Genetyczne uwarunkowania twardości ziarna pszenicy i pszenżyta
Sebastian Gasparis
s.gasparis@ihar.edu.plZakład Genomiki Funkcjonalnej, Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin — Państwowy Instytut Badawczy, Radzików (Poland)
Anna Nadolska-Orczyk
Zakład Genomiki Funkcjonalnej, Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin — Państwowy Instytut Badawczy, Radzików (Poland)
Abstrakt
Twardość ziarna pszenicy heksaploidalnej T. aestivum jest cechą determinowaną między innymi przez geny puroindolinowe Pina i Pinb. Geny te kodują białka puroindolinowe PINA i PINB, które akumulowane są w endospermie na powierzchni ziaren skrobiowych. Geny Pina i Pinb występują w genomie D pszenicy heksaploidalnej oraz w genomach pszenic diploidalnych, natomiast pszenica tetraploidalna o genomie AABB nie posiada tych genów. Ortologi genów puroindolinowych występują również u innych gatunków zbóż i wykazują ponad 90% podobieństwo z sekwencją kodującą genów Pin pszenicy. U żyta i pszenżyta heksaploidalnego są to geny sekaloindolinowe Sina i Sinb, które zlokalizowane są w genomie żytnim R. Ze względu na swoje znaczenie, cecha twardości ziarna pszenicy jest obiektem badań od ponad kilkudziesięciu lat. Pierwsze istotne doniesienia na temat dziedziczności tej cechy pojawiły się już w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Natomiast od końca lat dziewięćdziesiątych nastąpił znaczny postęp w tym obszarze, gdy w badaniach wykorzystano nowoczesne metody inżynierii genetycznej. W ramach tych badań ustalono sekwencje genów puroindolinowych i ich promotorów, scharakteryzowano ich zróżnicowanie alleliczne i profile ekspresji. W znacznym stopniu ustalono również strukturę białek puroindolinowych i mechanizm ich działania.
Słowa kluczowe:
psznica, pszenżyto, sekaloindoliny, puroindoliny, twardość ziarnaBibliografia
Amoroso M. G., Longobardo L., Capprarelli R. 2004. Real time RT-PCR and flow cytometry to investigate wheat kernel hardness: role of puroindoline genes and proteins. Biotechnol. Lett 26: 1731 — 1737.
Google Scholar
Beecher B., Bettge A., Smidansky E., Giroux M. J. 2002. Expression of wild-type PinB sequence in transgenic wheat complements a hard phenotype. Theor. Appl. Genet. 105: 870 — 877.
Google Scholar
Bettge A. D., Morris C. F. 2000. Relationships among grain hardness, pentosan fractions and end-use quality of wheat. Cereal Chem. 77: 241 — 247.
Google Scholar
Bettge A. D., Morris C. F., Greenblatt G. A. 1995. Assessing genotypic softness in single wheat kernels using starch granule associated friabilin as a biochemical marker. Euphytica 86: 65 — 72.
Google Scholar
Bhave M., Morris C. F. 2008. Molecular genetics of puroindolines and related genes: allelic diversity in wheat and other grasses. Plant Mol. Biol. 66: 205 — 219.
Google Scholar
Blochet J-E., Chevalier C., Forest E., Pebay-Peyroula E., Gautier M. F., Joudrier P., Pezolet M., Marion D. 1993. Complete amino acid sequence of puroindoline, a new basic and cysteine-rich protein with a unique tryptophan-rich domain, isolated from wheat endosperm by Triton X-114 phase partitioning. FEBS Lett. 329: 336 — 340.
Google Scholar
Budak H., Baenziger P. S., Beecher B. S., Graybosch R. A, Campbell B. T., Shipman M. J., Erayman M., Eskridge K. M. 2004. The effect of introgressions of wheat D-genome chromosomes into 'Presto' triticale. Euphytica 137: 261 — 270.
Google Scholar
Campbell J. B., Martin J. M, Crutcher FD, Meyer F, Clark DR and Giroux MJ. 2007. Effects on soft wheat (Triticum aestivum L.) quality of increased puroindoline dosage. Cereal Chem. 84: 80 — 87.
Google Scholar
Capparelli R., Amoroso M. G., Palumbo D., Iannaccone M., Faleri C., Cresti M. 2005. Two plant puroindolines colocalize in wheat seed and in vitro synergistically fight against pathogens. Plant Mol. Biol. 58: 857 — 867.
Google Scholar
Chantret N., Salse J., Sabot F., Rahman S., Bellec A., Laubin B., Dubois I., Dossat C., Sourdille P., Joudrier P., Gautier M.-F., Cattolico L., Beckert M., Aubourg S., Weissenbach J., Caboche M., Bernard M, Leroy P., Chalhoub B. 2005. Molecular basis of evolutionary events that shaped the Hardness locus in diploid and polyploid wheat species (Triticum and Aegilops). Plant Cell 17: 1033 — 1045.
Google Scholar
Charnet P., Molle G., Marion D., Rousset M., Lullien-Pellerin V. 2003. Puroindolines form ion channels in biological membranes. Biophys J. 84: 2416 — 2426.
Google Scholar
Chen M., Wilkinson M., Tosi P., He G., Shewry P. 2005. Novel puroindoline and grain softness protein alleles in Aegilops species with the C, D, S, M and U genomes. Theor. Appl. Genet. 111: 1159 — 1166.
Google Scholar
Digeon J.-F., Guiderdoni E., Alary R., Michaux-Ferrière N., Joudrier P., Gautier M-F. 1999. Cloning of a wheat puroindoline gene promoter by IPCR and analysis of promoter regions required for tissue-specific expression in transgenic rice seeds. Plant Mol. Biol. 39: 1101 — 1112.
Google Scholar
Douliez J.-P., Michon T., Elmorjani K., Marion D. 2000. Structure, biological and technological functions of lipid transfer proteins and indolines, the major lipid binding proteins from cereal kernels. J. Cereal Sci. 32: 1 — 20.
Google Scholar
Dubreil L., Compoint J. P., Marion D. 1997. Interaction of puroindoline with wheat flour polar lipids determines their foaming properties. J. Agric. Food Chem. 45: 108 — 116.
Google Scholar
Dubreil L., Meliande S., Chiron H., Compoint J-P., Quillien L., Branlard G., Marion D. 1998 a. Effect of puroindolines on the bread making properties of wheat flour. Cereal Chem.75: 222 — 229.
Google Scholar
Dubreil L., Gaborit T., Bouchet B., Gallant D. J, Broekaert W. F, Quillien L, Marion D. 1998 b. Spatial and temporal distribution of the major isoforms of puroindolines (puroindoline-a and puroindoline-b) and non-specific lipid transfer protein (ns-LTP1e1) of Triticum aestivum seeds. Relationships with their in vitro antifungal properties. Plant Sci. 138: 121 — 135.
Google Scholar
Evrard A., Meynard D., Guiderdoni E., Joudrier P., Gautier M-F. 2007. The promoter of the wheat puroindoline-a gene (PinA) exhibits a more complex pattern of activity than that of the PinB gene and is induced by wounding and pathogen attack in rice. Planta 255: 287 — 300.
Google Scholar
Feiz L., Wanjugi H. W., Melnyk C. W., Altossar I., Martin J. M., Giroux M. J. 2009. Puroindolines co-localize to the starch granule surface and increase seed bound polar lipid content. J. Cereal Sci. 50: 91 — 98.
Google Scholar
Gasparis S., Orczyk W., Zalewski W., Nadolska-Orczyk A. 2011. The RNA-mediated silencing of one of the Pin genes in allohexaploid wheat simultaneously decreases the expression of the other, and increases grain hardness. J. Exp. Bot. 62: 4025 — 4036. DOI:10.1093/jxb/err103.
Google Scholar
Gasparis S. 2012. Analiza genów Pina i Pinb determinujących twardość ziarna u heksaploidalnej pszenicy i ich ortologów u pszenżyta. Praca doktorska. IHAR — PIB Radzików.
Google Scholar
Gautier M.-F., Aleman M.-E., Guirao A., Marion D., Joudrier P. 1994. Triticum aestivum puroindolines, two basic cysteine-rich seed proteins: cDNA sequence analysis and developmental gene expression. Plant Mol. Biol. 25: 43 — 57.
Google Scholar
Gautier M.-F., Cosson P., Guirao A., Alary R., Joudrier P. 2000. Puroindoline genes are highly conserved in diploid ancestor wheats and related species but absent in tetraploid Triticum species. Plant Sci. 153: 81 — 91.
Google Scholar
Gazza L., Conti S., Taddei F., Pogna N. E. 2006. Molecular characterization of puroindolines and their encoding genes in Aegilops ventricosa. Mol. Breed. 17: 191 — 200.
Google Scholar
Gazza L., Nocente F., Ng P. K. W., Pogna N. E. 2005. Genetic and biochemical analysis of common wheat cultivars lacking puroindoline a. Theor. Appl. Genet. 110: 470 — 478.
Google Scholar
Giroux M. J., Morris C. F. 1997. A glycine to serine change in puroindoline b is associated with wheat grain hardness and low levels of starch-surface friabilin. Theor. Appl. Genet. 95: 857 — 864.
Google Scholar
Giroux M. J., Morris C. F. 1998. Wheat grain hardness results from highly conserved mutations in the friabilin components puroindoline a and b. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95: 6262 — 6266.
Google Scholar
Glenn G. M., Saunders R. M. 1990. Physical and structural properties of wheat endosperm associated with grain texture. Cereal Chem. 67: 176 — 182.
Google Scholar
Greenblatt G. A., Bettge A. D., Morris C. F. 1995. The relationship among endosperm texture, friabilin occurrence, and bound polar lipids on wheat starch. Cereal Chem. 72: 172 — 176.
Google Scholar
Greenwell P., Schofield J. D. 1986. A starch granule protein associated with endosperm softness in wheat. Cereal Chem. 63: 379 — 380.
Google Scholar
Hogg A. C., Sripo T., Beecher B., Martin J. M., Giroux M. J. 2004. Wheat puroindolines interact to form friabilin and control wheat grain hardness. Theor. Appl. Genet. 108: 1089 — 1097.
Google Scholar
Hogg A. C., Beecher B., Martin J. M., Meyer F. D., Talbert L. E., Lanning S., Giroux M. J. 2005. Hard wheat milling and bread baking traits affected by the seed-specific overexpression of puroindolines. Crop Sci. 45: 871 — 878.
Google Scholar
Igrejas G., Gaborit T., Oury F-X., Chiron H., Marion D., Branlard G. 2001. Genetic and environmental effects on puroindoline-a and puroindoline-b content and their relationship to technological properties in French bread wheats. J. Cereal Sci. 34: 37 — 47.
Google Scholar
Ikeda TM, Ohnishi N, Nagamine T, Oda S, Hisatomi T, Yano H. 2005. Identification of new puroindoline genotypes and their relationship to flour texture among wheat cultivars. J. Cereal Sci. 41: 1 — 6.
Google Scholar
Jing W., Demcoe A. R, Vogel H. J. 2003. Conformation of a bactericidal domain of puroindoline a: structure and mechanism of action of a 13-residue antimicrobial peptide. J Bacteriol 185: 4938 — 4947.
Google Scholar
Jolly C. J, Rahman S., Kortt A. A., Higgins T. J. V. 1993. Characterization of the wheat Mr 15000 “grain-softness protein” and analysis of the relationship between its accumulation in the whole seed and grain softness. Theor. Appl. Genet. 86: 589 — 597.
Google Scholar
Kooijman M., Orsel R., Hessing M., Hamer J. R, Bekkers A. C. A. P. A. 1997. Spectroscopic characterisation of the lipid-binding properties of wheat puroindolines. J. Cereal Sci. 26: 145 — 159.
Google Scholar
Krishnamurthy K., Giroux M. J. 2001. Expression of wheat puroindoline genes in transgenic rice enhances grain softness. Nat. Biotechnol. 19: 162 — 166.
Google Scholar
Krishnamurthy K., Balconi C., Sherwood J. E, Giroux M. J. 2001. Wheat Puroindolines Enhance Fungal Disease Resistance in Transgenic Rice. Mol. Plant Microbe Interact. 14: 1255 — 1260.
Google Scholar
Law C. N., Young C. F., Brown J. W. S., Snape J. W., Worland J. W. 1978. The study of grain protein control in wheat using whole chromosome substitution lines. In: Seed Protein Improvement by Nuclear Techniques, International Atomic Energy Agency, Vienna, Austria: 483 — 502.
Google Scholar
Le Bihan T., Blochet J. E., Desormeaux A., Marion D., Pezolet M. 1996. Determination of the secondary structure and conformation of puroindolines by infrared and Raman spectroscopy. Biochemistry 35: 12712 — 12722.
Google Scholar
Li G., He Z., Pena R J., Xia X., Lillemo M., Qixin S. 2006. Identification of novel secaloindoline-a and secaloindoline-b alleles in CIMMYT hexaploid triticale lines. J. Cereal Sci. 43: 378 — 386.
Google Scholar
Li W., Li H., Gill B. S. 2008. Recurrent deletions of puroindoline genes at the grain hardness locus in four independent lineages of polyploid wheat. Plant Physiol. 146: 200 — 212.
Google Scholar
Lillemo M., Morris C. F. 2000. A leucine to proline mutation in puroindoline b is frequently present in hard wheats from Northern Europe. Theor. Appl. Genet. 100: 1100 — 1107.
Google Scholar
Lillemo M., Simeone M. C., Morris C. F. 2002. Analysis of puroindoline a and b sequences from Triticum aestivum cv. “Penawawa” and related diploid taxa. Euphytica 126: 321 — 331.
Google Scholar
Luo L., Zhang J., Yang G., Li Y., Kexiu L., He G. 2008. Expression of puroindoline a enhances leaf rust resistance in transgenic tetraploid wheat. Mol. Biol. Rep. 35: 195 — 200.
Google Scholar
Martin J., Meyer F., Smidansky E., Wanjugi H., Blechl A., Giroux M. J. 2006. Complementation of the Pina (null) allele with the wild type Pina sequence restores a soft phenotype in transgenic wheat. Theor. Appl. Genet. 113: 1563 — 1570.
Google Scholar
Massa AN, Morris CF. 2006. Molecular evolution of the puroindoline-a, puroindoline-b, and grain softness protein-1 genes in the tribe Triticeae. J. Mol. Evol. 63: 526 — 536.
Google Scholar
McIntosh R. A, Devos K. M., Dubcovsky J., Rogers W. J., Morris C. F., Appels R., Anderson O. D. 2005. Catalogue of gene symbols for wheat: 2005 supplement. http://wheat.pw.usda.gov/ ggpages/wgc/2005upd.html.
Google Scholar
Morris C.F. 1992. Impact of blending hard and soft white wheats on milling and baking quality. Cereal Foods World 37: 643 — 648.
Google Scholar
Morris C. F. 2002. Puroindolines: the molecular genetic basis of wheat grain hardness. Plant Mol. Biol. 48: 633 — 647.
Google Scholar
Morris C.F., Greenblatt G. A, Bettge A. D., Malkawi H. I. 1994. Isolation and characterization of multiple forms of friabilin. J. Cereal Sci. 21: 167 — 174.
Google Scholar
Nadolska-Orczyk A, Gasparis S, Orczyk W. 2009. The determinants of grain texture in cereals. J. Appl. Genet 50: 185 — 197.
Google Scholar
Oda S., Komae K., Yasui T. 1992. Relation between starch granule protein and endosperm softness in Japanese wheat (Triticum aestivum L.) cultivars. Jpn J. Breed. 42: 161 — 165.
Google Scholar
Oda S., Schofield J. D., 1997. Characterization of friabilin polypeptides. J. Cereal Sci. 26: 29 — 36.
Google Scholar
Palumbo D, Iannaccone M, Porta A, Capparelli R. 2010. Experimental antibacterial therapy with puroindolines, lactoferrin and lysozyme in Listeria monocytogenes-infected mice. Microbes Infect. 12: 538 — 545.
Google Scholar
Rahman S., Jolly C. J., Skerritt J. H., Wallosheck A. 1994. Cloning of a wheat 15 kDa grain softness protein (GSP). GSP is a mixture of puroindoline-like polypeptides. Eur. J. Biochem. 223: 917 — 925.
Google Scholar
Ramirez A., Perez G.T., Ribotta P. D., Leon A. E. 2003. The occurrence of friabilins in triticale and their relationship with grain hardness and baking quality. J. Agric. Food Chem. 51: 7176 — 7181.
Google Scholar
Simeone M. C., Lafiandra D. 2005. Isolation and characterization of friabilin genes in rye. J. Cereal Sci. 41: 115 — 122.
Google Scholar
Symes K. J. 1965. The inheritance of grain hardness in wheat as measured by particle size index. Aust. J. Agric. Res. 16: 113 — 123.
Google Scholar
Tranquilli G, Heaton J, Chicaiza O, Dubcovsky J. 2002. Substitutions and deletions of genes related to grain hardness in wheat and their effect on grain texture. Crop Sci. 42: 1812 — 1817.
Google Scholar
Turnbull K. M., Gaborit T., Marion D., Rahman S. 2000. Variation in puroindoline polypeptides in Australian wheat cultivars in relation to grain hardness. Aust. J. Plant Physiol. 27: 153 — 158.
Google Scholar
Turnbull K. M., Marion D., Gaborit T., Appels R., Rahman S. 2003. Early expression of grain hardness in the developing wheat endosperm. Planta 216: 699 — 706.
Google Scholar
Wall M. L., Wheeler H. L., Huebsch M. P., Smith J. C., Figeys D., Altossar I. 2010. The tryptophan-rich domain of puroindoline is directly associated with the starch granule surface as judged by tryptic shaving and mass spectrometry. J. Cereal Sci. 52: 115 — 120.
Google Scholar
Wanjugi H. W., Hogg A. C., Martin J. M., Giroux M. J. 2007. The role of puroindoline a and b individually and in combination on grain hardness and starch association. Crop Sci. 47: 67 — 76.
Google Scholar
Wiley P. R., Tosi P., Evrard A., Lovergrove A., Jones H. D., Shewry P. R. 2007. Promoter analysis and immunolocalisation show that puroindoline genes are exclusively expressed in starchy endosperm cells of wheat grain. Plant Mol. Biol. 64: 125 — 136.
Google Scholar
Williams P. C., Sobering D. C. 1986. Attempts at standardization of hardness testing of wheat. I. The grinding/sieving (particle size index) method. Cereal Foods World 31: 359: 362 — 364.
Google Scholar
Yau W.M., Wimley W. C., Gawrisch K., White S. H. 1998. The preference of tryptophan for membrane interfaces. Biochemistry 37: 14713 — 14718.
Google Scholar
Autorzy
Sebastian Gaspariss.gasparis@ihar.edu.pl
Zakład Genomiki Funkcjonalnej, Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin — Państwowy Instytut Badawczy, Radzików Poland
Autorzy
Anna Nadolska-OrczykZakład Genomiki Funkcjonalnej, Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin — Państwowy Instytut Badawczy, Radzików Poland
Statystyki
Abstract views: 76PDF downloads: 38
Licencja
Prawa autorskie (c) 2013 Sebastian Gasparis, Anna Nadolska-Orczyk
Utwór dostępny jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa – Na tych samych warunkach 4.0 Miedzynarodowe.
Z chwilą przekazania artykułu, Autorzy udzielają Wydawcy niewyłącznej i nieodpłatnej licencji na korzystanie z artykułu przez czas nieokreślony na terytorium całego świata na następujących polach eksploatacji:
- Wytwarzanie i zwielokrotnianie określoną techniką egzemplarzy artykułu, w tym techniką drukarską oraz techniką cyfrową.
- Wprowadzanie do obrotu, użyczenie lub najem oryginału albo egzemplarzy artykułu.
- Publiczne wykonanie, wystawienie, wyświetlenie, odtworzenie oraz nadawanie i reemitowanie, a także publiczne udostępnianie artykułu w taki sposób, aby każdy mógł mieć do niego dostęp w miejscu i w czasie przez siebie wybranym.
- Włączenie artykułu w skład utworu zbiorowego.
- Wprowadzanie artykułu w postaci elektronicznej na platformy elektroniczne lub inne wprowadzanie artykułu w postaci elektronicznej do Internetu, lub innej sieci.
- Rozpowszechnianie artykułu w postaci elektronicznej w internecie lub innej sieci, w pracy zbiorowej jak również samodzielnie.
- Udostępnianie artykułu w wersji elektronicznej w taki sposób, by każdy mógł mieć do niego dostęp w miejscu i czasie przez siebie wybranym, w szczególności za pośrednictwem Internetu.
Autorzy poprzez przesłanie wniosku o publikację:
- Wyrażają zgodę na publikację artykułu w czasopiśmie,
- Wyrażają zgodę na nadanie publikacji DOI (Digital Object Identifier),
- Zobowiązują się do przestrzegania kodeksu etycznego wydawnictwa zgodnego z wytycznymi Komitetu do spraw Etyki Publikacyjnej COPE (ang. Committee on Publication Ethics), (http://ihar.edu.pl/biblioteka_i_wydawnictwa.php),
- Wyrażają zgodę na udostępniane artykułu w formie elektronicznej na mocy licencji CC BY-SA 4.0, w otwartym dostępie (open access),
- Wyrażają zgodę na wysyłanie metadanych artykułu do komercyjnych i niekomercyjnych baz danych indeksujących czasopisma.
Inne teksty tego samego autora
- Prof. dr hab. Anna Nadolska-Orczyk , Karolina Barchacka, Sebastian Gasparis, Hanna Ogonowska, Maciej Kała, Identyfikacja zmienności genetycznej pszenicy korelującej z potencjałem plonotwórczym i wybranymi cechami systemu korzeniowego , Biuletyn Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin: Nr 286 (2019): Wydanie specjalne
- Przemysław Werecki, Marta Dmochowska-Boguta, Anna Nadolska-Orczyk, Wacław Orczyk, Znaczniki typów odporności pszenicy na Puccinia triticina , Biuletyn Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin: Nr 287 (2019): Wydanie specjalne
- Mateusz Przyborowski, Sebastian Gasparis, Wacław Orczyk, Anna Nadolska-Orczyk, Optymalizacja metod detekcji mutacji w genie Nud indukowanej przez technologię CRISPR/Cas9 w jęczmieniu zwyczajnym (Hordeum vulgare L.) , Biuletyn Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin: Nr 287 (2019): Wydanie specjalne
- Maciej Kała, Mateusz Przyborowski, Bogusława Ługowska, Sebastian Gasparis, Anna Nadolska-Orczyk, Charakterystyka białek glutenu w materiałach hodowlanych pszenicy , Biuletyn Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin: Nr 282 (2017): Wydanie regularne
- Joanna Bocian, Anna Nadolska-Orczyk, Udział genów biosyntezy cytokinin w determinacji wysokości plonu pszenicy , Biuletyn Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin: Nr 300 (2023): Wydanie regularne
- Maciej Kała, Mateusz Przyborowski, Sebastian Gasparis, Wacław Orczyk, Anna Nadolska-Orczyk, Klasyfikacja podjednostek gluteninowych z wykorzystaniem metod uczenia maszynowego , Biuletyn Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin: Nr 283 (2018): Wydanie specjalne
- Mateusz Przyborowski, Sebastian Gasparis, Maciej Kała, Wacław Orczyk, Anna Nadolska-Orczyk, Frekwencja alleli puroindolinowych w odmianach kulturowych pszenicy zwyczajnej (Triticum aestivum L.) zdeponowanych w Krajowym Centrum Roślinnych Zasobów Genowych , Biuletyn Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin: Nr 283 (2018): Wydanie specjalne