ІДЕНТИФІКАЦІЯ ТА БІОІНФОРМАТИЧНИЙ АНАЛІЗ ГЕНІВ SHSP ORYZA SATIVA
DOI:
https://doi.org/10.31861/biosystems2024.03.280Ключові слова:
абіотичний стрес, біоінформатичний аналіз, генетичний поліморфізм, молекулярна геноміка, молекулярна еволюція, мультигенна родина, α-кристаліновий домен, sHSP, O. sativaАнотація
Рослини введуть прикріплений спосіб життя та постійно зазнають впливу негативних факторів навколишнього середовища, таких як посуха, підвищення температури та висока засоленість ґрунтів, що значно знижують їхню врожайність. Для протидії цим умовам рослини активують захисні механізми, одним із ключових елементів яких є низькомолекулярні білки теплового стресу (sHSP). Ці білки діють як молекулярні шаперони, захищаючи клітини від пошкодження за стресових умов. Незважаючи на їх важливу роль, механізми дії sHSP у рису (Oryza sativa), однієї з основних продовольчих культур світу, досі вивчені недостатньо.
У дослідженні застосовано біоінформатичні методи для ідентифікації, класифікації та аналізу sHSP генів у геномі O. sativa. Амінокислотні послідовності вирівнювали методом G-INS-I на сервері MAFFT. Філогенетичний аналіз проводили методом Maximum likelihood за допомогою плагіна PhyML для Geneious Prime 2023.2.1. Статистична підтримка гілок була розрахована за методом aLRT Chi2. Екзон-інтронну структуру було згенеровано на Gene Structure Display Server 2.0.
В геномі O. sativa виявлено 35 генів sHSP, амінокислотні послідовності яких класифіковано на вісім структурних класів. Аналіз показав значну варіабельність N- та C-кінцевих ділянок sHSP при збереженні консервативності α-кристалінового домену. Пластидні, мітохондріальні, ендоплазматичні та пероксисомальні білки формують окремі гілки на філогенетичному дереві, що свідчить про їх еволюційну дивергенцію. Також визначено білок, що не увійшов до відомих класів. Побудова екзон-інтронної структури підтвердила наявність інтронів у частини генів, що може свідчити про їхню роль у регуляції відповіді на тепловий стрес.
Отримані результати дозволяють краще зрозуміти роль sHSP у механізмах стійкості рослин до абіотичних стресів та є основою для подальших досліджень у напрямку створення високопродуктивних сортів рису.
Посилання
1. Anisimova, M., & Gascuel, O. (2006). Approximate likelihood-ratio test for branches: a fast, accurate, and powerful alternative. Systematic Biology, 55(4), 539–552. https://doi.org/10.1080/1063515060075545
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. ttps://doi.org/10.1093/nar/gkt282
3. Buzduga, I. M., Salamon, I., Volkov, R. A., & Pаnchuk, I. I. (2022). Rapid accumulation of cadmium and antioxidative response in tobacco leaves. The Open Agriculture Journal, 16(1). https://doi.org/10.2174/18743315-v16-e2206271
4. Buzduga, I.M., Volkov, R.A., & Panchuk I.I. (2014). Heat stress affects lipid peroxidation and activity of ascorbate peroxidase in Nicotaina tabacum [Vplyv teplovoho stresu na peroksidne okyslennia lipidiv ta activnist askorbat peroxidasy u Nicotiana tabacum]. Phisiologia Rastenij i Genetika. 46 (2), 151-157. [In Ukrainian].
5. Chandel, G., Dubey, M., & Meena, R. (2012). Differential expression of heat shock proteins and heat stress transcription factor genes in rice exposed to different levels of heat stress. Journal of Plant Biochemistry and Biotechnology, 22(3), 277–285. https://doi.org/10.1007/s13562-012-0156-8
6. Chen, X., Lin, S., Liu, Q., Huang, J., Zhang, W., Lin, J., Wang, Y., Ke, Y., & He, H. (2014). Expression and interaction of small heat shock proteins (sHsps) in rice in response to heat stress. Biochimica Et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics, 1844(4),818–828. https://doi.org/10.1016/j.bbapap.2014.02.010
7. Doliba, I. M., Volkov, R. A., & Panchuk, I. I. (2011). Activity of catalase and ascorbate peroxidase in Cat2 knock-out mutant of Arabidopsis thaliana up-on cadmium stress. Visn. Ukr. Tov. Genet. Sel, 9(2), 200-209.
8. Guindon, S., & Gascuel, O. (2003). A simple, fast, and accurate algorithm to estimate large phylogenies by maximum likelihood. Systematic Biology, 52(5), 696–704. https://doi.org/10.1080/10635150390235520
9. Hagymasi, A. T., Dempsey, J. P., & Srivastava, P. K. (2022). Heat‐Shock proteins. Current Protocols, 2(11). https://doi.org/10.1002/cpz1.592
10. 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
11. 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, mechanismms, and mitigation strategies - a review. Plant Biosystems, 155(2), 211–234. https://doi.org/10.1080/11263504.2020.1727987
12. Hibshman, J. D., Carra, S., & Goldstein, B. (2023). Tardigrade small heat shock proteins can limit desiccation-induced protein aggregation. Communications Biology, 6(1). https://doi.org/10.1038/s42003-023-04512-y
13. Hu, B., Jin, J., Guo, A., Zhang, H., Luo, J., & Gao, G. (2014). GSDS 2.0: an upgraded gene feature visualization server. Bioinformatics, 31(8), 1296–1297. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu817
14. Ji, X., Yu, Y., Ni, P., Zhang, G., & Guo, D. (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
15. Katoh, K., Rozewicki, J., & Yamada, K. D. (2017). MAFFT online service: multiple sequence alignment, interactive sequence choice and visualization. Briefings in Bioinformatics, 20(4), 1160–1166. https://doi.org/10.1093/bib/bbx108
16. Khan, S., Jabeen, R., Deeba, F., Waheed, U., Khanum, P., & Iqbal, N. (2021). Heat shock proteins: classification, functions and expressions in plants during environmental stresses. Journal of Bioresource Management, 8(2), 9. https://doi.org/10.35691/JBM.1202.0183.
17. Lee, B., Won, S., Lee, H., Miyao, M., Chung, W., Kim, I., & Jo, J. (2000). Expression of the chloroplast-localized small heat shock protein by oxidative stress in rice. Gene, 245(2), 283–290. https://doi.org/10.1016/s0378-1119(00)00043-3
18. Letunic, I., & Bork, P. (2021). Interactive Tree Of Life (iTOL) v5: an online tool for phylogenetic tree display and annotation. Nucleic Acids Research, 49(W1), W293–W296. https://doi.org/10.1093/nar/gkab301.
19. Panchuk, I. I., Volkov, R. A., & Schöffl, F. (2002). Heat stress-and heat shock transcription factor-dependent expression and activity of ascorbate peroxidase in Arabidopsis. Plant physiology, 129(2), 838-853. https://doi.org/10.1104/pp.001362
20. Poudel, P. B., & Poudel, M. R. (2020). Heat stress effects and tolerance in wheat: A review. J. Biol. Today’s World, 9(3), 1-6. https://doi.org/10.35248/2322-3308.20.09.217
21. Pyrizhok, R.Yu., Volkov, R.A., & Panchuk I.I. (2009). Peroxidase activity in maize seedlings upon heat stress [Actyvnist peroxidasy prorostkiv kukurudzy v umovakh teplovoho stresu] Phisiologia i biochimia kulturnykh rastenij. 41 (1): 44-49. [In Ukrainian].
22. Reddy, P. S., Chakradhar, T., Reddy, R. A., Nitnavare, R. B., Mahanty, S., & Reddy, M. K. (2016). Role of heat shock proteins in improving heat stress tolerance in crop plants. In Heat shock proteins, 283–307. https://doi.org/10.1007/978-3-319-46340-7_14
23. Rusnak, T.O., Doliba, I.M., Volkov, R.A., & Panchuk I.I. (2013). Guaiacol peroxidase activity in Cat2 knock-out mutant of Arabidopsis thaliana upon heat stress treatment. [Actyvnist guaiacol peroxidasy u Cat2 knock-out mutantiv Arabidopsis thaliana za dii teplovoho stresu]. Phisiologia i biochimia kulturnykh rastenij. 45 (3), 246-253. [In Ukrainian].
24. Sakai, H., Lee, S. S., Tanaka, T., Numa, H., Kim, J., Kawahara, Y., Wakimoto, H., Yang, C., Iwamoto, M., Abe, T., Yamada, Y., Muto, A., Inokuchi, H., Ikemura, T., Matsumoto, T., Sasaki, T., & Itoh, T. (2013). Rice Annotation Project Database (RAP-DB): an integrative and interactive database for rice genomics. Plant and Cell Physiology, 54(2), e6. https://doi.org/10.1093/pcp/pcs183
25. Salse, J., Bolot, S., Throude, M., Jouffe, V., Piegu, B., Quraishi, U. M., Calcagno, T., Cooke, R., Delseny, M., & Feuillet, C. (2008). Identification and characterization of shared duplications between rice and wheat provide new insight into grass genome evolution. The Plant Cell, 20(1), 11–24. https://doi.org/10.1105/tpc.107.056309
26. Scharf, K. D., Höhfeld, I., & Nover, L. (1998). Heat stress response and heat stress transcription factors. Journal of biosciences, 23, 313-329. https://doi.org/10.1007/bf02936124
27. 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
28. 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
29. Sun, L., Liu, Y., Kong, X., Zhang, D., Pan, J., Zhou, Y., Wang, L., Li, D., & Yang, X. (2012). ZmHSP16.9, a cytosolic class I small heat shock protein in maize (Zea mays), confers heat tolerance in transgenic tobacco. Plant Cell Reports, 31(8), 1473–1484. https://doi.org/10.1007/s00299-012-1262-8.
30. 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, 487-502. https://doi.org/10.1007/s11103-005-0339-y
31. Wang, A., Yu, X., Mao, Y., Liu, Y., Liu, G., Liu, Y., & Niu, X. (2015). Overexpression of a small heat‐shock‐protein gene enhances tolerance to abiotic stresses in rice. Plant Breeding, 134(4), 384–393. https://doi.org/10.1111/pbr.12289
32. 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
33. 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
34. Yadav, S., Modi, P., Dave, A., Vijapura, A., Patel, D., & Patel, M. (2020). Effect of abiotic stress on crops. In IntechOpen eBooks. https://doi.org/10.5772/intechopen.88434
35. Zhang, J., Chen, H., Wang, H., Li, B., Yi, Y., Kong, F., Liu, J., & Zhang, H. (2015). Constitutive expression of a tomato small heat shock protein gene LEHSP21 improves tolerance to high-temperature stress by enhancing antioxidation capacity in tobacco. Plant Molecular Biology Reporter, 34(2), 399–409. https://doi.org/10.1007/s11105-015-0925-3
