Cloning and Functional Analysis of MADS-box Genes, TaAG-A and TaAG-B, from a Wheat K-type Cytoplasmic Male Sterile Line

• DOI: 10.3389/fpls.2017.01081
• Publication Date: 2017-06-20T04:01:39Z
• Authors: Wenlong Yang; Xueyuan Lou; Juan Li; Mingyu Pu; Ameer A. Mirbahar; Dongcheng Liu; Jiazhu Sun; Kehui Zhan; Lixiong He; Aimin Zhang
• Keywords: 0301 basic medicine; cloning; Arabidopsis; Gene Expression; Plant Science; Cytoplasmic male sterility; Gene; functional analysis; SB1-1110; Molecular Mechanisms of Photosynthesis and Photoprotection; Molecular Mechanisms of Plant Development and Regulation; Agricultural and Biological Sciences; 03 medical and health sciences; MADS-box gene; wheat; Biochemistry, Genetics and Molecular Biology; Stamen; Genetics; Pollination; Molecular Biology; Biology; 2. Zero hunger; Software maintainer; Mutant; Botany; male sterile; Plant culture; Life Sciences; Gene silencing; Computer science; Hybrid; Programming language; Molecular Mechanisms of Pollen Development and Function; Phenotype; FOS: Biological sciences; Emasculation; Cloning (programming); Pollen; Heterosis; MADS-box

El trigo (Triticum aestivum L.) es un cultivo importante en todo el mundo. La utilización de la heterosis es un enfoque prometedor para mejorar el rendimiento y la calidad del trigo. Aunque ha habido muchos estudios sobre la esterilidad masculina citoplasmática del trigo, su mecanismo sigue sin estar claro. En este estudio, identificamos dos genes MADS-box de una línea estéril masculina (CMS) citoplasmática de tipo K de trigo utilizando clonación basada en homología. Estos genes se localizaron en los cromosomas 3A y 3B del trigo y se denominaron TaAG-A y TaAG-B, respectivamente. El análisis de los patrones de expresión de TaAG-A y TaAG-B en hojas, espigas, raíces y tallos de trigo de primavera chino determinado mediante RT-PCR cuantitativa reveló diferentes niveles de expresión en diferentes tejidos. TaAG-A tenía niveles de expresión relativamente altos en hojas y espigas, pero niveles bajos en raíces, mientras que TaAG-B tenía niveles de expresión relativamente altos en espigas y menor expresión en raíces, tallos y hojas. Ambos genes mostraron una regulación negativa durante las etapas de mononucleado a trinucleado del desarrollo del polen en la línea mantenedora. Por el contrario, se observó una regulación positiva de TaAG-B en la línea CMS. Los niveles de transcripción de los dos genes fueron claramente más altos en la línea CMS en comparación con la línea mantenedora en la etapa trinucleada. La sobreexpresión de TaAG-A y TaAG-B en Arabidopsis dio como resultado fenotipos con un desarrollo reproductivo más temprano, mortalidad prematura y brotes, estambres y estigmas anormales. La sobreexpresión de TaAG-A y TaAG-B da lugar a mutantes con muchas deformidades. El silenciamiento de TaAG-A y TaAG-B en una línea de trigo fértil utilizando el método de silenciamiento génico inducido por virus (VIGS) dio como resultado plantas con hojas rayadas verdes y amarillas, espigas demacradas y disminución de las tasas de autofecundación de semillas. Estos resultados demuestran que TaAG-A y TaAG-B pueden desempeñar un papel en la esterilidad masculina en la línea CMS del trigo.<br/>Le blé (Triticum aestivum L.) est une culture majeure dans le monde entier. L'utilisation de l'hétérosis est une approche prometteuse pour améliorer le rendement et la qualité du blé. Bien qu'il y ait eu de nombreuses études sur la stérilité mâle cytoplasmique du blé, son mécanisme reste incertain. Dans cette étude, nous avons identifié deux gènes MADS-box à partir d'une lignée de blé cytoplasmique mâle stérile (CMS) de type K en utilisant le clonage basé sur l'homologie. Ces gènes ont été localisés sur les chromosomes 3A et 3B du blé et nommés TaAG-A et TaAG-B, respectivement. L'analyse des modèles d'expression de TaAG-A et de TaAG-B dans les feuilles, les épis, les racines et les tiges du blé de printemps chinois déterminée à l'aide de la RT-PCR quantitative a révélé différents niveaux d'expression dans différents tissus. Le TaAG-A avait des niveaux d'expression relativement élevés dans les feuilles et les épis, mais de faibles niveaux dans les racines, tandis que le TaAG-B avait des niveaux d'expression relativement élevés dans les épis et une expression plus faible dans les racines, les tiges et les feuilles. Les deux gènes ont montré une régulation négative au cours des stades mononucléaire à trinucléaire du développement du pollen dans la lignée du mainteneur. En revanche, une régulation à la hausse du TaAG-B a été observée dans la lignée CMS. Les niveaux de transcription des deux gènes étaient clairement plus élevés dans la lignée CMS par rapport à la lignée de maintien au stade trinucléé. La surexpression de TaAG-A et de TaAG-B chez Arabidopsis a entraîné des phénotypes avec un développement reproductif plus précoce, une mortalité prématurée et des bourgeons, des étamines et des stigmates anormaux. La surexpression de TaAG-A et TaAG-B donne lieu à des mutants présentant de nombreuses déformations. Le silençage de TaAG-A et de TaAG-B dans une lignée de blé fertile à l'aide de la méthode de silençage génique induit par le virus (VIGS) a abouti à des plantes aux feuilles rayées vertes et jaunes, à des pointes émaciées et à une diminution des taux de fixation des graines. Ces résultats démontrent que TaAG-A et TaAG-B peuvent jouer un rôle dans la stérilité mâle dans la lignée CMS du blé.<br/>القمح (Triticum aestivum L.) هو محصول رئيسي في جميع أنحاء العالم. يعد استخدام التغاير نهجًا واعدًا لتحسين محصول القمح وجودته. على الرغم من وجود العديد من الدراسات حول عقم الذكور السيتوبلازمي للقمح، إلا أن آليته لا تزال غير واضحة. في هذه الدراسة، حددنا اثنين من جينات MADS - box من خط القمح K - type cytoplasmic male sterile (CMS) باستخدام الاستنساخ القائم على التماثل. تم تحديد هذه الجينات على كروموسومات القمح 3A و 3B واسمها TaAG - A و TaAG - B، على التوالي. كشف تحليل أنماط تعبير TaAG - A و TaAG - B في الأوراق والمسامير والجذور وسيقان قمح الربيع الصيني التي تم تحديدها باستخدام RT - PCR الكمي عن مستويات تعبير مختلفة في الأنسجة المختلفة. كان لدى TaAG - A مستويات تعبير عالية نسبيًا في الأوراق والمسامير، ولكن مستويات منخفضة في الجذور، في حين كان لدى TaAG - B مستويات تعبير عالية نسبيًا في المسامير وتعبير أقل في الجذور والسيقان والأوراق. أظهر كلا الجينين انخفاضًا في التنظيم أثناء أحادي النواة لتثليث مراحل تطور حبوب اللقاح في خط الصيانة. في المقابل، لوحظت زيادة تنظيم TaAG - B في خط CMS. كانت مستويات النسخ للجينين أعلى بشكل واضح في خط CMS مقارنة بخط الصيانة في المرحلة ثلاثية النوى. أدى التعبير المفرط عن TaAG - A و TaAG - B في الأرابيدوبسيس إلى ظهور أنماط ظاهرية مع نمو إنجابي سابق، ووفيات مبكرة، وبراعم وأسدية ووصمات غير طبيعية. يؤدي التعبير المفرط عن TaAG - A و TaAG - B إلى ظهور طفرات مع العديد من التشوهات. أدى إسكات TaAG - A و TaAG - B في خط القمح الخصيب باستخدام طريقة إسكات الجينات المستحثة بالفيروس (VIGS) إلى نباتات ذات أوراق مخططة خضراء وصفراء، ومسامير هزيلة، وانخفاض معدلات مجموعة البذور الذاتية. تظهر هذه النتائج أن TaAG - A و TaAG - B قد يلعبان دورًا في عقم الذكور في خط CMS للقمح.<br/>Wheat (Triticum aestivum L.) is a major crop worldwide. The utilization of heterosis is a promising approach to improve the yield and quality of wheat. Although there have been many studies on wheat cytoplasmic male sterility, its mechanism remains unclear. In this study, we identified two MADS-box genes from a wheat K-type cytoplasmic male sterile (CMS) line using homology-based cloning. These genes were localized on wheat chromosomes 3A and 3B and named TaAG-A and TaAG-B, respectively. Analysis of TaAG-A and TaAG-B expression patterns in leaves, spikes, roots, and stems of Chinese Spring wheat determined using quantitative RT-PCR revealed different expression levels in different tissues. TaAG-A had relatively high expression levels in leaves and spikes, but low levels in roots, while TaAG-B had relatively high expression levels in spikes and lower expression in roots, stems, and leaves. Both genes showed downregulation during the mononucleate to trinucleate stages of pollen development in the maintainer line. In contrast, upregulation of TaAG-B was observed in the CMS line. The transcript levels of the two genes were clearly higher in the CMS line compared to the maintainer line at the trinucleate stage. Overexpression of TaAG-A and TaAG-B in Arabidopsis resulted in phenotypes with earlier reproductive development, premature mortality, and abnormal buds, stamens, and stigmas. Overexpression of TaAG-A and TaAG-B gives rise to mutants with many deformities. Silencing TaAG-A and TaAG-B in a fertile wheat line using the virus-induced gene silencing (VIGS) method resulted in plants with green and yellow striped leaves, emaciated spikes, and decreased selfing seed set rates. These results demonstrate that TaAG-A and TaAG-B may play a role in male sterility in the wheat CMS line.<br/>