Kalit so'zlar

Oltingugurt o'simliklar uchun muhim mineral ozuqa hisoblanadi, shuning uchun uni qabul qilish va assimilyatsiya qilish yo'llari keng o'rganilgan. Ayrim genlar va fermentlarni aniqlash va ularni tartibga solishda katta yutuqlarga erishildi. Oltingugurtning assimilyatsiyasi -omiks texnologiyalari tomonidan jadal o'rganilgan va genom bo'yicha bir nechta genetik yondashuvlarning maqsadi bo'lgan. Bu yo'lni tartibga solish va uning hujayra metabolizmiga integratsiyalashuvini tushunishimizda muhim qadam bo'ldi. Shu bilan birga, oltingugurtga to'g'ridan-to'g'ri yo'naltirilmagan boshqa tajribalardan olingan katta miqdordagi ma'lumotlar oltingugurt gomeostazasiga ta'sir qiluvchi jarayonlarga yangi va qiziqarli tushunchalarni ham olib keldi. Ushbu sharhda biz maqsadli eksperimentlar natijalarini oltingugurt bo'yicha tadqiqotlarda beixtiyor taraqqiyotga olib kelganlar bilan birlashtiramiz, va turli xil omborlarda mavjud bo'lgan katta hajmdagi ma'lumotni qanday qilib sintez qilish va ma'lum bir metabolik yo'lni tartibga solishni mazmunli ajratishni muhokama qiladi. Keyin biz oltingugurt almashinuvini nazorat qilish bo'yicha bilimlarni yanada rivojlantirish uchun qanday foydalanish mumkinligini va javob berish kerak bo'lgan asosiy savollarni o'ylaymiz.

Kalit so'zlar
Sulfat assimilyatsiyasiTizimlar biologiyasiGenom keng assotsiatsiyasiGlyukozinolatlarGlutation
1 . Oltingugurt tadqiqotiga kirish
Oltingugurt turli xil jarayonlarda ishlashi tufayli barcha organizmlar uchun muhim oziq moddalardir. Sistein va aminokislotalar orqali oqsillarning muhim tarkibiy qismidirmethionine and an active constituent of numerous coenzymes and prosthetic groups, iron sulfur centres, coenzyme-A, thiamine, lipoic acid, S-adenosylmethionine, glutathione, and many more. Plant sulfur is also an important component of two major classes of natural products, the glucosinolates in Brassicaceae and alliins in Allium species. These secondary metabolites are not just defense compounds for the plants; they are the basis of smell and taste of cruciferous vegetables, garlic and onion and offer significant health benefits. These multiple roles of sulfur are mainly consequences of its ability to readily change its oxidation state [1].

Tabiatda oltingugurt juda ko'p, masalan, okeanlarda 28 mM sulfat mavjud. Oksianion sulfat noorganik oltingugurtning asosiy shakli bo'lib, u biotik dunyo, suv va quruqlikdagi organizmlar uchun manba bo'lib xizmat qiladi . Biroq, ko'pchilik metabolitlar organik sulfid sifatida kamaytirilgan oltingugurtni o'z ichiga oladi . Shunday qilib, ko'p miqdorda sulfatdan foydalanish uchun organizmlar uni kamaytirishga energiya sarflashlari kerak. Shuning uchun sulfatni assimilyatsiya qilish hamma joyda mavjud emas. Metazoanlar va ko'pgina parazitar bakteriyalar sulfatni kamaytirmaydi va ko'plab bakterial va arxe taksonlari energiya ishlab chiqarish uchun oltingugurtning qaytarilgan shakllarini oksidlashga ixtisoslashgan [2] . Sulfatni qabul qilish va assimilyatsiya qilish o'simlikning asosiy metabolizmining muhim qismlaridir. O'simliklar hayvonlar va odamlarning oziqlanishi uchun kamaytirilgan oltingugurt manbai bo'lib xizmat qiladi .

1.1 . Sulfat almashinuvi
Sulfat (SO 4 2− ) sulfat tashuvchilar tomonidan oʻsimlik toʻqimalarida soʻriladi va tarqaladi, bu membrana oqsillari oilasi lokalizatsiyasi va sulfatga yaqinligi bilan farqlanadi [3] . Shuning uchun tashuvchilar 4 ta alohida guruhga bo'linadi. Ildizlardagi 1-guruhning yuqori afinitetli sulfat tashuvchilari sulfatning o'simlikka kirishi uchun javobgardir. 2-guruhning past afinitetli transporterlari sulfatni ksilem va floemga va undan yuklash va tushirish imkonini beradi . 3-guruh tashuvchilari sulfatni plastid membranalar orqali tashiydilar va uning qaytarilishiga imkon beradi. 4-guruh tashuvchilari tonoplastda lokalize qilinganva vakuolalardan saqlangan sulfatni eksport qilishni osonlashtiradi. Hammasi bo'lib, o'simliklarda 10-16 tashuvchi mavjud. Ba'zi turlar, shuningdek, sulfatni dukkakli nodullarga (Lotusdagi SST1 ) yoki mikoriza simbiozida tashish uchun maxsus tashuvchilarni ham o'z ichiga oladi [1] . Yashil suv o'tlari va ko'plab eukaryotik mikroalglar qo'shimcha ravishda plastidli konvertlarda hayvonlar va bakteriyalarga o'xshash ABC tashuvchilar bilan birgalikda natriy-sulfat/karboksilat ko-tashuvchisi oilasiga ega . Ular hatto ba'zi bazal o'simliklarda ham saqlanib qolgan, masalan, Marchantia jigar o'ti. Sulfatning vakuolga tushishi sulfatning so‘nggi asosiy oqimi bo‘lib, unga mos keladigan tashuvchi hali aniqlanmagan [3] .
Sulfat hujayra ichiga kirgandan so'ng, u vakuolada saqlanishi yoki to'g'ridan-to'g'ri assimilyatsiya yo'liga kirishi mumkin. O'simliklar sulfatni bioorganik molekulalarga sulfidga qaytarilgandan so'ng yoki sulfatlanish reaktsiyalari orqali oksidlangan shaklda qo'shishi mumkin ( 1 -rasm ). Avvalgi yo'l an'anaviy ravishda birlamchi sulfat assimilyatsiyasi deb ataladi, sulfatlangan metabolitlarga olib boradigan yo'l esa ikkilamchi yo'ldir [4] . Ikkala yo'l ham sulfat va ATP dan ATP sulfurilaza tomonidan ishlab chiqarilgan umumiy oraliq, adenozin 5'-fosfosulfat (APS) ga ega. APS ni APS reduktaza bilan sulfitga (SO 3 2− ) kamaytirish mumkin, u keyinchalik sulfit reduktaza ta’sirida sulfidga (S 2− ) qaytariladi.. Sulfid birlamchi sulfat assimilyatsiyasining birinchi mahsuloti bo'lgan sisteinni hosil qilish uchun O -atsetilserinning aminokislota skeletiga kiritiladi. Sistein metionin va qaytarilgan oltingugurtni o'z ichiga olgan barcha boshqa metabolitlarni sintez qilish uchun qaytarilgan oltingugurt manbai hisoblanadi. Shu bilan bir qatorda, APS ni APS kinaz yordamida 3́-fosfoadenozin 5'-fosfosulfatga fosforlanishi mumkin, u ko'plab metabolitlarning biosintezida sulfatlanish reaktsiyalari uchun sulfat donori bo'lib xizmat qiladi , masalan, peptid gormonlari , fitosulfokinlar , brassilanofokinlar , brassilanofokinlar, glyukozinolatlar

Asosiy bosqichlarni bo'linish bilan sulfatni assimilyatsiya qilish sxemasi. APS - adenozin 5'-fosfosulfat; PAPS—3́-fosfoadenozin 5'-fosfosulfat; OAS - O - atsetilserin; OPH - O-fosfohomoserin; Kist - sistationin; HKist - homosistein; R yagona rishtaOH—sulfat guruhining gidroksillangan qabul qiluvchisi; GS-X — X birikmasi bilan konjugatsiyalangan glutation; SiO - sulfit oksidaza; ATPS - ATP sulfurilaza; APR - APS reduktaza; APK - APS kinaz; SiR - sulfit reduktaza; OAS-TL — OAS tiolliaz; SAT - serin atsetiltransferaza ; g-ECS — g-glutamilsistein sintetaza; GSHS - glutation sintetaza; CGS - tsistationin g-sintaza; CBL - sistationin b-liyaz; MS - metionin sintaza ; TS - treonin sintaza; SOT - sulfotransferaza; GST - glutation S-transferaza. dan tahrirlangan[85] .

1.2 . Sulfat assimilyatsiyasini tartibga solish bo'yicha tadqiqotlarning qisqacha tarixi
Sulfat assimilyatsiyasi qattiq nazorat ostida. Bu, ayniqsa, asosiy yo'l uchun juda muhimdir, chunki sistein sintezi sulfat, nitrat va uglerodning assimilyatsiyasini birlashtiradi. Bu yo'llar muvofiqlashtirilgan bo'lishi kerak.
Oltingugurt o'z ichiga olgan birikmalar o'simliklarning hayot aylanishida ko'plab muhim funktsiyalarga ega, shuning uchun ularning sintezi saqlanishi kerak. Shu bilan birga, sulfatni kamaytirishdagi oraliq mahsulotlar, sulfit va sulfid, yuqori darajada fitotoksikdir va ularning darajasini diqqat bilan nazorat qilish kerak. Darhaqiqat, sulfat assimilyatsiyasi talabga muvofiq qat'iy tartibga solinadi. O'simliklarga oltingugurtning kamaytirilgan birikmalari - sistein, glutation, sulfit yoki H 2 taklif qilinganda, yo'l pastga qarab tartibga solinadi.S; yoki nitrat yoki uglerod chegaralanganda. Sulfatning so'rilishi va birlamchi assimilyatsiyasi oltingugurt cheklanishi, yorug'lik, uglevodlar yoki aminokislotalar, shuningdek, oksidlovchi stress va glutationga bo'lgan talabning oshishiga olib keladigan boshqa sharoitlar tufayli yuzaga keladi ( [1] da ko'rib chiqilgan ).
Yo'lning fiziologik javoblari uzoq vaqtdan beri aniqlangan bo'lsa-da, molekulyar mexanizmlar to'liq aniqlanmagan. Yo'lning asosiy nazorat bosqichlari sulfatni qabul qilish va APSni kamaytirishdir, bu oqim nazorati tahlili, shuningdek, oltingugurt bilan bog'liq belgilarning tabiiy o'zgarishini tahlil qilish orqali hujjatlashtirilgan [5] , [6] . Shuning uchun sulfat tashuvchilar, ayniqsa 1-guruh va APS reduktaza yuqori darajada tartibga solinadi [1] . Masalan, sistein yoki glutation bilan davolash sulfatning so'rilishini va APS reduktazasini kuchli ravishda pasaytiradi, ammo ATP sulfurilaza yoki sulfit reduktazaga ta'sir qilmaydi [6]. Xuddi shunday, sulfatni qabul qilish va APS reduktaza, lekin yo'lning barcha bosqichlari emas, sulfat etishmovchiligi, glyukoza va O -asetilserin [1] tomonidan qo'zg'atiladi . Shunday bo'lsa-da, sulfat assimilyatsiya qilish yo'lining boshqa komponentlari, ATP sulfurilaza, sulfit reduktaza, serin atsetiltransferaza va sulfit oksidaza uchun funktsiyaning kuchli pasayishi o'simlik oltingugurt gomeostazasiga sezilarli ta'sir qiladi va ko'pincha o'sadi [7] , [8] , [9] , [ 10] .
Turli xil muolajalardan so'ng o'simliklarning ekspression tahlili va biokimyoviy tavsifini birlashtirgan ko'plab hisobotlar yo'l transkripsiya bilan tartibga solinganligini ko'rsatdi. Haqiqatan ham, sulfat va nitrat etishmovchiligi, glutation yoki saxaroza transkript darajasini, oqsil to'planishini va ferment faolligini muvofiqlashtirilgan yuqoriga yoki pastga tartibga solishni qo'zg'atadi [1] , [11] . Yo'lni tartibga solish uchun mas'ul bo'lgan bir nechta transkripsiya omillari va past molekulyar og'irlikdagi signallar aniqlangan ( [11] da ko'rib chiqilgan ), ammo transkripsiyadan keyingi va translatsiyadan keyingi tartibga solish ham yo'lni boshqarishga yordam beradi. Bu, masalan, uchta izoform uchun transkriptlarni bog'laydigan mikroRNK miR395 ta'sirida namoyon bo'ladi.ATP sulfurilaza va sulfat tashuvchisi SULTR2;1. MiR395 transkriptlarning parchalanishiga sabab bo'lgan sulfat ochligi reaktsiyasining muhim qismidir [12] . Bundan tashqari, APS reduktaza va APS kinaz redoks bilan tartibga solinadi [13] , [14] . Ushbu topilmalar asosan genetik ekranlar yoki transgen o'simliklar tahlillari natijasida olingan. Biroq, so'nggi 15 yil ichida o'simliklarni tadqiq qilish global bilvosita yondashuvlar bilan inqilob qildi va bitta tajribada katta hajmdagi ma'lumotlarni yaratdi. Ushbu yondashuvlar tartibga soluvchi tarmoqlarning yangi tarkibiy qismlarini, shuningdek, turli yo'llar va jarayonlar o'rtasidagi ilgari noma'lum bo'lgan aloqalarni ochishga imkon berdi. Bu, albatta, oltingugurt bo'yicha tadqiqotlarga tegishli bo'lib, u o'simliklar fanida tizimli biologiyani yaratishda birinchi o'rinda turadi [15] , [16] , [17] , [18] , [19] . Bu erda biz tizim biologiyasi qanday yondashishi va keyingi avlod ketma -ketligi kabi texnologik ishlanmalarni umumlashtiramizva yuqori o'tkazuvchanlik genotiplash o'simliklar oltingugurt almashinuvi haqidagi tushunchamizni oshirishga yordam beradigan "Katta ma'lumotlar" ni yaratdi .
Oltingugurt almashinuvining tizimli biologiyasi
2.1 . Tizim biologiyasi uchun model sifatida oltingugurt almashinuvi
Global-omiks yondashuvlari oltingugurt tadqiqotlari olamiga 2003 yilda Arabidopsisning sulfat tanqisligiga global transkriptomik javobiga oid 3 ta asosiy maqola bilan kirdi [15] , [17] , [19] . Sulfat etishmovchiligining sulfatni qabul qilish va assimilyatsiya qilishga ta'siri tez-tez tasvirlangan, ammo bu holatning global ta'siri haqida juda kam narsa ma'lum. Uch guruh 8000-16000 genning ifodasini o'lchaydigan turli xil eksperimental dizaynlar va turli platformalardan foydalangan. Turli xil tuzilmalar sulfat tanqisligiga javob SULTR1;2 tashuvchisi [19] buzilishining ta'siri bilan kuchli mos kelishini ko'rsatadigan qo'shimcha savollarga javob berdi .yoki O -asetilserin [17] bilan davolash bilan . Qisqa muddatli ochlikning javobi uzoq muddatli ochlikka o'xshaydi [15] . Muhimi, sulfatni qabul qilish va assimilyatsiya qilish uchun genlarning ilgari ko'rsatilgan transkript to'planishi tasdiqlangan. Biroq, turli platformalar va hisobot berish usullaridan foydalanganligi sababli, natijalar o'rtasida faqat cheklangan o'xshashlik mavjud bo'lib, barcha uchta hisobotda faqat 4 ta gen sezilarli darajada yuqori tartibga solingan ( 1-jadval ). Shunga qaramay, muolajalar bilan bog'liq jarayonlar to'g'risidagi xulosalar sulfat etishmovchiligi kurtaklar va ildizlarda turli xil reaktsiyalarni keltirib chiqaradi, jasmonat va auksin sintezida ishtirok etadigan genlarni qo'zg'atadi va genlarni kodlaydigan genlarni bostiradi.glyukozinolatlar biosintezidagi of glucosinolates biosintez; (2) sulfat tanqisligi bilan sulfat tashuvchilari va boshqa ko'plab genlarni induktsiya qilish uchun mas'ul bo'lgan EIN3-ga o'xshash transkripsiya omili bo'lgan SLIM1 sulfat ochligining regulyatorini aniqlash[21]. Mikroarray ma'lumotlari SLIM1 tomonidan boshqariladigan genlarni topishga yordam berdi; (3) AtGenExpress, Arabidopsisdagigen funktsiyasi haqidagi bilimlarni oshirishga qaratilgan xalqaro sa'y-harakatlar[22]; va (4) sulfat tanqisligi va ta'minotini o'rganish[23][20]. Jasmonate is a stress signal that induces defense systems other than those utilizing glutathione. Increased auxin synthesis impacts root architecture facilitating increased secondary roots density. Reduced synthesis of glucosinolates and induction of genes for their degradation represent a sulfur saving mechanism. Four more microarray experiments of sulfate starvation have subsequently been reported, embedded within larger studies: (1) combination with metabolomics experiment [18], which helped to identify the desulfo-glucosinolate sulfotransferases . Alohida hisobotlardagi aniq javoblardan tashqari, kattaroq ATH1 chipi bilan amalga oshirilgan mikroarray tajribalarining umumiy natijalari va shu tariqa taxminan. Dastlabki transkriptomik tadqiqotlarga qaraganda 3 baravar ko'p genlar deyarli o'zgarmadi va barcha tajribalarda bir xil genlar va jarayonlar tartibga solingan. Ammo sulfat etishmovchiligi bilan tartibga solinadigan genlarning to'liq to'plami hali ma'lum emas, chunki barcha mavjud ifoda ma'lumotlari RNK ketma -ketligidan emas, balki mikroarraylardan kelib chiqadi .
1-jadval . Genlar sulfat etishmovchiligi bilan doimiy ravishda tartibga solinadi. Ko'rsatilgan barcha uchta dastlabki transkriptomik hisobotlarda tartibga solinadigan genlar [15] , [17] , [19] va SLIM1 qog'ozi [21] , O -asetilserin klasterining genlari [28] va 2-rasmda keltirilgan genlar . Ma'lumotlar to'liq ovqatlanish bilan solishtirganda S etishmayotgan sharoitlarda baravar o'zgarish sifatida taqdim etiladi. Yo'qolgan qiymatlar genlarning ma'lum bir qatorda bo'lmaganligini yoki sezilarli darajada tartibga solinmaganligini anglatadi.

Empty Cell AGI Malumot va ma'lumotlar to'plami Izoh

Bo'sh hujayra Bo'sh hujayra [21] [17]
(-S barg) [17]
(-S ildiz) [15] (R2.2) [19]
(LL v HH) Bo'sh hujayra
Bo'sh hujayra AT1G75280 7.1 2.4 1.7 7.8 7.5 NADPH oksidoreduktaza
Bo'sh hujayra AT1G76680 3.2 1.5 2.2 2.3 5.7 12-oksofitodienoat reduktaza (OPR1)
Bo'sh hujayra AT4G14030 2.0 1.2 1.9 2.8 3.0 Selenni bog'laydigan protein kabi
Bo'sh hujayra AT5G10180 6.9 1.0 1.3 3.5 2.7 Sulfat tashuvchisi SULTR2;1

OAS klasteri AT4G21990 4.5 2.0 1.2 5-Adenozin fosfosulfat reduktaza APR3

Bo'sh hujayra AT5G48850 88.8 Oltingugurt tanqisligi sabab bo'lgan 1 (SDI1)
Bo'sh hujayra AT1G04770 4.6 Oltingugurt tanqisligi sabab bo'lgan 2 (SDI2)
Bo'sh hujayra AT5G26220 86.2 13.7 Gamma-glutamil siklotransferaza 2ChaC-ga o'xshash oila oqsili,
Bo'sh hujayra AT1G36370 5.7 9.0 Serin gidroksimetil-transferaza SHM7
Bo'sh hujayra AT3G49580 92.9 Kam oltingugurt induktsiyasi 1 (LSU1)

2-rasm AT3G12520 6.2 Sulfat tashuvchisi SULTR4;2

Bo'sh hujayra AT5G24660 16.4 Kam oltingugurt induktsiyasi 2 (LSU2)
Bo'sh hujayra AT3G56200 4.2 Aminokislotalarning taxminiy tashuvchisi.
Bo'sh hujayra AT5G13550 1.9 3.1 1.6 Sulfat tashuvchisi SULTR4;1
Bo'sh hujayra AT4G14680 2.0 1.9 ATP-sulfurilaza APS3
Bo'sh hujayra AT4G04610 1.6 1.2 5-Adenozin fosfosulfat reduktaza APR1
Bo'sh hujayra AT4G04830 2.2 2.5 Metionin sulfoksid reduktaza B5
Bo'sh hujayra AT1G62180 2.6 1.4 2.1 4.0 5-Adenozinfosfo-sulfat reduktaza APR2
Birgalikda transkriptomik tajribalar sulfat etishmovchiligi bilan ayniqsa yuqori darajada tartibga solinadigan genlarning umumiy klasterini aniqladi ( 2- rasm , 1-jadval ). Oltingugurt almashinuvining ma'lum genlari klaster markazida joylashgan: uchta APS reduktaza izoformasi , ikkita sulfat tashuvchisi, ikkalasi ham vakuolalardan sulfatni eksport qiluvchi va ATP sulfurilazasining ATPS3 izoformasi . Klasterdagi boshqa genlarning umumiy bir jihati bor, ular birinchi marta sulfat ochligi bilan tartibga solinadigan genlar ro'yxatida topilganda ularning vazifasi noma'lum edi [15] , [17] , [19] . Bu ba'zi genlarning izohlarida aks ettirilganPAM oltingugurt ( LSU ) va sulfat tanqisligi ( SDI ) ga javob. Boshqalarini ko'p genli oilalarning bir qismi sifatida aniqlash mumkin, ammo sulfat tanqisligi reaktsiyasida aniq funktsiyasiz. Biroq, bu genlar oltingugurt bilan bog'liq turli xil tajribalarda aniqlanganligini hisobga olsak, ularning funktsiyalari yaqinda turli laboratoriyalarda ko'rib chiqildi. Arabidopsisdagi to'rttasi past oltingugurtli induktsiyali (LSU) oqsillari oqsil-oqsil o'zaro ta'sirida, shuningdek, boshqa oqsillar / yo'llarning funktsiyasini o'zgartirishda ishtirok etgan ko'rinadi [24] . Kationlarni tashishtartibga soluvchi oqsilga o'xshash protein aslida glutatyon gomeostazasida ishtirok etuvchi g-glutamil siklotransferaza ekanligi aniqlandi [25] . Boshqalar, albatta, sulfat ochligiga javob mexanizmlarini va bu jarayonlarda individual yuqori darajada tartibga solinadigan genlarning rolini yaxshiroq tushunishga imkon beradigan tez orada kuzatib boradilar. Sulfat tanqisligi tufayli yuqori darajada, ayniqsa va doimiy ravishda qo'zg'atilgan ikkita gen SULTR1;1 va 1;2 sulfat tashuvchilari klasteriga kirmaydi . Ushbu genlar ildizga xosdir va shuning uchun klasterlash uchun ishlatiladigan APS reduktaza bilan umumiy korrelyatsiyaning statistik ahamiyati chegaradan past va genlar 2-rasmda tasvirlangan klasterda ko'rinmaydi.