Multi-omics approach to investigate the roles of xyloglucan endotransglycosylase/hydrolases (XTHs) in agriculturally important plants

Abstract

Bitki hücre duvarında bulunan karbonhidrat moleküllerinin modifikasyonu, bitki büyümesi, olgunlaşması ve bitkinin dış faktörlere cevabı açısından büyük önem taşımaktadır. Bu görev, ksiloglukan endotransglikozilaz/hidrolaz (XTH) enzimleri tarafından yerine getirilmektedir. Birçok deney belli XTH genlerinin çeşitli abiotik streslerde anlamlarının indüklendiğini göstermiştir. Son çalışmalar, acı biber (Capsicum annum) XTH genlerinin, Arabidopsis ve domates bitkilerinde fazladan anlattırıldıkları zaman, büyük ölçekte artan susuzluk ve tuz stresine direnç sağladıklarını göstermiştir. Bu projede, pirinç, domates ve biber XTH enzimleri, bitkideki fonksiyonlarının daha iyi anlaşılabilmesi için genom, transkriptom ve protein seviyelerinde incelenmiştir.XTH enzimlerinin, detaylı protein substrat özgüllüğü ve kinetik analizi, sübstitüe edilmemiş temel yapıya sahip ksiloglukan molekülüne kesin tercihe sahip aktif enzimleri göstermiştir. Çalışma dahilindeki her XTH enzimi, en fazla aktiviteyi TXG donör ve X7 akseptör subtratları ile göstermiştir. Substrat tercihinin, biber XTH enzimleri açısından daha güçlü olduğu gözlenmiştir. Bu durum, Solanaceae ailesi ile ilgili bilinenlerle ve sadece XXXG yapısı olan ve galaktozilasyon olmayan ksiloglukan formları içeren biber bitkisi ile örtüşmektedir. Pirinç, domates ve biber XTH enzimleri, HEC donor substratı ve farklı akseptör subsratları (XT, CT, BB) üzerinde de etki göstermiştir. Ancak ksiloglukan molekülleri ve diğer karbonhidrat molekülleri üzerindeki aktivite değerleri arasındaki fark, biber enzimlerinde, pirinç ve domates enzimlerinde olduğundan daha fazla bulunmuştur.Farklı varyeteden biber bitkilerinin abiyotik stres altındaki fenotipik incelemeleri toleranslı ve duyarlı varyetelerin açığa çıkmasına sebep olmuştur. CaXTH2&3 genlerinin transkriptomik analizleri bu genlerin abiotik stres koşullarında anlatımlarının indüklendiğini göstermiştir. Toleranslı olduğu düşünülen varyetelerde gen anlatımının toleranslı olmayan varyetelere göre genelde daha erken ve daha güçlü indüklendiği görülse de biber XTH genlerinin abiyotik strese toleransı arttırdığına dair kesin bir kanıt bulunamamıştır.

Modification of the carbohydrate molecules in the cell walls of plants is essential for growth, including maturation and response to external factors, a task fulfilled by enzymes like xyloglucan endotransglycosylase/hydrolases (XTHs). Many experiments have demonstrated that certain XTH genes are up-regulated during a variety of abiotic stresses. Recent work has further shown that when a capsicum XTH gene was over-expressed in both Arabidopsis and tomato plants, it conferred greatly increased levels of resistance to drought and salt stresses. In this project, rice, tomato and capsicum XTH enzymes were examined at genomic, transcriptomic, and protein levels to give a better understanding of their functions within the plants. Detailed analyses of protein substrate specificities and kinetics of the XTH enzymes revealed active enzymes that showed a distinct preference for an unsubstituted basal form of xyloglucan. Using tamarind xyloglucan TXG as a donor and XXXG (X7) oligosaccharide as an acceptor, demonstrated the highest activity for each enzyme. That preference was stronger with capsicum XTH enzymes which agrees well with what is known about Solanaceae family, and in particular capsicum, forms of xyloglucan which only have the XXXG structure with little to no galactosylation. Rice, tomato and capsicum XTH enzymes were able to show activity with hydroxyethyl cellulose (HEC) as the donor substrate and a variety of acceptor substrates such as, XT, CT, BB etc. However, the ratio between activities on xyloglucan molecules and other carbohydrate molecules was higher with capsicum XTH enzymes than it was with tomato and rice XTH enzymes. Phenotypic observation of different pepper varieties under abiotic stress conditions revealed tolerant and susceptible varieties. Transcriptomic analyses of CaXTH2 & 3 demonstrated that these genes were upregulated under abiotic stress conditions. Varieties that were considered to be phenotypically tolerant generally seemed to upregulate capsicum XTH gene expression earlier and stronger compared to less tolerant varieties under stress conditions. However, there was no direct evidence that upregulation of these genes improved stress tolerance.