Cellulose content variation and underlying gene families in bread wheat

Abstract

Synthesis and remodelling of various cell wall components play a vital role in plant development, architecture and innate immunity. Plant cell walls are mainly composed of cellulose and hemicellulose which produce a bulk of renewable biomass vital for food, feed and biofuels. Cellulose in the primary and secondary cell wall of plants is synthesised by the family of genes called CesA (Cellulose synthase A). This study is a first report about the distinctive structural and functional motifs of primary and secondary cell wall synthesis genes. Using publicly available genomic databases and resources, 22 TaCesA genes located on A, B and D genomes of hexaploid wheat were identified. Cellulose in secondary cell walls is synthesised by three genes (TaCesA4, TaCesA7, and TaCesA8) co-expressing in the mature stem tissues of bread wheat. But the relative transcript abundance was found to be higher for TaCesA4 genes, which indicates its major role in the secondary cell wall cellulose synthesis. We employed the virus-induced gene silencing (VIGS) approach to functionally characterize TaCesA4 gene through silencing its three homoeologs (TaCesA4A, TaCesA4B, and TaCesA4D) collectively in bread wheat. Silenced plants showed a significant reduction in transcript abundance and cellulose content in the stem tissues. However, the anatomy of stem cross sections of silenced plants did not show any evidence of abrupt changes in the secondary cell wall of stems at the booting stage. A panel of 265 diverse wheat lines was evaluated for natural variation of cellulose content that was linked to the SNP genotyping data through genome-wide association studies (GWAS). This analysis led the identification of novel genes (β-tubulin and UDP-glycosyl transferase) associated with cellulose biosynthesis in wheat. In addition, Cellulose synthase-like (Csl) genes of wheat were explored. These genes have been known for the regulation/synthesis of hemicelluloses such as heteromannan, xyloglucan, heteroxylans, and mixed-linkage glucan. A total of 108 Csl genes were identified based on the family specific Pfam conserved domains. Tissue-specific expression and phylogeny of Csl genes were also elucidated. Taken together, genome- wide exploration of CesA & Csl genes and their association with cellulose and hemicellulose biosynthesis offer a valuable resource for designing high yielding wheat varieties possessing appropriate lignocellulosic traits.La synthèse et la remodelage des divers composants des parois cellulaires jouent un rôle important dans le développement, l'architecture et l'immunité innée des plantes. Les parois cellulaires sont principalement composées de cellulose et d'hémicellulose, lesquelles représentent une quantité importante de biomasse dans les aliments pour humains et bétail autant que dans les biocombustibles. La cellulose présente dans les parois cellulaires primaires et secondaires est synthétisée par des gènes de la famille CesA (Cellulose synthase A). Cette étude est la première à décrire les motifs structurels et fonctionnels caractéristiques de ces gènes de synthèse de parois cellulaires primaires et secondaires. Utilisant des ressources génétiques disponibles, 22 gènes TaCesA situés sur les génomes A, B et D du blé hexaploïde furent identifiés. La cellulose dans les parois cellulaires secondaires est synthétisée par trois gènes (TaCesA4, TaCesA7 et TaCesA8) qui sont coexprimés dans les tissus matures des tiges de blé. Cependant, les transcrits du gène TaCesA4 étaient plus abondants, ce qui indique l'importance élevée de ce gène pour la synthèse de la cellulose dans les parois cellulaires secondaires. Par biais d'une technique silençage de gène induit par virus (VIGS), nous avons caractérisé la fonctionnalité du gène TaCesA4 en désactivant tous ses trois homologues (TaCesA4A, TaCesA4B et TaCesA4D) dans le blé. Les plantes avec les gènes ainsi désactivés montrèrent une réduction significative en abondance des transcrits et en quantité de cellulose présente dans les tissus de leurs tiges. Cependant, l'anatomie des sections transversales des plantes aux gènes désactivés ne montrèrent aucune évidence de changements dramatiques dans les parois secondaires des cellules des tiges au phase de reproduction. Un ensemble de 265 diverses lignées de blé fut évalué pour caractériser la variation naturelle de la teneur en cellulose. Ces différences furent ensuite comparées avec des données de génotypage de polymorphismes mononucléotidiques par biais d'une étude d'association pangénomique. Cette analyse mena à l'identification de nouveaux gènes (β-tubulin et glycosyl transférase UDP) associés avec la biosynthèse de la cellulose dans le blé. Des gènes du blé similaires à ceux de la cellulose, Cellulose synthase-like (Csl), furent aussi explorés. Ceux-ci ont déjà été reconnus pour leur rôle dans la régulation et la synthèse des hémicelluloses tels que le l'hétéromannane, le xyloglucane, les hétéroxylanes, et les glucanes à liaisons mixtes. Un total de 108 gènes de Csl fut identifié grâce aux domaines Pfam conservés spécifiques à cette famille, et la phylogénie et l'expression au niveau des tissus de ceux-ci furent ensuit analysées. L'analyse en profondeur de l'architecture génétique de la biosynthèse de la cellulose et de l'hémicellulose offre un atout précieux pour l'amélioration végétale et les modifications génétiques des variétés de blé en but d'obtenir une production de biomasse désirable tout en conservant une résistance suffisante envers de divers stresses