. Peters, C., Haslbeck, M., & Buchner, J. (2024). Catchers of folding gone awry: A tale of small heat shock proteins. Trends in Biochemical Sciences, 49(12), 1063–1078. https://doi.org/10.1016/j.tibs.2024.08.003 .
28. Samal, K. C., Sahoo, J. P., Behera, L., & Dash, T. (2021). Understanding the BLAST program and a step-by-step guide for its use in life science research. Bhartiya Krishi Anusandhan Patrika. https://doi.org/10.18805/bkap283
29. Sanmiya, K., Suzuki, K., Egawa, Y., & Shono, M. (2004). Mitochondrial small heat-shock protein enhances thermotolerance in tobacco plants. FEBS Letters, 557(1–3), 265–268. https://doi.org/10.1016/s0014-5793(03)01494-7
30. Scharf, K., Siddique, M., & Vierling, E. (2001). The expanding family of Arabidopsis thaliana small heat stress proteins and a new family of proteins containing α-crystallin domains (Acd proteins). Cell Stress & Chaperones, 6(3), 225. https://doi.org/10.1379/1466-1268(2001)006<0225:tefoat>2.0.co;2
31. Siddique, M., Gernhard, S., Von Koskull-Döring, P., Vierling, E., & Scharf, K. (2008). The plant sHSP superfamily: five new members in Arabidopsis thaliana with unexpected properties. Cell Stress and Chaperones, 13(2), 183–197. https://doi.org/10.1007/s12192-008-0032-6
32. Volkov, R. A., Panchuk, I. I., & Schöffl, F. (2003). Heat-stress-dependency and developmental modulation of gene expression: The potential of house-keeping genes as internal standards in mRNA expression profiling using real-time RT-PCR. Journal of Experimental Botany, 54(391), 2343–2349. https://doi.org/10.1093/jxb/erg244
33. Volkov, R. A., Panchuk, I. I., & Schöffl, F. (2005). Small heat shock proteins are differentially regulated during pollen development and following heat stress in tobacco. Plant Molecular Biology, 57(4), 487–502. https://doi.org/10.1007/s11103-005-0339-y
34. Waters, E. R. (2012). The evolution, function, structure, and expression of the plant sHSPs. Journal of Experimental Botany, 64(2), 391–403. https://doi.org/10.1093/jxb/ers355
35. Waters, E. R., & Vierling, E. (2020). Plant small heat shock proteins - evolutionary and functional diversity. New Phytologist, 227(1), 24–37. https://doi.org/10.1111/nph.16536
36. Yu, J. H., Kim, K. P., Park, S. M., & Hong, C. B. (2005). Biochemical analysis of a cytosolic small heat shock protein, NtHSP18.3, from Nicotiana tabacum. Molecules and Cells, 19(3), 328–333. https://doi.org/10.1016/s1016-8478(23)13176-1
37. Yu, J., Cheng, Y., Feng, K., Ruan, M., Ye, Q., Wang, R., … Wan, H. (2016). Genome-wide identification and expression profiling of tomato Hsp20 gene family in responsible to biotic and abiotic stresses. Frontiers in Plant Science, 7. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01215
38. Zhao, P., Wang, D., Wang, R., Kong, N., Zhang, C., Yang, C., … Chen, Q. (2018). Genome-wide analysis of the potato Hsp20 gene family: Identification, genomic organization and expression profiles in response to heat stress. BMC Genomics, 19(1). https://doi.org/10.1186/s12864-018-4443-1
