جهش متفاوت در ساختمان گیاه کوشاد گل سفید Two different mutations are involved in the formation of white-flowered gentian plants
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : الزویر (Elsevier)
- چاپ و سال / کشور: 2005
توضیحات
چاپ شده در مجله علوم گیاهی (Plant Science)
رشته های مرتبط: زیست شناسی، ژنتیک و علوم گیاهی
ژاپنی ها گیاهان gentian را که به طور طبیعی گل های آبی دارند کشت می دهند اما تعدادی گیاه گل سفید از طریق جهش های خود به خودی در میان آن ها پراکنده شد. برای تعیین مبنای مولکولی رنگ پذیری سفید در گل های gentian، ما ۲ گیاه گل سفید polano , Homoi را با یک گیاه گل آبی maciry با استفاده از مسیرهای بیوشیمیایی و مولکولی مقایسه کرده ایم. اجرای کروماتوگرافی مایع (HPLC) در جهت تجزیه و تحلیل داده ها نشان می دهد که سطح فلاون در polano سفید تنها حدود نیمی از میزان اندازه گیری شده در ۲ گونه ی دیگر بود در حالی که آنتوسیانین در دو گونه گل سفید در مقایسه با maciry که میزان بالایی جمع کرده اند وجود ندارد. تجزیه و تحلیل northern ژن های ساختاری بیوسنتز فلاونوئید قبلا به طور موقتی گزارش شده است که در maciry تنظیم شده است نشان می دهد که Homoi فاقد رونوشت های ژن سنتز آنتوسیانین است در حالی polano سفید برای بیان ANS به اندازه کالکون سنتز (CHS)، فلاوانون ۳ هیدروکسیلاز (F3H)، فلاونوئید ۳ و ۵ هیدروکسیلاز (F,3,5,H)، دی هیدروفلاونول ۴ ردوکتاز (DFR)، UDP گلوکز فلاونوئید ۳ گلوکوزیل ترانسفراز (۳GT) و آنتوسیانین ۵- آروماتیک آسیل ترانسفراز (۵AT) کاهش یافته است. تجزیه و تحلیل ساترن بلاست کمبود یکی از دو لوکوس ANS در Homoi را تأیید می کند. بیان زودگذر ANS در گلبرگ های گل به طور قوی پیشنهاد می کند که گل های سفید در Homoi از جهش ANS ناشی می شود. علاوه بر این تجزیه و تحلیل تنش تحریک کننده رنگیزه سازی در گل پیشنهاد می کند که بیشتر از جهش ها در ژن های ساختاری چندتایی عامل بوده است یک نقص در یک عامل تنظیمی یا بیشتر مراحل بعدی بیوسنتز فلاونوئیدهای مسئول رنگ سفید در polano سفید را کنترل می کند. مقدمه یکی از اهداف مهم پرورش گل های زینتی به دست آوردن محدوده ی وسیعی از رنگ های گل است. رنگ بندی گل نتیجه تجمع متابولیت های ثانویه است مثل فلاونوئید، کاروتنوئید و ترکیبات تبالائین. از اینها، رنگیزه های فلاونوئید که گستره ی وسیعی در گیاهان عالی دارند به طور وسیعی مطالعه شده اند. فلاونوئیدها یک گروه متنوع از ترکیبات فنولیک شامل ۲ حلقه آروماتیک متصل شده توسط یک واحد C3 هستند. علاوه بر نقش آن ها در رنگیزه سازی گل آن ها همچنین در جذب گرده افشان ها نقش دارند بر هم کنش های گیاه و میکروارگانیسم از اشعه UV مضر حفاظت می کند و رشد لوله ی گرده و رنگیزه سازی بافت. بیوشیمی، ژنتیک و زیست مولکولی فلاونوئیدها به خصوص راجع به رنگیزه آنتوسیانین در ذرت، kernel گل های snapdragon , petunia و دانه ها و برگ های آرابیدوپسیس تالیانا نشان داده شده است. جهش هایی که رنگ گل را تغییر می دهند قبلا انتخاب شده اند و توسط پرورش دهندگان گل برای پرورش انواع جدید استفاده می شوند. جهش یافته های طبیعی اول از منابع ژنتیکی وحشی انتخاب شدند اما امروزه جهش های مهاجم به طور متداول در میان راهکارهای مصنوعی وجود دارند مثل تابش اشعه و جهش زاهای شیمیایی.جهش یافته های رنگ گل همچنین برای تشخیص ساختار انزیمی (ژن ها) و فاکتورهای تنظیمی مربوط به بیوسنتز فلاونوئید و برای جداسازی عناصر قابل جابه جایی استفاده می شوند. به علاوه این یافته ها به طور مستقیم برای اصلاح رنگ گل توسط تکنولوژی انتقال ژنتیکی استفاده می شود. تنوع در رنگ گل به طور کلی نتیجه تفاوت ها هم در ژن های ساختاری و هم در ژن های تنظیمی درگیر در مسیر بیوسنتز فلاونوئید است. در اکثر موارد تغییرات قابل رؤیت به علت تفاوت ها در میزان و اجزای رنگیزه های گل است. برای مثال جهش هایی که مراحل اولیه بیوسنتز فلاونوئید را مسدود می کنند در ساختار گل های سفید از طریق تجمع رنگیزه های بدون رنگ نتیجه می دهد در حالی که مسدود کردن در مراحل پایانی باعث ساختار متفاوت گل های رنگی از طریق تجمع آنتوسیانین های خاص می شود. علاوه بر این فنوتیپ های گل های سفید تنوع رنگی از سفید خالص تا عاج فیلی را بسته به اینکه چه مرحله ای از بیوسنتز فلاونوئید مسدود شده است را نشان می دهند. برای مثال در Eustoma, Dianthus, pharbitis, A.majus گل های عاج فیلی با تجمع فلاونوئیدهای بی رنگ در گلبرگ هایشان در نتیجه جهش در ژن های کد کننده ی فلاونون ۳ هیدروکسیلاز (F3H)، دی هیدروفلاونول ۴ ردوکتاز (DFR) یا آنتوسیانین سنتاز (ANS) در طول مراحل انتهایی بیوسنتز فلاونوئید شناسایی شده اند. از طرف دیگر گل های سفید خالص با تجمع ارگانیک اسیدها اما نه ترکیبات فلاونوئیدی شناخته شده اند که به عنوان نتیجه یک جهش niv در A.majus و جهش f در matthiola و هر دو کالکون سنتاز را تحت تأثیر قرار دادند. جهش یافته های متنوعی از فاکتورهای تنظیمی بیوسنتز فلاونوئید باعث فنوتیپ های گل سفید شدند برای مثال جهش یافته های an2,an1 در p.hybrida و جهش یافته g در m.incana در مورد A.majus کنترل ترکیبی توسط ۳ آلل، rosea, eluta, delida شناخته شده است که در تنظیم فضایی رنگیزه سازی گل درگیر است. ژاپنی ها gentian کشت می دهند مثل G.scabra, G.triflora و هیبریدهایشان که گل های زینتی شناخته شده ای در ژاپن هستند گل ها را می برند و در گلدان می کارند. اگرچه به طور عمده به علت منابع طبیعی محدود تنوع رنگی آنها یک محدوده ی کمی از رنگ سازی گل دارند (آبی اصلی، آبی کمرنگ، صورتی و سفید). هیچ جهش مصنوعی به جز برای فنوتیپ کوتولوگی به نام Agrobacterium در gentian بیان نمی شود. چندین گزارش ژن های ساختاری بیوسنتز فلاونوئید را مشخص کرده است که این ژن ها از gentian های گل آبی به واسطه انجام انالیز رنگیزه جدا شده اند. اخیرا ما ۴ ژن ساختاری جدا کرده ایم ANS, F3H فلاونوئید ۳ هیدروکسی لاز و فلاون سنتاز و یک ارتباط قوی بین الگوهای بیان شان و تجمع رنگیزه در پرورش دهندگان گل آبی گزارش شده است. (میکروارگانیسم خاکی) در این مطالعه ما به بررسی علت رنگ سازی گل سفید در گیاهان gentian کمک کردیم و دو جهش متفاوت در دو میکروارگانیسم خاکی رنگ سفید مربوطه آشکار شده اند. یکی یک جهش ژنی ساختاری (ANS) و دیگری یک جهش عامل تنظیمی کنترل کننده بیان ژن های کاتالیز کننده در طول گام های آخر بیوسنتز فلاونوئید بود. به عنوان بهترین اطلاعات ما در این خصوص اولین گزارش مکتوب تجزیه و تحلیل مولکولی جهش های رنگ گل در گیاهان gentian است.
رشته های مرتبط: زیست شناسی، ژنتیک و علوم گیاهی
ژاپنی ها گیاهان gentian را که به طور طبیعی گل های آبی دارند کشت می دهند اما تعدادی گیاه گل سفید از طریق جهش های خود به خودی در میان آن ها پراکنده شد. برای تعیین مبنای مولکولی رنگ پذیری سفید در گل های gentian، ما ۲ گیاه گل سفید polano , Homoi را با یک گیاه گل آبی maciry با استفاده از مسیرهای بیوشیمیایی و مولکولی مقایسه کرده ایم. اجرای کروماتوگرافی مایع (HPLC) در جهت تجزیه و تحلیل داده ها نشان می دهد که سطح فلاون در polano سفید تنها حدود نیمی از میزان اندازه گیری شده در ۲ گونه ی دیگر بود در حالی که آنتوسیانین در دو گونه گل سفید در مقایسه با maciry که میزان بالایی جمع کرده اند وجود ندارد. تجزیه و تحلیل northern ژن های ساختاری بیوسنتز فلاونوئید قبلا به طور موقتی گزارش شده است که در maciry تنظیم شده است نشان می دهد که Homoi فاقد رونوشت های ژن سنتز آنتوسیانین است در حالی polano سفید برای بیان ANS به اندازه کالکون سنتز (CHS)، فلاوانون ۳ هیدروکسیلاز (F3H)، فلاونوئید ۳ و ۵ هیدروکسیلاز (F,3,5,H)، دی هیدروفلاونول ۴ ردوکتاز (DFR)، UDP گلوکز فلاونوئید ۳ گلوکوزیل ترانسفراز (۳GT) و آنتوسیانین ۵- آروماتیک آسیل ترانسفراز (۵AT) کاهش یافته است. تجزیه و تحلیل ساترن بلاست کمبود یکی از دو لوکوس ANS در Homoi را تأیید می کند. بیان زودگذر ANS در گلبرگ های گل به طور قوی پیشنهاد می کند که گل های سفید در Homoi از جهش ANS ناشی می شود. علاوه بر این تجزیه و تحلیل تنش تحریک کننده رنگیزه سازی در گل پیشنهاد می کند که بیشتر از جهش ها در ژن های ساختاری چندتایی عامل بوده است یک نقص در یک عامل تنظیمی یا بیشتر مراحل بعدی بیوسنتز فلاونوئیدهای مسئول رنگ سفید در polano سفید را کنترل می کند. مقدمه یکی از اهداف مهم پرورش گل های زینتی به دست آوردن محدوده ی وسیعی از رنگ های گل است. رنگ بندی گل نتیجه تجمع متابولیت های ثانویه است مثل فلاونوئید، کاروتنوئید و ترکیبات تبالائین. از اینها، رنگیزه های فلاونوئید که گستره ی وسیعی در گیاهان عالی دارند به طور وسیعی مطالعه شده اند. فلاونوئیدها یک گروه متنوع از ترکیبات فنولیک شامل ۲ حلقه آروماتیک متصل شده توسط یک واحد C3 هستند. علاوه بر نقش آن ها در رنگیزه سازی گل آن ها همچنین در جذب گرده افشان ها نقش دارند بر هم کنش های گیاه و میکروارگانیسم از اشعه UV مضر حفاظت می کند و رشد لوله ی گرده و رنگیزه سازی بافت. بیوشیمی، ژنتیک و زیست مولکولی فلاونوئیدها به خصوص راجع به رنگیزه آنتوسیانین در ذرت، kernel گل های snapdragon , petunia و دانه ها و برگ های آرابیدوپسیس تالیانا نشان داده شده است. جهش هایی که رنگ گل را تغییر می دهند قبلا انتخاب شده اند و توسط پرورش دهندگان گل برای پرورش انواع جدید استفاده می شوند. جهش یافته های طبیعی اول از منابع ژنتیکی وحشی انتخاب شدند اما امروزه جهش های مهاجم به طور متداول در میان راهکارهای مصنوعی وجود دارند مثل تابش اشعه و جهش زاهای شیمیایی.جهش یافته های رنگ گل همچنین برای تشخیص ساختار انزیمی (ژن ها) و فاکتورهای تنظیمی مربوط به بیوسنتز فلاونوئید و برای جداسازی عناصر قابل جابه جایی استفاده می شوند. به علاوه این یافته ها به طور مستقیم برای اصلاح رنگ گل توسط تکنولوژی انتقال ژنتیکی استفاده می شود. تنوع در رنگ گل به طور کلی نتیجه تفاوت ها هم در ژن های ساختاری و هم در ژن های تنظیمی درگیر در مسیر بیوسنتز فلاونوئید است. در اکثر موارد تغییرات قابل رؤیت به علت تفاوت ها در میزان و اجزای رنگیزه های گل است. برای مثال جهش هایی که مراحل اولیه بیوسنتز فلاونوئید را مسدود می کنند در ساختار گل های سفید از طریق تجمع رنگیزه های بدون رنگ نتیجه می دهد در حالی که مسدود کردن در مراحل پایانی باعث ساختار متفاوت گل های رنگی از طریق تجمع آنتوسیانین های خاص می شود. علاوه بر این فنوتیپ های گل های سفید تنوع رنگی از سفید خالص تا عاج فیلی را بسته به اینکه چه مرحله ای از بیوسنتز فلاونوئید مسدود شده است را نشان می دهند. برای مثال در Eustoma, Dianthus, pharbitis, A.majus گل های عاج فیلی با تجمع فلاونوئیدهای بی رنگ در گلبرگ هایشان در نتیجه جهش در ژن های کد کننده ی فلاونون ۳ هیدروکسیلاز (F3H)، دی هیدروفلاونول ۴ ردوکتاز (DFR) یا آنتوسیانین سنتاز (ANS) در طول مراحل انتهایی بیوسنتز فلاونوئید شناسایی شده اند. از طرف دیگر گل های سفید خالص با تجمع ارگانیک اسیدها اما نه ترکیبات فلاونوئیدی شناخته شده اند که به عنوان نتیجه یک جهش niv در A.majus و جهش f در matthiola و هر دو کالکون سنتاز را تحت تأثیر قرار دادند. جهش یافته های متنوعی از فاکتورهای تنظیمی بیوسنتز فلاونوئید باعث فنوتیپ های گل سفید شدند برای مثال جهش یافته های an2,an1 در p.hybrida و جهش یافته g در m.incana در مورد A.majus کنترل ترکیبی توسط ۳ آلل، rosea, eluta, delida شناخته شده است که در تنظیم فضایی رنگیزه سازی گل درگیر است. ژاپنی ها gentian کشت می دهند مثل G.scabra, G.triflora و هیبریدهایشان که گل های زینتی شناخته شده ای در ژاپن هستند گل ها را می برند و در گلدان می کارند. اگرچه به طور عمده به علت منابع طبیعی محدود تنوع رنگی آنها یک محدوده ی کمی از رنگ سازی گل دارند (آبی اصلی، آبی کمرنگ، صورتی و سفید). هیچ جهش مصنوعی به جز برای فنوتیپ کوتولوگی به نام Agrobacterium در gentian بیان نمی شود. چندین گزارش ژن های ساختاری بیوسنتز فلاونوئید را مشخص کرده است که این ژن ها از gentian های گل آبی به واسطه انجام انالیز رنگیزه جدا شده اند. اخیرا ما ۴ ژن ساختاری جدا کرده ایم ANS, F3H فلاونوئید ۳ هیدروکسی لاز و فلاون سنتاز و یک ارتباط قوی بین الگوهای بیان شان و تجمع رنگیزه در پرورش دهندگان گل آبی گزارش شده است. (میکروارگانیسم خاکی) در این مطالعه ما به بررسی علت رنگ سازی گل سفید در گیاهان gentian کمک کردیم و دو جهش متفاوت در دو میکروارگانیسم خاکی رنگ سفید مربوطه آشکار شده اند. یکی یک جهش ژنی ساختاری (ANS) و دیگری یک جهش عامل تنظیمی کنترل کننده بیان ژن های کاتالیز کننده در طول گام های آخر بیوسنتز فلاونوئید بود. به عنوان بهترین اطلاعات ما در این خصوص اولین گزارش مکتوب تجزیه و تحلیل مولکولی جهش های رنگ گل در گیاهان gentian است.
Description
Abstract Japanese cultivated gentian plants have naturally blue flowers, but some white-flowered cultivars are being bred through the utilization of spontaneous mutants. To determine the molecular basis of white coloration in gentian flowers, we compared two white-flowered cultivars Homoi and Polano White to a blue-flowered cultivar Maciry using biochemical and molecular approaches. High performance liquid chromatography (HPLC) analyses showed that flavone levels in cv. Polano White were only about one-half the amounts measured in the other two cultivars, while anthocyanins were absent in the two white-flowered cultivars compared to cv. Maciry in which high levels accumulated. Northern blot analysis of 10 flavonoid biosynthetic structural genes, previously reported to be temporally regulated in cv. Maciry [1] showed that cv. Homoi lacked transcripts for the anthocyanidin synthase (ANS) gene while cv. Polano White had decreased expressions for ANS as well as for chalcone synthase (CHS), flavanone 3-hydroxylase (F3H), flavonoid 30 ,50 -hydroxylase (F30 ,50 H), dihydroflavonol 4-reductase (DFR), UDP-glucose:flavonoid 3-glucosyltransferase (3GT) and anthocyanin 5-aromatic acyltransferase (5AT). Southern blot analysis confirmed the deficiency of one of two ANS loci in cv. Homoi. Transient expression of ANS in flower petals also strongly suggested that white flowers of cv. Homoi were derived from ANS mutation. Furthermore, analysis of stress-induced flower pigmentation suggested that rather than mutations in multiple structural genes being the cause, a defect in one or more regulatory factors controlling the later steps of flavonoid biosynthesis is responsible for white coloration in cv. Polano White. # 2005 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved. Keywords: Anthocyanidin synthase; Flavonoid; Gene expression; Gentian; Mutation; White flower 1. Introduction One of the important objectives when breeding ornamental flowers is to obtain a wide variety of flower colors. Flower coloration is the result of an accumulation of secondary metabolites, such as flavonoid, carotenoid and betalain compounds. Of these, flavonoid pigments, which are widespread in higher plants, have been studied extensively [2–۴]. Flavonoids are a diverse group of phenolic compounds consisting of two aromatic rings joined by a C3 unit. In addition to their role in flower pigmentation, they are also known to be involved in attraction of pollinators, plant– microorganism interactions, protection from harmful UV irradiation, pollen tube growth and tissue pigmentation [3,4]. The biochemistry, genetics and molecular biology of flavonoids, especially with regard to anthocyanin pigmentation, have been elucidated in maize (Zea mays) kernels, flowers of petunia (Petunia hybrida) and snapdragon (Antirrhinum majus), and the seeds and leaves of Arabidopsis thaliana [2–۵]. Mutations that alter flower color have long been selected and used by horticulturalists in breeding new varieties. www.elsevier.com/locate/plantsci Plant Science 169 (2005) 949–۹۵۸ Abbreviations: CHS, chalcone synthase; CHI, chalcone isomerase; F3H, flavanone 3-hydroxylase; F30 H, flavonoid 30 -hydroxylase; F30 ,50 H, flavonoid 30 ,50 -hydroxylase; DFR, dihydroflavonol 4-reductase; ANS, anthocyanidin synthase; 3GT, UDP-glucose:flavonoid 3-glucosyltransferase; 5AT, anthocyanin 5-aromatic acyltransferase; FSII, flavone synthase II; HPLC, high performance liquid chromatography; RT-PCR, reverse transcription-polymerase chain reaction § The nucleotide sequence reported in this paper has been submitted to DDBJ, EMBL and GenBank under accession number AB208689 (GtANS). * Corresponding author. Tel.: +81 197 68 2911; fax: +81 197 68 3881. E-mail address: mnishiha@ibrc.or.jp (M. Nishihara). 1 Current address: Graduate School of Life and Environmental Sciences, Osaka Prefecture University, Japan. 0168-9452/$ – see front matter # 2005 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.plantsci.2005.06.013 Natural mutants were once selected from wild genetic resources, but nowadays, aggressive mutations are commonly introduced through artificial strategies, such as radiation irradiation and chemical mutagens [6]. Flower color mutants have also been used for characterization of structural enzymes (genes) and regulatory factors related to flavonoid biosynthesis and for isolation of transposable elements [5]. Moreover, these findings have been directly used for modification of flower color by genetic transformation technology [7].
