Co-regulation of heat-shock protein 90 (HSP90) and transglutaminase (TGase) in Brachypodium distachyon under abiotic stress

Abstract

Kuraklık ve tuz stresi bitkilerin verimliliklerini azaltan en ciddi abiyotik stres türlerindendir. Bitkiler, hareketsiz yapıları nedeniyle sürekli olarak stres koşullarıyla karşılaşırlar ve strese hızlı bir şekilde cevap vermeleri gerekir. Bitkilerin temel tepki yolakları, stres proteinleri olarak da bilinen heat-shock proteinlerini (HSP'ler) içerir. HSP'lerin ana işlevi, protein katlanmasını kolaylaştırarak protein-protein etkileşimlerinde hücre içi şaperon rolünün gerçekleştirilmesi olarak tanımlanmaktadır. HSP'ler 5 farklı moleküler ağırlıkta bulunabilir ve bunlara göre HSP60, HSP70, HSP90, HSP100 ve küçük ısı şok proteinleri (sHSP'ler) olarak isimlendirilirler. HSP90, hücredeki toplam proteinlerin yüzde 1 ile yüzde 6'sını oluşturur ve ekspresyon seviyeleri, serbest veya bağlı form olarak bulunabilen poliaminler (PA)'den etkilenebilir. Transglutaminaz'lar, PA'ler ile etkileşime girebilen bir diğer protein türüdür ve protein çapraz bağlanmasını, translasyon sonrası protein modifikasyonlarını ve PA birleşimini katalize eder. Hem HSP90 hem de TGaz'ların ekspresyon seviyeleri stress koşullarından etkilenmektedir ve stress cevabı oluşturmada etkili oldukları görülmüştür. Bu çalışmada, HSP90 ve TGaz etkileşimini anlamak amacıyla, tek çenekli model bir bitki olan Brachypodium distachyon (Bd21 hattı) vejetatif evresinde kuraklık (12 gün susuz bırakma) ve tuz (320 mM NaCl uygulaması) stresine maruz bırakılmıştır. Kuraklık stresi altında, HSP90 ve TGaz transkript seviyeleri sırası ile 2-kat ve 1.11-kat artış gösterirken, HSP90 protein seviyesi 2-kat artış göstermiştir. Ancak TGaz protein seviyeleri az bir düşüş göstermiştir. Tuz stresi altında ise TGaz transkript seviyeleri yaklaşık 6-kat düşüş göstermiş, aynı zamanda HSP90 gen seviyelerinde de düşüş trendi görülmüştür. HSP90 ve TGaz protein seviyelerinde ise sırası ile yüzde 80 ve 82 düşüş görülmüştür. Tuz stresi altında, mitokondriyal ve kloroplast HSP90 ve TGaz transkript ve protein seviyelerindeki düşüş paralellik gösterdiğinden dolayı, tuz stresi altında Brachypodium distachyon bitkisinde HSP90 ve TGaz etkileşim halinde olabilir. Bu çalışma, kuraklık ve tuz streslerinin ardındaki moleküler mekanizmaları anlamanın önemini vurgulamaktadır.

Drought and salinity are two most encountered and severe abiotic stress conditions that cause reduction in crop yield and productivity. Plants continuously encounter stress conditions due to their sessile structure and basic response pathways of plants include heat-shock proteins (HSPs). Main function of HSPs is defined as performing intracellular chaperone role by facilitating protein folding. HSPs can be found in different molecular weights as HSP60, HSP70, HSP90, HSP100 and small heat shock proteins (sHSPs). HSP90 constitutes 1 to 6 percent of the total protein in the cell. HSP90 expression levels are influenced by free or bound polyamines (PAs). Transglutaminase (TGase) is another protein that interacts with PAs and work by means of catalyzation of protein cross-linking and post-translational protein modification as well as free PA incorporation. Both HSP90 and TGase are found to be involved in stress response and their expression levels are affected by stress conditions. In the current study, a monocot model plant Brachypodium distachyon (Bd21 line) was exposed to drought (12 days water withholding) and salinity (14 days 320 mM NaCl treatment) stress at their vegetative stage in order to determine whether HSP90 and TGase are co-regulated under abiotic stress. Under drought stress, both HSP90 and TGase transcript levels were increased by approximately 2-fold and 1.11-fold respectively whereas HSP90 protein levels were upregulated by 2-fold. However, TGase protein levels were slightly downregulated. Upon salinity treatment, TGase transcript levels were downregulated by almost 6-folds and also HSP90 transcripts were in a downregulation trend whereas HSP90 and TGase protein levels displayed downregulation by 80 and 82 percent, respectively. Under salinity stress, transcript levels changes of mitochondrial and chloroplastic HSP90 and TGase are parallel together with close downregulation of protein expression levels. Hence, there might be a possible interaction between HSP90 and TGase in Brachypodium distachyon under salinity stress. This study highlights the importance of molecular mechanisms behind drought and salinity stress.