Selection of Reference Genes for Transcriptional Analysis of Edible Tubers of Potato (Solanum tuberosum L.)

Potato (Solanum tuberosum) yield has increased dramatically over the last 50 years and this has been achieved by a combination of improved agronomy and biotechnology efforts. Gene studies are taking place to improve new qualities and develop new cultivars. Reverse transcriptase quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR) is a bench-marking analytical tool for gene expression analysis, but its accuracy is highly dependent on a reliable normalization strategy of an invariant reference genes. For this reason, the goal of this work was to select and validate reference genes for transcriptional analysis of edible tubers of potato. To do so, RT-qPCR primers were designed for ten genes with relatively stable expression in potato tubers as observed in RNA-Seq experiments. Primers were designed across exon boundaries to avoid genomic DNA contamination. Differences were observed in the ranking of candidate genes identified by geNorm, NormFinder and BestKeeper algorithms. The ranks determined by geNorm and NormFinder were very similar and for all samples the most stable candidates were C2, exocyst complex component sec3 (SEC3) and ATCUL3/ ATCUL3A/CUL3/CUL3A (CUL3A). According to BestKeeper, the importin alpha and ubiquitin-associated/ts-n genes were the most stable. Three genes were selected as reference genes for potato edible tubers in RT-qPCR studies. The first one, called C2, was selected in common by NormFinder and geNorm, the second one is SEC3, selected by NormFinder, and the third one is CUL3A, selected by geNorm. Appropriate reference genes identified in this work will help to improve the accuracy of gene expression quantification analyses by taking into account differences that may be observed in RNA quality or reverse transcription efficiency across the samples

Análise transcricional dos genes do sistema ISC em EUCALYPTUS GRANDIS e AZOBACTER VINELAND

Os cofatores de ferro-enxofre [Fe-S] estão entre os mais versáteis e antigos cofatores enzimáticos encontrados na natureza. As células têm explorado as propriedades eletrônicas e estruturais destes cofatores inorgânicos para uma ampla variedade de atividades incluindo a transferência de elétrons, a catálise e a ativação de substratos. Um grande número de proteínas está envolvido na biogênese dos cofatores [Fe-S], e este processo pode ser dividido em três etapas principais: (i) formação do enxofre elementar, (ii) montagem do cofator [Fe-S], e (iii) inserção do cofator em apoproteínas. As plantas realizam fotossíntese e respiração, dois processos que requerem proteínas Fe-S, sendo os únicos organismos em que a biossíntese destas proteínas é compartimentalizada. Diversos fatores afetam o desenvolvimento das plantas, entre eles, a temperatura baixa, fator limitante à produtividade e à distribuição geográfica das plantas, incluindo Eucalyptus grandis, uma espécie com grande importância econômica. Devido a esse fato, foi realizada uma análise transcricional dos genes codificados pelo sistema ISC de biossíntese de cofatores [Fe-S] NFS1, ISA1 e ISU1 de E. grandis por meio de PCR quantitativa (RT-qPCR), após plântulas desta espécie serem submetidas ao tratamento de frio. O gene NFS1 teve sua expressão reprimida nas primeiras 48 horas de tratamento, porém, após esse período observa-se um aumento da expressão gênica em relação à condição controle. O genes ISU1 e ISA1 apresentaram maior expressão gênica nas primeiras duas horas de tratamento, diminuindo drasticamente logo após este período. Foi verificado um aumento na quantidade relativa de Fe e S nos nas plântulas submetidas ao tratamento de frio, indicando um possível aumento na quantidade de cofatores [Fe-S] requeridos para o reestabelecimento da homeostase celular. As bactérias, por sua vez, desenvolveram pelo menos três sistemas de biossíntese, altamente conservados, que estão envolvidos na formação dos cofatores [Fe-S], sendo estes NIF, ISC e SUF. Em muitas proteobactérias, a regulação da produção de cofatores [Fe-S] pelos sistemas ISC e SUF é controlada por uma única proteína, IscR, pertencente à família de reguladores Rrf2. A proteína IscR possui um domínio de ligação ao DNA na região N-terminal e um segundo domínio de ligação de cofatores com três resíduos de cisteínas (Cys) altamente conservados. A ligação de um cofator do tipo [2Fe-2S] reprime a transcrição do seu próprio promotor in vitro. O genoma de Azotobacter vinelandii não inclui um sistema SUF completo e, portanto, permite o estudo dos efeitos da regulação de IscR não relacionada a SUF. No presente trabalho, objetivamos analisar a expressão do operon isc em linhagens selvagens e mutantes para IscR de A. vinelandii por meio das técnicas de sequenciamento do transcritoma e RT-qPCR. As substituições das Cys92, Cys104, His107 e a deleção de 120 pb da região codificadora do segundo domínio de IscR levaram à indução de um aumento da expressão de todo o operon isc. Notou-se também uma diferença fenotípica clara no tamanho das colônias portadoras das substituições de Cys e His, sendo estas menores em relação à linhagem selvagem. As substituições das Cys98 e Cys111, ou ainda a dupla substituição Cys98/111 não levaram a alteração da expressão do operon. A ligação ou não do cofator [Fe-S] é, portanto, responsável pela regulação do operon isc em A. vinelandii, bem como, de outros operons codificadores de proteínas envolvidas em cadeias tranportadoras de elétrons.The iron-sulfur clusters [Fe-S] are among the oldest and most versatile enzyme cofactors found in nature. The cells have explored the structural and electronic properties of these inorganic clusters for a wide variety of activities including electron transfer, catalysis and activation of substrates. A large number of proteins is involved in the biogenesis of the [Fe-S] clusters, and this process can be divided into three main steps: (i) formation of elemental sulfur, (ii) assembly of the [Fe-S] cluster and (iii) insertion into apoproteins. Plants perform photosynthesis and respiration, two processes that require Fe-S protein, and in these organisms the synthesis of these proteins is compartmentalized. Several factors affect the development of plants, among them, the low temperature is a limiting factor to productivity and geographical distribution of plants, including Eucalyptus grandis, a specie with great economic importance. Due to this fact, we performed a transcriptional analysis by quantitative PCR (RT-qPCR) of the genes encoded by the E. grandis [Fe-S] cluster ISC system NFS1, ISA1 and ISU1 after seedlings were submitted to the chilling treatment. The NFS1 gene expression is repressed in the first 48 hours of treatment, but after this period there was an increase in gene expression relating to the control condition. The genes ISU1 and ISA1 showed higher gene expression in the first two hours of treatment, followed by a sharp decrease. There was an increase in the relative amount of Fe and S in the seedlings subjected to cold treatment, indicating a possible increase in the amount of [Fe-S] clusters, required for the reestablishment of cellular homeostasis. Bacteria have developed at least three synthesis systems, highly conserved, which are involved in the formation of Fe-S proteins, NIF, ISC and SUF. In many proteobacteria, the regulation of clusters production by ISC and SUF is controlled by a single protein, IscR, belonging to the Rrf2 regulators family. The protein IscR has a DNA binding site at the N-terminal domain and second cofactors binding domain with three cysteine residues (Cys) highly conserved. The binding of a [2Fe-2S] cluster represses the transcription of its own promoter in vitro. The genome of Azotobacter vinelandii does not include a full SUF system and thus permits the study of the effects of IscR regulation unrelated to SUF. In this study, the aim was to analyze the expression of isc operon in wild type and mutant strains of A. vinelandii IscR by the techniques of the transcriptome sequencing and qRT-PCR. The replacement of Cys92, Cys104, His107 and a deletion of 120 bp region encoding the second IscR domain led to an increased expression of the whole isc operon. It also showed a clear phenotypic difference in colonies size in the strains carrying the substitutions of His and Cys, it was smaller compared to the wild type strain. The replacement of Cys98 and Cys111, or the double substitution Cys98/111 not led to an altered operon expression. The [Fe-S] cluster binding or not, is therefore responsible for the regulation of the isc operon in A. vinelandii as well as of other operons encoding proteins involved in electron tranport chains

Análise transcricional dos genes ISA1, NFS1 e ISU1 de Eucalyptus grandis sob estresse

Os agrupamentos de ferro-enxofre (Fe-S) são grupos prostéticos necessários para a manutenção da vida, pois estão envolvidos em diversos processos incluindo a transferência de elétrons, reações metabólicas, sinalização e regulação da expressão gênica. As plantas realizam fotossíntese e respiração, dois processos que requerem proteínas Fe-S, sendo os únicos organismos em que a síntese destas proteínas é compartimentalizada. Diversos fatores afetam o desenvolvimento das plantas, entre eles, a temperatura baixa, fator limitante à produtividade e à distribuição geográfica das plantas, incluindo Eucalyptus grandis, uma espécie com grande importância econômica. Neste trabalho foi realizada uma análise transcricional dos genes NFS1, ISA1 e ISU1 de E. grandis após diferentes estúmlos por meio de PCR quantitativa (qRT-PCR) e microarranjos. Após o tratamento de plântulas de E. grandis com frio, foram realizados experimentos de qRT-PCR. Os resultados foram normalizados com os genes constitutivos codificadores da histona H2B e da ribonucleoproteína L23A. Considerando tal normalização, ISU1 aumentou sua expressão em 0,6 e 1,7 vezes, NFS1 apresentou um aumento de 6 e 8 vezes, enquanto ISA1 apresentou um aumento de 69 a 114 vezes em relação à condição controle. Utilizando-se a técnica de microarranjos, foi analisada a diferença de expressão entre folhas e xilema de árvores maduras de E. grandis. O gene NFS1 apresentou maior expressão nas folhas do que em xilema, porém os genes ISA1 e ISU1 apresentaram um padrão de expressão equivalente entre os dois tipos de tecidos. Esses resultados sugerem que (i) os genes NFS1 e ISA1 podem estar relacionados à resposta celular ao estresse causado por frio; e que (ii) os aumentos na expressão devem-se, provavelmente, ao metabolismo de enxofre e à indução de enzimas antioxidantes. Foi também realizado um experimento de curva de tempo com a submissão de plântulas de E. grandis ao resfriamento, objetivando-se verificar em que momento esses genes começam a ter suas expressões aumentadas. O gene ISU1 apresentou maior expressão gênica nas primeiras duas horas de tratamento, caindo drasticamente logo após este período. O gene ISA1, que havia apresentado a maior expressão relativa no experimento anterior, não apresentou diferença significativa no padrão de expressão durante as 16 horas de resfriamento, assim como o gene NFS1. Esses resultados indicam que as proteínas Fe-S, frente ao resfriamento, estão possivelmente envolvidas na recuperação das plantas após tal estresse.Iron-sulfur (Fe-S) clusters are prosthetic groups required for the maintenance of life because they are involved in various vital processes, including electron transfers, metabolic reactions, signaling and regulation of gene expression. Plants perform photosynthesis and respiration, two processes that require Fe-S proteins, and are the only organisms in which the synthesis of these proteins is compartmentalized. Several factors and stresses affect the development of plants including low temperature, which is a productivity-limiting factor and restricts plants to certain geographical distributions, including Eucalyptus grandis, a species with significant economic importance. The aim of this study is to perform an analysis of E. grandis NFS1 and ISA1 gene expressions after different stimuli through quantitative PCR (qRT-PCR) and microarrays. qRT-PCR experiment were conducted on plants submitted to a cold treatment. The results were normalized with the housekeeping genes encoding histone H2B and ribonucleoprotein L23A. Considering such normalizations, ISU1 increased the expression 0.6 and 1-fold, NFS1 showed a 6 and 8-fold increase in comparison with the control condition, while ISA1 gene increased 69 and 114-fold. Using microarrays, the difference in expression between leaves and xylem of E. grandis was analyzed. The NFS1 gene showed higher expression in leaves than in xylem, but the ISA1and ISU1 showed equivalent pattern of expression in both types of tissues. These results suggest that (i) NFS1 and ISA1 genes are related to the cellular response to the stress caused by chilling, and that (ii) the increased expression should be probably due to the metabolism of sulfur and to the induction of antioxidative enzymes. A time-course experiment was also conducted during the cold stress of E. grandis plants to look at which moment these genes begin to increase their expressions. The ISU1 gene showed higher expression in the first 2 hours of treatment, and than decreased severally after this period. The ISA1 gene, which had shown the highest expression in the previous experiment, did not show significant differences in the pattern of expression during the 16 hours of chilling treatment, as well as the NFS1 gene. These results indicate that Fe-S proteins, in response to low temperature, are possibly involved in the recovery of the plants after this stress

Análise transcricional dos genes ISA1, NFS1 e ISU1 de Eucalyptus grandis sob estresse

Os agrupamentos de ferro-enxofre (Fe-S) são grupos prostéticos necessários para a manutenção da vida, pois estão envolvidos em diversos processos incluindo a transferência de elétrons, reações metabólicas, sinalização e regulação da expressão gênica. As plantas realizam fotossíntese e respiração, dois processos que requerem proteínas Fe-S, sendo os únicos organismos em que a síntese destas proteínas é compartimentalizada. Diversos fatores afetam o desenvolvimento das plantas, entre eles, a temperatura baixa, fator limitante à produtividade e à distribuição geográfica das plantas, incluindo Eucalyptus grandis, uma espécie com grande importância econômica. Neste trabalho foi realizada uma análise transcricional dos genes NFS1, ISA1 e ISU1 de E. grandis após diferentes estúmlos por meio de PCR quantitativa (qRT-PCR) e microarranjos. Após o tratamento de plântulas de E. grandis com frio, foram realizados experimentos de qRT-PCR. Os resultados foram normalizados com os genes constitutivos codificadores da histona H2B e da ribonucleoproteína L23A. Considerando tal normalização, ISU1 aumentou sua expressão em 0,6 e 1,7 vezes, NFS1 apresentou um aumento de 6 e 8 vezes, enquanto ISA1 apresentou um aumento de 69 a 114 vezes em relação à condição controle. Utilizando-se a técnica de microarranjos, foi analisada a diferença de expressão entre folhas e xilema de árvores maduras de E. grandis. O gene NFS1 apresentou maior expressão nas folhas do que em xilema, porém os genes ISA1 e ISU1 apresentaram um padrão de expressão equivalente entre os dois tipos de tecidos. Esses resultados sugerem que (i) os genes NFS1 e ISA1 podem estar relacionados à resposta celular ao estresse causado por frio; e que (ii) os aumentos na expressão devem-se, provavelmente, ao metabolismo de enxofre e à indução de enzimas antioxidantes. Foi também realizado um experimento de curva de tempo com a submissão de plântulas de E. grandis ao resfriamento, objetivando-se verificar em que momento esses genes começam a ter suas expressões aumentadas. O gene ISU1 apresentou maior expressão gênica nas primeiras duas horas de tratamento, caindo drasticamente logo após este período. O gene ISA1, que havia apresentado a maior expressão relativa no experimento anterior, não apresentou diferença significativa no padrão de expressão durante as 16 horas de resfriamento, assim como o gene NFS1. Esses resultados indicam que as proteínas Fe-S, frente ao resfriamento, estão possivelmente envolvidas na recuperação das plantas após tal estresse.Iron-sulfur (Fe-S) clusters are prosthetic groups required for the maintenance of life because they are involved in various vital processes, including electron transfers, metabolic reactions, signaling and regulation of gene expression. Plants perform photosynthesis and respiration, two processes that require Fe-S proteins, and are the only organisms in which the synthesis of these proteins is compartmentalized. Several factors and stresses affect the development of plants including low temperature, which is a productivity-limiting factor and restricts plants to certain geographical distributions, including Eucalyptus grandis, a species with significant economic importance. The aim of this study is to perform an analysis of E. grandis NFS1 and ISA1 gene expressions after different stimuli through quantitative PCR (qRT-PCR) and microarrays. qRT-PCR experiment were conducted on plants submitted to a cold treatment. The results were normalized with the housekeeping genes encoding histone H2B and ribonucleoprotein L23A. Considering such normalizations, ISU1 increased the expression 0.6 and 1-fold, NFS1 showed a 6 and 8-fold increase in comparison with the control condition, while ISA1 gene increased 69 and 114-fold. Using microarrays, the difference in expression between leaves and xylem of E. grandis was analyzed. The NFS1 gene showed higher expression in leaves than in xylem, but the ISA1and ISU1 showed equivalent pattern of expression in both types of tissues. These results suggest that (i) NFS1 and ISA1 genes are related to the cellular response to the stress caused by chilling, and that (ii) the increased expression should be probably due to the metabolism of sulfur and to the induction of antioxidative enzymes. A time-course experiment was also conducted during the cold stress of E. grandis plants to look at which moment these genes begin to increase their expressions. The ISU1 gene showed higher expression in the first 2 hours of treatment, and than decreased severally after this period. The ISA1 gene, which had shown the highest expression in the previous experiment, did not show significant differences in the pattern of expression during the 16 hours of chilling treatment, as well as the NFS1 gene. These results indicate that Fe-S proteins, in response to low temperature, are possibly involved in the recovery of the plants after this stress

Avaliação da expressão de genes codoficadores de proteínas de montagem de agrupamentos [Fe-S] em resposta ao resfriamento : experimento de “time-course”

15