Ogólny profil ekspresji genów w korzeniach tytoniu pod wpływem stresu abiotycznego

Wyselekcjonowano grupy GO ulegające podobnym zmianom w wyniku działania obu stresów, które potencjalnie mogą charakteryzować ogólny profil odpowiedzi na stres abiotyczny w korzeniach tytoniu. Łącznie wykryto 73 takie grupy wśród sond cechujących się wzrostem ekspresji oraz 14 w zestawie sond, których ekspresja ulegała zmniejszeniu. Na podstawie różnicujących grup GO wyselekcjonowano geny związane ze wspólną ścieżką odpowiedzi na stres solny i kadmowy w korzeniach tytoniu, które zamieszczono w Tabeli 20. Zestaw kategorii genów cechujących się podwyższeniem ekspresji obejmował w znacznej większości grupy GO należące do typu „proces biologiczny”. Aż 50 kategorii związanych było z odpowiedzią roślin na bodźce i działaniem układu odpornościowego. Podstawowe kategorie w tej grupie stanowiły: „proces układu odpornościowego” (GO:0002376) oraz „odpowiedź na bodziec” (GO:0050896). Pierwsza z nich zawierała szereg coraz bardziej szczegółowych kategorii dotyczących procesów odpornościowych, z których końcowe stanowiły „aktywacja odpowiedzi odpornościowej wrodzonej” (GO:0002218) oraz „indukcja odporności układowej” (GO:0009682), łącząca kaskady związane z odpornością oraz odpowiedzią na bodziec (Rycina 19). Z kolei w ramach rozlicznych kategorii GO dotyczących reakcji na bodziec możemy wyróżnić grupy związane z odpowiedzią na bodźce biotyczne („odpowiedź obronna na grzyby” (GO:0050832) oraz „- bakterie” (GO:0042742)), abiotyczne (UV (GO:0009411), intensywność światła (GO:0009642), ciepło (GO:0009408), brak wody (GO:0009414), związki chemiczne (leki (GO:0042493), nadtlenek wodoru (GO:0009411), chitynę (GO:0010200)), a także związane ze ścieżkami sygnałowymi hormonów (kwas

NaCl CdCl2 Wspólne ^Specyficzne

dla NaCl

Specyficzne

dla CdCl2

Liczba różnicujących grup GO + 126 172 73 53 99 - 22 39 14 8 25 Podział z uwzględnieniem typów GO Proces biologiczny + 114 146 68 46 78 - 2 4 2 0 2 Komponent komórkowy + 0 3 0 0 3 - 3 13 1 2 12 Funkcja molekularna + 12 23 5 7 18 - 17 22 11 6 11

83 abscysynowy (GO:0009737), kwas salicylowy (GO:0071446), kwas jasmonowy (GO:0071395)). Powiązane z reakcjami odpornościowymi były GO opisujące regulację hormonalną, w tym kaskady sygnałów zależne od kwasu jasmonowego ( GO:0009867) i salicylowego (GO:0009863)). Biorąc pod uwagę poszczególne sondy przyporządkowane do powyższych GO, część z nich została przypisana do genów, których zmiany ekspresji pod wpływem stresu abiotycznego zostały dość dokładnie zbadane i opisane. Należą do nich czynniki transkrypcyjne (ABF2, CBF1, DREB1A, ERF (2,4), HY5, RHL41, WRKY70) [121,119,120,107,113,114,106]. enzymy (GAPC1, F3H, MEKK1, CDPK1, UGT73C1) [130,134] i inne geny (ELIP2, HSP (101, 70, 18.2)) [131,132]. Obserwowano różnorodne zmiany dotyczące odpowiedzi na stres, m.in. indukcję genów związanych z sygnalizacją zależną od kwasu abscysynowego (ABA) (ABF2, HY5,ABR1, TCH2, MYB) oraz niezależną od ABA (CBF1, DREB1, ERF) [159-161]. Odnotowano również wzrost ekspresji genów świadczących o odpowiedzi związanej z działaniem kwasu jasmonowego, salicylowego i etylenu (WRKY70, ERF2, ERF4, JAZ3) [106, 107]. Wyróżnić można także grupę genów biorących udział w syntezie hormonów, jak OPR 1 i 2, LOX- reduktaz i lipooksygenazy wchodzących w skład ścieżki syntazy kwasu jasmonowego, o znanej roli w odpowiedzi na stres [135]. Spośród enzymów wyróżniają się geny kinaz powszechnie kojarzonych z odpowiedzią na różnorodne warunki stresowe: MAPK i CDPK [160,165]. Na uwagę zasługuje również zwiększenie ekspresji genów zwykle zaangażowanych w odpowiedź na stres biotyczny (MYB30, ELI3-2, EP3, NDR1) [152,153]. Istotnej zmianie ekspresji ulegały również kategorie związane z metabolizmem toksyn (3, w tym „katabolizm toksyn” GO:0009407), w ramach których wyselekcjonowano powszechnie znane geny: LEA oraz GST (Patrz Tabela 20), odpowiedzialne za tego rodzaju odpowiedź w różnorodnych warunkach stresowych [98,126,150]. W przypadku genów odpowiedzialnych za transport (m.in. „transport wielolekowy” (GO:0009863)), odnotowano wzrost ekspresji genu PDR9, którego indukcję pod wpływem kadmu, stresu solnego i innych czynników stresowych stwierdzono w korzeniach ryżu [129], a także MATE, którego zwiększoną ekspresję odnotowano u rzodkiewnika [151]. Ostatnim genem z tej grupy był MPR4 należący podobnie jak PDR9 do rodziny transporterów ABC. Wszystkie geny z tej grupy o podwyższonej ekspresji kodują transportery, które mogą być odpowiedzialne za usuwanie toksycznych substancji [129]. Cechująca się wzrostem ekspresji grupa GO:0034050 „programowana śmierć komórki indukowana przez symbiont” obejmuje geny ulegające ekspresji zarówno w wyniku stresu abiotycznego, jak i biotycznego jak EP3 (chitynaza) [151], ELI3-2 (dehydrogenaza kwasu cynamonowego

84 [152] czy NDR1 [154]. Kolejną grupą genów tworzących uniwersalny profil odpowiedzi na stres są geny związane z sygnalizacją za pomocą wapnia („wiązanie jonów wapnia” (GO:0005509)). Sygnalizacja związana ze zmianami stężenia jonów wapnia w komórce w wyniku działania różnych czynników jest bardzo dokładnie opisanym zjawiskiem [155]. Wśród genów związanych z tego typu procesem, wykazujących wzrost ekspresji w obu rodzajach stresu znalazły się aneksyna, kalmodulina (CAM7) i inne białka wiążące wapń (CML37, TCH2). W ramach „aktywności syntazy alfa-humulenu i (-)-E-beta-kariofilenu” (GO:0080016, GO:0080017), odnotowano indukcję TPS21- genu syntetazy terpenów (beta-kardiofilenu i alfa-humulenu), słabo poznanego w kontekście stresu, choć wzrost ekspresji niektórych genów z tej rodziny w warunkach stresowych odnotowano u pomidora [156].

Geny, których ekspresja ulegała zahamowaniu w przypadku obu rodzajów stresu występowały w mniejszej liczbie i zostały podzielone na trzy grupy czynnościowe: transport tłuszczów, ściana komórkowa, aktywność kanałów wodnych. Wśród genów kodujących białka odpowiedzialne za transport lipidów (Rycina 20) („transport lipidów” GO:0006869, „wiązanie lipidów” (GO: 0008289)) wyróżniono białka błonowe o potwierdzonym spadku ekspresji w stresie (LTP) [95], oraz inne (DIR1, ELP). Białka LTP i ELP [157], są zaangażowane w proces rozluźnienia ściany komórkowej związany z wzrostem roślin, co warto zaznaczyć w kontekście kolejnej grupy genów, związanych właśnie ze ścianą komórkową. Są to enzymy, takie jak celulaza (CEL5), a także komponenty ściany (5 białek arabinogalaktanowych). Obniżenie ekspresji powyższych genów sugeruje zahamowanie procesu rozluźnienia ściany związanego z inhibicją wzrostu wywołaną stresem, co jest zjawiskiem omawianym w literaturze z tej dziedziny [141,158]. Dziewięć kategorii GO związanych było z aktywnością transporterów (w tym „aktywność kanałów wodnych” GO:0015250) (Rycina 21). W ich skład wchodziły geny kodujące białka błonowe odpowiedzialne za przepływ wody przez tonoplast (TIP) i błonę komórkową (PIP)- akwaporyny („zakotwiczone w błonie” GO:0031225). Ich inhibicja w wyniku stresu abiotycznego została również odnotowana w innych eksperymentach i może być związana ze spowodowaną warunkami stresowymi koniecznością utrzymania wody w komórce [143].

85 Rycina 19 Przykładowe wspólne kategorie GO związane z odpowiedzią na bodźce i odpornościową w korzeniach tytoniu traktowanych

NaCl oraz poddanych działaniu CdCl2. Intensywność koloru oznacza większą istotność statystyczną. Kolorem białym oznaczono kategorie

86 Rycina 20. Przykłady kategorii GO ulegających zmniejszonej ekspresji pod wpływem obu stresów: solnego i kadmowego: GO związane z transportem i lokalizacją lipidów.

Rycina 21. Przykłady kategorii GO ulegających zmniejszonej ekspresji pod wpływem