Superoksid-dismutaze krompira (Solanum tuberosum L.): karakterizacija izoformi i ekspresija u uslovima visokih temperatura

Abstract

Krompir (Solanum tuberosum L.) je među najznačajnijim poljoprivrednim usevima i veoma je osetljiv na visoke temperature. Kao posledica toplotnog stresa dolazi do disbalansa u produkciji i eliminaciji reaktivnih vrsta kiseonika (ROS) u biljnim ćelijama, odnosno pojave sekundarnog, oksidativnog stresa. Superoksid-dismutaze (SOD) su važni antioksidativni enzimi uključeni u odbranu biljnih ćelija od ROS, a koji do sada nisu detaljno izučeni kod krompira. Rezultati ovog rada su pokazali da SOD genska familija krompira obuhvata osam gena (StCuZnSOD1-3, StMnSOD i StFeSOD1-4), čiji su promotorski regioni i egzon-intron struktura transkripata ispitani in silico. In silico analiza je obuhvatila i fizičko-hemijsku karakterizaciju StSOD proteina, identifikaciju SOD domena, procenu prisustva N-terminalnog signala u peptidima, predikciju subćelijske lokalizacije i tercijarne strukture StSOD, a utvrđeni su i filogenetski odnosi između StSOD i SOD drugih biljnih vrsta. Ekspresija StSOD ispitivana je kod komercijalnih sorti krompira gajenih in vitro tokom različitih temperaturnih tretmana. Pokazano je da su svih osam StSOD gena funkcionalni, kao i da su šest gena visoko eksprimirani. Temperatura od 29 °C je najviše indukovala StSOD ekspresiju. Takođe, kod ex vitro gajenih biljaka ustanovljena je povećana ekspresija StSOD u uslovima toplotnog stresa (30/20°C, dan/noć), i to uglavnom nakon 7. dana tretmana. Zapaženo je da toplotni stres indukuje ekspresiju gena za hloroplastne StSOD (StCuZnSOD2, StFeSOD2 i StFeSOD3) u listovima, citosolne (StCuZnSOD1) i mitohondrijalne (StMnSOD) StSOD u stolonima, dok na ekspresiju StSOD u drugim organima nije imao značajnijeg uticaja. Dati rezultati ukazuju da StSOD imaju važnu ulogu u antioksidativnoj zaštiti ćelija listova i stolona krompira u uslovima visokih temperatura.

Potato (Solanum tuberosum L.) is one of the most important vegetable crops and is very sensitive to high temperatures. Heat stress causes an imbalance in the production and elimination of reactive oxygen species (ROS) in plant cells, leading to secondary oxidative stress. Superoxide dismutases (SODs) are important antioxidant enzymes involved in the defense of plant cells against ROS, which have not been studied in detail in potato so far. The results of this work revealed that the potato SOD gene family includes eight genes (StCuZnSOD1-3, StMnSOD and StFeSOD1-4), whose promoter regions and transcript exon-intron structure were examined in silico. In silico analysis also included physicochemical characterization of the StSOD proteins, identification of the SOD domains, assessment of the N-terminal signal in the peptides, prediction of the subcellular localization and tertiary structure of StSODs, and revealed the phylogenetic relationships between StSODs and SODs of other plant species. The expression of StSOD was investigated in commercial potato varieties grown in vitro during different temperature treatments. All eight StSOD genes were functional, and six genes were highly expressed. A temperature of 29 °C induced StSOD expression the most. Also, in ex vitro grown plants, an increased expression of StSOD was found under heat stress (30/20°C, day/night), mainly after the 7th day of treatment. It was noted that heat stress predominantly induces the expression of genes encoding chloroplast StSODs (StCuZnSOD2, StFeSOD2 and StFeSOD3) in leaves, genes encoding cytosolic (StCuZnSOD1) and mitochondrial (StMnSOD) StSODs in stolons, while it had no significant effect on the expression of StSODs in other organs. The obtained results indicate that StSOD plays an important role in the antioxidant protection of potato leaf and stolon cells under high temperature.