Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

STRUCTURE OF ANTHOCYANIDIN SYNTHASE GENE IN RYE

Andreeva E.A. 1, 2 Lykholay A.N. 2 Zykin P.A. 2 Voylokov A.V. 1
1 Vavilov Institute of General Genetics Russian Academy of Sciences
2 Saint Petersburg State University
Anthocyanins are ancient plant pigments which help in pollination, seed and fruit distribution and protection of cells from the excessive sunlight and ultraviolet radiation. Peterhof rye genetic collection contain forms with mutations causing different phenotypes: from complete absence of anthocyanins in the plant to forms with various anthocyanin content in vegetative and generative organs. Anthocyanidin synthase (ANS gene) is necessary for the synthesis of coloured anthocyanins from uncolored precursors. We sequenced part of the ANS gene corresponding to the FE2OG_OXY (Fe(2+) 2-oxoglutarate dioxygenase) domain in 6 anthocyaninless lines and 3 lines with anthocyanin. A comparative analysis of nucleotide and amino acid sequences revealed nonsense mutation in vi2 line and significant sequence variability in other lines such as single nucleotide substitutions and deletions of 6 and 9 nucleotides. In lines with anthocyanin in vegetative parts of plants (line 2 and 87) amino-acid substitution and 9 bp deletion in active center of the enzyme was found. Results of the study will be used to determine the molecular basis of the synthesis of anthocyanins in rye.
anthocyanins
rye
anthocyanidin synthase
mutations
anthocyaninless lines

Антоцианы – древние пигменты растений флавоноидной природы, придающие различным частям растений окраску синих, фиолетовых, красных цветов. В Петергофской генетической коллекции ржи сохранены линии с разнообразной окраской тканей и органов, обусловленной разным качественным и количественным составом антоцианов. Основными функциями антоцианов в растениях являются привлечение животных – опылителей и распространителей семян и защита клеток от избыточного солнечного света и повреждения ультрафиолетом [1]. Поскольку рожь опыляется ветром, а семена рассеиваются преимущественно без участия животных, то функция защиты от УФ-излучения является в данном случае для антоцианов ржи основной. Рожь (Secale cereale L.) – хлебная злаковая культура, которую человек культивирует со времён неолита. Рожь ценна своим зерном для питания человека, как сырье для производства спирта и крахмала, зелёные части растения идут на корм скоту и в качестве сидерата. В последние несколько лет опубликовано значительное количество статей, посвящённых положительному влиянию на здоровье человека от употребления ржаных продуктов. Положительные эффекты отмечены для больных диабетом 2-го типа, инфарктом миокарда [2], помимо этого, рожь даже поддерживает целостность нейронов [3]. Кроме того, в отличие от более широко возделываемого злака – пшеницы, рожь в значительной степени сохранила природное разнообразие, в том числе и по окраске семян. Окраска семян у ржи в основном зависит от наличия антоцианов, являющихся антиоксидантами. Ряд статей и обзоров подтверждают положительное влияние на здоровье человека потребляемых с пищей антоцианов [4]. На основании литературных данных можно заключить, что зёрна ржи, особенно с антоциановой окраской, являются ценным пищевым продуктом, на основе которого производится так называемая «здоровая» еда (functional food). В этой связи изучение биосинтеза антоцианов у линий ржи с различным типом окраски для определения конкретных генов представляется актуальным.

Путь биосинтеза антоцианов в растениях изучен довольно полно, в частности его изучали у ячменя, риса, кукурузы. Необходимым для синтеза окрашенных антоцианов из неокрашенных предшественников является фермент антоцианидинсинтаза, за синтез которого ответственен ген ANS. В Петергофской генетической коллекции ржи идентифицированы безантоциановые линии, несущие рецессивные мутации в пяти неаллельных генах (vi1, vi2, vi3, vi4, vi5, vi6) и не имеющие антоциановой окраски зерна и вегетативных органов. Мы предположили, что, по крайней мере, у части безантоциановых линий изменения могут быть связаны с мутациями именно в гене ANS. Для проверки этой гипотезы авторами был секвенирован и проанализирован функционально значимый участок гена ANS у шести безантоциановых линий и трех высокоинбредных линий с наличием антоциановой окраски.

Материалы и методы исследования

В работе использованы 6 линий ржи (vi1, vi2, vi3, vi4, vi5, vi6), характеризующиеся отсутствием антоциановой окраски на вегетативных частях растения и в зерне. Линии содержат мутации в пяти неаллельных генах (vi1, vi2, vi3, vi4 = vi5, vi6). В качестве контрольных были использованы высокоинбредные линии 2, 7 и 87. Линии 2 и 7 характеризуются жёлтой (безантоциановой) окраской зерновок и наличием антоциановой окраски на вегетативных частях растений, у линии 87 зелёная окраска зерновок (содержится антоциан дельфинидин рутинозид) и наличие антоциановой окраски на вегетативных частях растений. Для выделения ДНК семена проращивали на чашках в нестерильных условиях. ДНК выделяли из 5–7-дневных проростков с использованием буфера на основе цетиламмоний бромида по протоколу [5]. Качество ДНК оценивали на 1 % агарозном геле. Амплификацию фрагмента гена ANS проводили с использованием праймеров

Ans_F_new GGGAAGAGGGAGTGGGAGGACTACCTGT, Ans_R_new GCGAAGACGACCCAGGAGACGCGCACGG (ООО «Бигль», РФ). Последовательность участка данного гена взята из базы данных NCBI (Sequence ID NCBI: EU815626.1) [6] с уточнениями на основании собственных результатов секвенирования. Амплификацию продукта размером 542 п.н. проводили при температуре отжига 60 °С в амплификаторе «Терцик» (ООО «ДНК-Технология», РФ). Секвенирование ПЦР-продуктов проводили на генетическом анализаторе ABI Prism 3500xl (Applied Biosystems, USA).

Анализ сиквенсов проводили с помощью программы Chromas [7], поиск сходных нуклеотидных и аминокислотных последовательностей проводили в базе NCBI с помощью алгоритма BLAST [8], поиск контигов ржи [9], трансляцию нуклеотидных последовательностей и поиск белковых доменов [10], множественное выравнивание нуклеотидных и аминокислотных последовательностей [11].

Результаты исследования и их обсуждение

Анализ нуклеотидных последовательностей участка гена ANS

Одним из существенных ферментов биосинтеза антоцианов является антоцианидинсинтаза. Для ржи в базе данных по нуклеотидным последовательностям NCBI содержится лишь небольшой (542 п.н.) фрагмент соответствующего гена ANS (Sequence ID: EU815626.1) [6], для других видов, в частности пшеницы, известны полные сиквенсы генов ANS. На основе выравнивания нуклеотидных последовательностей генов ANS пшеницы нами были подобраны праймеры для амплификации фрагмента длиной 580 п.н., отличного от имеющегося в GenBank. Амплификаты, наработанные на ДНК безантоциановых растений линий vi1…vi6 и контрольных линий 2, 7 и 87, были отсеквенированы. Анализ полученных сиквенсов выявил различия в последовательностях, связанных с однонуклеотидными заменами и делециями/инсерциями нуклеотидов длиной 6 и 9 нуклеотидов. Причём эти различия были выявлены не только между безантоциановыми линиями и контрольными линиями, но и среди контрольных линий.

Так, у линий 2 и 87 присутствует делеция в 9 нуклеотидов, которой нет у всех остальных линий; у всех линий кроме линии vi3 присутствует делеция в 6 нуклеотидов (рис. 1). Таким образом, на уровне анализа нуклеотидных последовательностей нам не удалось выявить различия, которые бы маркировали признак «наличие антоциановой окраски». Поскольку длина выявленных делеций кратна 3 (размеру кодона), то следующим нашим шагом стала трансляция нуклеотидных последовательностей и анализ соответствующих аминокислотных последовательностей.

and1.tif

Рис. 1. Фрагмент множественного выравнивания нуклеотидных последовательностей участка гена ANS. Vi1, vi3, vi4, vi5, vi6 – безантоциановые линии, L2, L7, L87 – линии с антоциановой окраской. * отмечены совпадающие нуклеотиды – делеция нуклеотида

Анализ аминокислотных последовательностей участка гена ANS

Для установления рамки считывания отсеквенированные последовательности сравнивали с генами антоцианидинсинтазы пшеницы (Sequence ID NCBI: AB247917.1, AB247919.1, AB247920.1). Трансляция и анализ аминокислотной последовательности линии vi2 позволил обнаружить преждевременный стоп-кодон в рамке считывания. Данный факт позволяет предположить, что отсутствие антоцианов в линии vi2 действительно связано с мутацией в гене антоцианидинсинтазы.

Поскольку нас очень заинтересовал факт обнаружения в сиквенсах линий довольно необычных делеций кратных трём, мы решили выяснить, является ли такая вариабельность «нормальной» для гена антоцианидинсинтазы и могут ли быть связаны делеции с нарушениями в функциональных доменах белка.

Для оценки вариабельности гена антоцианидинсинтазы мы проанализировали нуклеотидные последовательности этого гена у близкого родственника ржи, пшеницы Triticum aestivum L. У пшеницы охарактеризованы 5 генов антоцианидинсинтазы (Sequence ID NCBI: AB247917.1, AB247919.1, AB247920.1, AB247921.1, AB247918.1). Выравнивание нуклеотидных последовательностей выявило несколько делеций/инсерций, но в области исследуемого участка (154–306 а.к.) мы обнаружили только одну 6-нуклеотидную делецию, присутствующую у генов TaANS-A2, TaANS-B1, TaANS-B2, TaANS-D1 и отсутствующую у гена TaANS-A1. Таким образом, вариабельность участка гена антоцианидинсинтаза у ржи значительно выше, чем у пшеницы, что согласуется с данными о том, что в отличие от более широко возделываемого злака – пшеницы, рожь в значительной степени сохранила природное разнообразие не только на фенотипическом, но и на генотипическом уровне [12].

Структура белка антоцианидинсинтаза хорошо изучена на арабидопсисе [13]. Мы сравнили аминокислотные последовательности арабидопсиса и фрагментов гена антоцианидинсинтазы исследуемых линий ржи. Несмотря на довольно длительную (около 100 млн лет) независимую эволюцию однодольных и двудольных растений, аминокислотные последовательности оказались с довольно значительной степенью сходства (49 % по данным выравнивания). Сопоставив выявленные у белка арабидопсиса участки, формирующие вторичные структуры (α-спирали и β-слои), а также, функционально значимые аминокислоты, участвующие в присоединении ионов железа, являющихся кофакторами, с последовательностью ржи (рис. 2), можно заметить, что в основном, делеции находятся в промежутках между функционально значимыми участками и не затрагивают их.

and2.tif

Рис. 2. Множественное выравнивание аминокислотных последовательностей гена антоцианидинсинтазы арабидопсиса (At) и фрагментов гена антоцианидинсинтазы ржи (линии vi1, vi3, vi4, vi5, vi6, L87, L2, L7) и последовательности домена FE2OG_OXY (оксиглутарат/железозависимая диоксигеназа). Жёлтым цветом выделены участки, формирующие α-спирали, розовым – β-слои, синим шрифтом выделены аминокислоты, участвующие в присоединении ионов железа

Исключение составляют 9-нуклеотидные делеции, затрагивающие участок β-слоя, у линий 2 и 87. Интересным фактом является и однонуклеотидная замена, приводящая к замене у тех же линий аспарагиновой кислоты (D) на аспарагин (N) в положении 234 (по последовательности арабидопсиса). Эта замена, по-видимому, является существенной, поскольку аспарагиновая кислота участвует в присоединении ионов железа, необходимых для каталитической функции антоцианидинсинтазы. В этом положении у всех остальных проанализированных последовательностей ржи, арабидопсиса и пшеницы находится именно аспарагиновая кислота. Аспарагиновая кислота и аспарагин довольно сильно отличаются по физико-химическим свойствам, а значит, эта замена должна значительно отразиться на каталитических свойствах фермента и фенотипе растений. Однако линии 2 и 87 проявляют антоциановую окраску на вегетативных частях растений и на зерновках (линия 87). Можно предположить, что у ржи, как и у других злаковых, в геноме присутствует не одна копия гена антоцианидинсинтаза, а несколько. При функциональном повреждении одной копии не происходит блокирование синтеза антоцианов на всём растении, а лишь на некоторых частях. Это предположение подтверждается данными по секвенированию генома ржи в 2017 г. [14]. В базе данных нуклеотидных последовательностей ржи [9] нам удалось обнаружить три последовательности, отнесённые авторами к гену антоцианидинсинтазы на основе сходства с пшеницей T. urartum и Aegilops tauschii. Одну из этих последовательностей отнесли к хромосоме 4. К сожалению, сиквенсы последовательностей, представленные в базе данных, довольно короткие и их сравнительный анализ не позволяет надёжно подтвердить версию о нескольких копиях антоцианидинсинтазы в геноме ржи.

Заключение

Проанализировав нуклеотидные и аминокислотные последовательности участка гена антоцианидинсинтазы ржи, соответствующего домену FE2OG_OXY (оксиглутарат/железозависимая диоксигеназа), мы пришли к следующим заключениям:

1) преждевременный стоп-кодон у линии vi2 позволяет предполагать, что основа безантоциановости связана с мутацией в гене антоцианидинсинтазы;

2) выявлена значительная вариабельность структуры последовательности домена FE2OG_OXY у ржи по сравнению с пшеницей. Межлинейные различия включают в себя однонуклеотидные замены и делеции/инсерции длиной 6 и 9 нуклеотидов;

3) различия в последовательностях домена FE2OG_OXY у линий ржи в большинстве случаев не затрагивают функционально значимые участки;

4) исключением являются делеция в 6 нуклеотидов и несинонимичная замена в пределах функционально значимых участков у линий 2 и 87 с антоциановой окраской вегетативных частей растений. Поскольку значимые замены не привели к отсутствию антоцианов у этих линий, можно предположить, что в геноме ржи присутствует несколько копий генов антоцианидинсинтазы, что подтверждается результатами геномного секвенирования.

Дальнейшие исследования молекулярных основ проявления безантоциановости будут связаны с секвенированием и анализом полноразмерных копий гена ANS у линий ржи, прежде всего у линии vi2.

Данная работа была выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-04-00411 и в рамках темы «Генетика и селекция ржи на основе наследственного природного разнообразия». Часть работы проведена в Ресурсном центре «Развитие молекулярных и клеточных технологий» СПбГУ.