DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51036-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39107290
تاريخ النشر: 2024-08-06
المؤلف: Mingyue Guo وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث البيولوجيا الجزيئية للنباتات
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث تأثير التطور الطبيعي على تحمل البرد في الطماطم المزروعة (Solanum lycopersicum)، مع تسليط الضوء على تحليل مقارن بين الأصناف المزروعة الحساسة للبرد والأقارب البرية المقاومة للبرد (S. habrochaites) باستخدام تقنيات ATAC-Seq و RNA-Seq. تحدد الدراسة WRKY34 كجين رئيسي مرتبط بإمكانية الوصول إلى الكروماتين وأنماط التعبير المختلفة استجابةً للإجهاد البارد.
تتمثل إحدى النتائج الملحوظة في تحديد إدخال-حذف (InDel) بطول 60 قاعدة في منطقة المحفز لجين WRKY34، والذي يرتبط بتغيرات في النشاط النسخي وتحمل البرد عبر 376 وصولاً للطماطم. يحتوي هذا الجزء على عنصر تنظيم جيني GATA يتفاعل مع بروتينات SWIB و GATA29، مما يؤدي إلى قمع تآزري لتعبير WRKY34 في ظل ظروف البرد. علاوة على ذلك، يظهر أن WRKY34 يعدل مسار استجابة البرد CBF من خلال التأثير على مستويات النسخ والبروتين. تؤكد النتائج على أهمية تعدد الأشكال في المناطق التنظيمية الجينية ودورها في تشكيل بنية الكروماتين وتعبير الجينات خلال تطور المحاصيل.
طرق البحث
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون الطماطم البرية (Solanum habrochaites accession LA1777) والطماطم المزروعة (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig, AC) لتحليلات RNA-Seq و ATAC-Seq. استخدموا خط إدخال، LA3942، الذي يتميز باستبدال جزء واحد من ShWRKY34 بـ SlWRKY34، إلى جانب الوالد المتكرر LA4024 ووالد المتبرع LA1777 لاستهداف جينات WRKY34 باستخدام تقنية كتم الجينات المستحثة بالفيروس (VIGS). تم جمع ما مجموعه 376 وصولاً للطماطم من مصادر متنوعة، بما في ذلك مركز موارد جينات الطماطم (TGRC) ووزارة الزراعة الأمريكية (USDA)، مما يشمل مجموعة متنوعة من الأصناف البرية والمزروعة.
لزرع النباتات، تم إنبات البذور على ورق ترشيح مبلل عند 28 درجة مئوية في الظلام قبل نقلها إلى صواني بلاستيكية تحتوي على 72 خلية مملوءة بمزيج من الخث والفيرميكوليت (3:1، حجماً:حجماً). بمجرد أن وصلت الشتلات إلى مرحلة الورقتين، تم زراعتها في أصص فردية أو صواني تحتوي على 32 خلية تحتوي على نفس وسط النمو. تم الحفاظ على النباتات في غرفة نمو محكومة مع فترة ضوء مدتها 12 ساعة، ودرجات حرارة نهارية/ليلية تبلغ 25/20 درجة مئوية، وكثافة تدفق الفوتون الضوئي (PPFD) تبلغ 600 ميكرومول م⁻² ثانية⁻¹، بينما تم الحفاظ على الرطوبة النسبية عند 70%. تم ري النباتات كل ثلاثة أيام باستخدام محلول مغذي نصف القوة من هوغلاند.
النتائج
تستكشف الدراسة دور عامل النسخ WRKY34 في استجابة الإجهاد البارد للطماطم المزروعة (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig (AC) مقارنةً بالطماطم البرية المقاومة للبرد (S. habrochaites) LA1777. من خلال تحليلات ATAC-Seq و RNA-Seq بعد تعرض لمدة 6 ساعات للبرد، وجد الباحثون أن إمكانية الوصول إلى الكروماتين انخفضت في كلا النوعين من الطماطم، مع نسبة غنية ملحوظة أعلى من قمم الكروماتين القابلة للوصول في LA1777. تم تحديد ما مجموعه 7,082 جينًا مرتبطًا بقمم إمكانية الوصول إلى الكروماتين المختلفة (DCAPs)، مع 3,434 جينًا معبرًا عنه بشكل مختلف (DEGs) في LA1777 تحت ضغط البرد، مقارنةً بـ 25,557 جينًا في AC التي لم تظهر تغييرات ملحوظة.
كشفت دمج بيانات ATAC-Seq و RNA-Seq عن 18 جينًا مع تعبير مختلف وإمكانية وصول الكروماتين بين الوصولين، بما في ذلك WRKY34. بشكل ملحوظ، أظهر WRKY34 منطقة وصول مختلفة ضمن 3 كيلو قاعدة من محفزه في LA1777، والتي فتحت بعد معالجة البرد، بينما ظلت مغلقة في AC. تأثر تعبير WRKY34 بشكل طفيف في AC ولكنه انخفض بشكل كبير في LA1777 تحت ضغط البرد، مع أنماط تراكم البروتين التي تدعم دوره المحتمل في تنظيم تحمل البرد. تسلط هذه النتائج الضوء على WRKY34 كجين مرشح لتعزيز مقاومة الإجهاد البارد في نباتات الطماطم.
المناقشة
تستكشف البحث دور WRKY34 في تحمل البرد في الطماطم، كاشفةً أن كلا من الطماطم المزروعة (SlWRKY34) والطماطم البرية (ShWRKY34) تقعان على الكروموسوم 5. من خلال كتم الجينات المستحثة بالفيروس (VIGS)، تظهر الدراسة أن كتم SlWRKY34 يعزز تحمل البرد في الطماطم المزروعة، بينما يحافظ ShWRKY34 على تحمل قوي للبرد حتى عند كتمه. تشير النتائج إلى أن SlWRKY34 لا يستجيب للإجهاد البارد وينظم سلبًا تحمل البرد، على عكس ShWRKY34، الذي يظهر انخفاضًا في التعبير تحت ظروف البرد. تحدد الدراسة أيضًا إدخال-حذف (InDel) بطول 60 قاعدة في منطقة المحفز لجين ShWRKY34، والذي يرتبط بتعبيره المثبط للبرد ويكون شائعًا في الطماطم البرية ولكنه غائب في الأصناف المزروعة.
تكشف التحليلات الإضافية أن إدخال-الحذف 60 قاعدة يرتبط بعوامل النسخ SlGATA29 وبروتينات SWIB، التي تقمع تآزريًا تعبير WRKY34. يعزز التفاعل بين SlGATA29 وSWIBs إمكانية الوصول إلى الكروماتين عند محفز WRKY34، مما يسهل قمع WRKY34 تحت ضغط البرد. تختتم الدراسة بأن أنماط التعبير المختلفة لأليلات WRKY34، المتأثرة بإدخال-الحذف 60 قاعدة، هي مفتاح لفهم التباينات في تحمل البرد بين الطماطم البرية والمزروعة. يسلط هذا البحث الضوء على الآليات التنظيمية المعقدة التي تشمل عوامل النسخ وإعادة تشكيل الكروماتين في استجابات النباتات للإجهاد، مما يوفر رؤى حول استراتيجيات محتملة لتحسين تحمل البرد في المحاصيل.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51036-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39107290
Publication Date: 2024-08-06
Author(s): Mingyue Guo et al.
Primary Topic: Plant Molecular Biology Research
Overview
This section of the research paper discusses the impact of natural evolution on cold tolerance in cultivated tomato (Solanum lycopersicum), highlighting a comparative analysis between cold-sensitive cultivated varieties and cold-tolerant wild relatives (S. habrochaites) using ATAC-Seq and RNA-Seq techniques. The study identifies WRKY34 as a key gene associated with differential chromatin accessibility and expression patterns in response to cold stress.
A notable finding is the identification of a 60 bp insertion-deletion (InDel) in the promoter region of WRKY34, which correlates with variations in transcriptional activity and cold tolerance across 376 tomato accessions. This fragment contains a GATA cis-regulatory element that interacts with SWIB proteins and GATA29, leading to a synergistic suppression of WRKY34 expression under cold conditions. Furthermore, WRKY34 is shown to modulate the CBF cold response pathway by influencing both transcription and protein levels. The results underscore the significance of polymorphisms in cis-regulatory regions and their role in shaping chromatin structure and gene expression during the evolution of crops.
Methods
In this study, the researchers utilized wild tomato (Solanum habrochaites accession LA1777) and cultivated tomato (Solanum lycopersicum cv. Ailsa Craig, AC) for RNA-Seq and ATAC-Seq analyses. They employed an introgression line, LA3942, which features a single fragment substitution of ShWRKY34 for SlWRKY34, alongside its recurrent parent LA4024 and donor parent LA1777 for virus-induced gene silencing (VIGS) targeting WRKY34 genes. A total of 376 tomato accessions were collected from various sources, including the Tomato Genetics Resource Center (TGRC) and the USDA, comprising a diverse range of wild and cultivated varieties.
For plant growth, seeds were germinated on moistened filter paper at 28 °C in darkness before being transferred to 72-cell plastic flats filled with a peat and vermiculite mixture (3:1, v:v). Once seedlings reached the two-leaf stage, they were transplanted into individual pots or 32-cell flats containing the same growth medium. The plants were maintained in a controlled growth room with a 12-hour photoperiod, day/night temperatures of 25/20 °C, and a photosynthetic photon flux density (PPFD) of 600 μmol m⁻² s⁻¹, while relative humidity was kept at 70%. Irrigation was conducted every three days using a half-strength Hoagland’s nutrient solution.
Results
The study investigates the role of the transcription factor WRKY34 in the cold stress response of cultivated tomato (Solanum lycopersicum) Ailsa Craig (AC) compared to the cold-tolerant wild tomato (S. habrochaites) LA1777. Through ATAC-Seq and RNA-Seq analyses following a 6-hour cold exposure, the researchers found that chromatin accessibility decreased in both tomato types, with a notably higher enrichment ratio of accessible chromatin peaks in LA1777. A total of 7,082 genes associated with differential chromatin accessibility peaks (DCAPs) were identified, with 3,434 differentially expressed genes (DEGs) in LA1777 under cold stress, contrasting with 25,557 genes in AC that showed no significant changes.
The integration of ATAC-Seq and RNA-Seq data revealed 18 genes with differential expression and chromatin accessibility between the two accessions, including WRKY34. Notably, WRKY34 exhibited a differential accessibility region within 3 kb of its promoter in LA1777, which opened after cold treatment, while remaining closed in AC. The expression of WRKY34 was minimally affected in AC but significantly down-regulated in LA1777 under cold stress, with protein accumulation patterns further supporting its potential role in cold tolerance regulation. These findings highlight WRKY34 as a candidate gene for enhancing cold stress resilience in tomato plants.
Discussion
The research investigates the role of WRKY34 in cold tolerance in tomatoes, revealing that both cultivated (SlWRKY34) and wild (ShWRKY34) tomato variants are located on chromosome 5. Through virus-induced gene silencing (VIGS), the study demonstrates that silencing SlWRKY34 enhances cold tolerance in cultivated tomatoes, while ShWRKY34 maintains strong cold tolerance even when silenced. The findings indicate that SlWRKY34 does not respond to cold stress and negatively regulates cold tolerance, contrasting with ShWRKY34, which shows decreased expression under cold conditions. The study also identifies a 60 bp insertion-deletion (InDel) in the promoter region of ShWRKY34, which is associated with its cold-suppressed expression and is prevalent in wild tomatoes but absent in cultivated varieties.
Further analysis reveals that the 60 bp InDel is bound by transcription factors SlGATA29 and SWIB proteins, which synergistically suppress WRKY34 expression. The interaction between SlGATA29 and SWIBs enhances chromatin accessibility at the WRKY34 promoter, facilitating the repression of WRKY34 under cold stress. The study concludes that the differential expression patterns of WRKY34 alleles, influenced by the 60 bp InDel, are key to understanding the variations in cold tolerance between wild and cultivated tomatoes. This research highlights the complex regulatory mechanisms involving transcription factors and chromatin remodeling in plant stress responses, providing insights into potential strategies for improving cold tolerance in crops.