Regulation of the expression of genes encoding proteins engaged in signal transduction pathways in soybean seedlings (Glycine max L.) treated with cadmium

Abstract

Wydział Biologii: Instytut Biologii EksperymentalnejCelem rozprawy doktorskiej jest kompleksowe zbadanie szlaków sygnalnych aktywowanych w siewkach soi poddanych działaniu kadmu. . Badania obejmowały pomiary ekspresji 15 genów powiązanych z różnymi szlakami przekazywania sygnałów w korzeniach soi traktowanych roztworami kadmu w dwóch stężeniach (10 mg L-1 i 25 mg L-1) przez krótkie okresy czasu (3, 6 i 24 h). Uzyskane wyniki wykazały, że kadm indukuje ekspresję genów kodujących białka zaangażowane w metabolizm etylenu (syntazę kwasu 1-aminocyklopropano-1-karboksylowego - ACS), generowanie tlenku azotu (reduktazę azotanową – NR), kaskady kinaz aktywowanych mitogenami (MAPKK2) i regulację ekspresji innych genów (czynniki transkrypcyjne DOF1, MYBZ2 i bZIP62). Wzrost ekspresji genu ACS był skorelowany z indukcją biosyntezy etylenu, a indukcja genu NR ze wzrostem aktywności reduktazy azotanowej. Dane literaturowe pokazują, że krótkotrwały stres kadmowy prowadzi do akumulacji etylenu, tlenku azotu oraz generowanych przez oksydazę NADPH reaktywnych form tlenu. Doświadczenia z zastosowaniem zmiatacza tlenku azotu (PTIO) i inhibitora oksydazy NADPH (DPI), wykazały, że PTIO, niweluje zależny od kadmu wzrost ekspresji wszystkich genów indukowanych przez Cd po 3 godzinach, zaś w tym samym wariancie czasowym, DPI, zwiększa zależną od Cd indukcję genów DOF1 i MYBZ2. Również inhibitor syntezy etylenu, CoCl2, moduluje ekspresję szeregu genów (MAPKK2, NR, DOF1 i bZIP62), jednakże, w zastosowanych warunkach nie hamuje biosyntezy etylenu. Podsumowując, uzyskane wyniki wskazują, że etylen, NO, kaskady MAPK oraz czynniki transkrypcyjne DOF1, MYBZ2 i bZIP62 uczestniczą w przekazywaniu sygnału w siewkach soi narażonych na krótkotrwały stres kadmowy.The aim of present study is a comprehensive examination of signaling pathways engaged in the transduction of cadmium signal in soybean seedlings. The research includes analysis of expression of 15 genes involved in various signal transduction pathways in soybean seedlings exposed to cadmium at two concentrations (10 mg L-1 and 25 mg L-1) for short time periods (3, 6 and 24 h). The obtained results show that cadmium causes induction of genes encoding proteins involved in ethylene metabolism (1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid synthase - ACS), nitric oxide generation (nitrate reductase - NR), MAPK cascades (MAPKK2) and regulates the expression of other genes (DOF1, MYBZ2 and bZIP62 transcriptions factors). Increase in ACS expression was correlated with induction of ethylene biosynthesis, while induction of NR gene with increase in nitrate reductase activity. Literature data show that short term cadmium stress leads to the accumulation of ethylene, nitric oxide and reactive oxygen species generated mainly by NADPH oxiadase. Experiments performed with the use of nitric oxide scavenger (PTIO) and NADPH oxidase inhibitor (DPI) showed that PTIO reversed the observed Cd-dependent induction of expression of all investigated genes after 3 h, while in the same time variant, DPI, caused augmentation of Cd-dependent induction of DOF1 and MYBZ2 genes. Also inhibitor of ethylene synthesis, CoCl2, caused modulation of expression of several genes (MAPKK2, NR, DOF1 and bZIP62), however, it did not inhibit ethylene production. Taken together obtained results imply that ethylene, NO, MAPK cascades and DOF1, MYBZ2 and bZIP62 transcription factors are engaged in the transduction of cadmium signal in soybean seedlings exposed to short term cadmium stress