Транскрипционная активность митохондриальных генов у внутривидового и межвидовых гибридов подсолнечника

Актуальность. Генетическое устройство растительных клеток подразумевает скоординированную работу трех геномов: ядерного, пластидного и митохондриального. Гибридизация между генетически разнородными родителями может приводить к изменениям в сложившемся ядерно-цитоплазматическом балансе, что в свою очередь может влиять на уровень и согласованность экспрессии их генов. Изменения транскрипционной активности генов органелл (в частности митохондрий) при отдаленной (межвидовой) гибридизации остаются мало изученными. Результаты. В данном исследовании методом количественного ПЦР была проведена оценка уровня транскрипционной активности митохондриальных генов atp1, atp4, atp6, atp9, nad3, nad6, cox1, cox3 у внутривидового и межвидовых гибридов подсолнечника и их родительских форм из коллекции ВИР. По результатам анализа транскрипционной активности митохондриальные гены можно разделить на три группы: гены с относительно высоким уровнем экспрессии – atp1, atp6, nad6, гены со средним уровнем экспрессии – atp4, cox1, cox3 и гены с низким уровнем экспрессии – atp9, nad3. Сравнительный анализ не показал значимой разницы (P<0,05) между материнскими линиями и гибридами. Экспрессия гена nad6 в случае Helianthus argophyllus (Torr. & A. Gray) была в 2,6 раза выше по сравнению с линиями культурного подсолнечника. Заключение. Отсутствие значимых изменений в экспрессии митохондриальных генов как у внутри-, так и у межвидовых гибридов, вероятно, свидетельствует об отсутствии значительных изменений в регуляции ядерно-цитоплазматических взаимодействий у данных гибридов.

1. Barb J.G., Bowers J.E., Renaut S., Rey J.I., Knapp S.J., Rieseberg L.H., Burke J.M. Chromosomal evolution and patterns of introgression in Helianthus. Genetics. 2014;197:969-979. DOI: 10.1534/genetics.114.165548

2. Barreto P., Dambire C., Sharma G., Vicente J., Osborne R., Yassitepe J., Gibbs D.J., Maia I.G., Holdsworth M.J., Arruda P. Mitochondrial retrograde signaling through UCP1-mediated inhibition of the plant oxygen-sensing pathway. Current Biology. 2022;32:1403-1411.e4. DOI: 10.1016/j.cub.2022.01.037

3. Best C., Mizrahi R., Ostersetzer-Biran O. Why so complex? The intricacy of genome structure and gene expression, associated with angiosperm mitochondria, may relate to the regulation of embryo quiescence or dormancy – intrinsic blocks to early plant life. Plants. 2020;9:598. DOI: 10.3390/plants9050598

4. Bock D.G., Andrew R.L, Rieseberg L.H. On the adaptive value of cytoplasmic genomes in plants. Molecular Ecology. 2014;23:4899-4911. DOI: 10.1111/mec.12920

5. Bohra A., Jha U.C., Adhimoolam P., Bisht D., Singh N.P. Cytoplasmic male sterility (CMS) in hybrid breeding in field crops. Plant Cell Reports. 2016;35:967-993. DOI: 10.1007/s00299-016-1949-3

6. Bustin S.A., Benes V., Garson J.A., Hellemans J., Huggett J., Kubista M., Mueller R., Nolan T., Pfaffl M.W., Shipley G.L., Vandesompele J., Wittwer C.T. The MIQE Guidelines: Minimum Information for Publication of Quantitative Real-Time PCR Experiments. Clinical Chemistry. 2009;55:611-622. DOI: 10.1373/clinchem.2008.112797

7. Chang C.C., Rodriguez J., Ross J. Mitochondrial – Nuclear Epistasis Impacts Fitness and Mitochondrial Physiology of Interpopulation Caenorhabditis briggsae Hybrids. G3 Genes|Genomes|Genetics. 2016;6:209-219. DOI: 10.1534/g3.115.022970

8. Chevigny N., Schatz-Daas D., Lotfi F., Gualberto J.M. DNA Repair and the Stability of the Plant Mitochondrial Genome. International Journal of Molecular Sciences. 2020;21(1):328. DOI: 10.3390/ijms21010328

9. Garmash E.V. Mitochondrial respiration of the photosynthesizing cell. Russian Journal of Plant Physiology. 2016;63:13-25. DOI: 10.1134/S1021443715060072

10. Giegé P., Sweetlove L.J., Cognat V., Leaver C.J. Coordination of Nuclear and Mitochondrial Genome Expression during Mitochondrial Biogenesis in Arabidopsis. The Plant Cell. 2005;17:1497-1512. DOI: 10.1105/tpc.104.030254

11. Gualberto J.M., Mileshina D., Wallet C., Niazi A.K., Weber-Lotfi F., Dietrich A. The plant mitochondrial genome: Dynamics and maintenance. Biochimie. 2014;100:107-120. DOI: 10.1016/j.biochi.2013.09.016

12. Kleine T., Leister D. Retrograde signaling: Organelles go networking. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 2016;1857:1313-1325. DOI: 10.1016/j.bbabio.2016.03.017

13. Knoop V., Volkmar U., Hecht J., Grewe F. Mitochondrial Genome Evolution in the Plant Lineage. In: Kempken F. (ed). Plant Mitochondria. Springer, New York, NY; 2011. p.3-29. (Advances in Plant Biology (AIPB); vol. 1). DOI: 10.1007/978-0-387-89781-3_1

14. Leister D. Retrograde signaling in plants: from simple to complex scenarios. Frontiers in Plant Science. 2012;3:135. DOI: 10.3389/fpls.2012.00135

15. Makarenko M.S., Gavrilova V.A. NGS Reads Dataset of Sunflower Interspecific Hybrids. Data. 2023;8:67. DOI: 10.3390/data8040067

16. Maréchal A, Brisson N. Recombination and the maintenance of plant organelle genome stability. The New Phytologist. 2010;186:299-317. DOI: 10.1111/j.1469-8137.2010.03195.x

17. Meena H.P., Sujatha M., Pushpa H.D., Lai J.J. Cytomorphological and molecular characterization of inter-specific hybrid between cultivated sunflower and Helianthus argophyllus. Journal of Environmental Biology; 2020;41:66-72. DOI: 10.22438/jeb/41/1/MRN-1116

18. Morley S.A., Nielsen B.L. Plant mitochondrial DNA. Frontiers in Bioscience (Landmark Edition). 2017;22:1023-1032. DOI: 10.2741/4531

19. Park H.S., Lee W.K., Lee S.C., Lee H.O., Joh H.J., Park J.Y., Kim S., Song K., Yang T.J. Inheritance of chloroplast and mitochondrial genomes in cucumber revealed by four reciprocal F1 hybrid combinations. Scientific Reports. 2021;11:2506. DOI: 10.1038/s41598-021-81988-w

20. Sujatha M., Lakshminarayana M. Resistance to Spodoptera litura (Fabr.) in Helianthus species and backcross derived inbred lines from crosses involving diploid species. Euphytica. 2007;155:205-213. DOI: 10.1007/s10681-006-9322-1

21. Wang Y., Selinski J., Mao C., Zhu Y., Berkowitz O., Whelan J. Linking mitochondrial and chloroplast retrograde signalling in plants. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2020;375:20190410. DOI: 10.1098/rstb.2019.0410

22. Zancani M., Braidot E., Filippi A., Lippe G. Structural and functional properties of plant mitochondrial F-ATP synthase. Mitochondrion 2020;53:178-193. DOI: 10.1016/j.mito.2020.06.001