Genome-wide Identification and Characterization of the 3- Dehydroquinate Dehydratase/Shikimate Dehydrogenase Gene Family in Rubus chingii Hu

Planten zijn niet slechts passief groen; het zijn chemische fabrieken die constant een breed scala aan verbindingen produceren om te overleven, te groeien en zichzelf te verdedigen. Een van de meest vitale van deze fabrieken is een metabolische route die bekend staat als de shikimaatroute, een fundamentele route die planten gebruiken om de bouwstenen voor aminozuren en een host aan beschermende chemicaliën op te bouwen. Op een cruciaal kruispunt in deze route zit een uniek enzym dat een dubbele taak uitvoert: het helpt bij het creëren van shikimzuur, een precursor voor veel essentiële stoffen in planten, en het stuurt het proces ook in de richting van de productie van galluszuur. Galluszuur is een krachtige fenolische verbinding die in veel vruchten en kruiden wordt gevonden, bekend om zijn antioxidante eigenschappen en zijn rol als een directe precursor voor ellagzuur, een andere nuttige verbinding. Het begrijpen van hoe planten dit specifieke enzym aansturen, is de sleutel tot het begrijpen van hoe ze de productie van deze waardevolle chemicaliën reguleren, die vaak de nutritionele en medicinale waarde van de plant bepalen.

Onderzoekers richtten hun aandacht op Rubus chingii, een klimmende struik afkomstig uit China die zowel geprezen wordt als vrucht als traditioneel medicijn. De onrijpe vruchten van deze plant worden gebruikt om diverse kwalen te behandelen, terwijl de rijpe vruchten als delicatesse worden gegeten. De plant is bijzonder rijk aan galluszuur en ellagzuur, maar wetenschappers begrepen niet volledig hoe de genen van de plant de productie van deze verbindingen controleerden. Om dit puzzelstuk op te lossen, voerde een team wetenschappers van de Zhejiang Sci-Tech University een uitgebreide studie uit om de specifieke genen in kaart te brengen die verantwoordelijk zijn voor het enzym dat de kloof tussen shikimzuur en galluszuur overbrugt. Ze wilden weten hoeveel van deze genen de plant bezit, waar ze zich bevinden, hoe ze gestructureerd zijn en wanneer ze aan of uit staan tijdens de levenscyclus van de plant.

Het team begon met het scannen van het volledige genoom van Rubus chingii om de genen te vinden die coderen voor dit specifieke enzym. Ze identificeerden precies vier genen, die ze RcDHD/SDH1 tot en met RcDHD/SDH4 noemden. Deze genen zijn niet willekeurig verspreid; ze zijn gelijkmatig verdeeld over slechts twee van de chromosomen van de plant. De onderzoekers onderzochten vervolgens de fysieke eigenschappen van de eiwitten die deze genen creëren. Ze ontdekten dat de eiwitten variëren in grootte, waarbij sommige quite groot zijn, met meer dan 1.300 aminozuren, terwijl anderen kleiner zijn. Ondanks deze verschillen in grootte delen alle vier de eiwitten een gemeenschappelijke structurele kern die hen in staat stelt als enzym te functioneren. De studie voorspelde dat deze eiwitten voornamelijk opereren binnen de nucleus en het cytoplasma van de plantencellen, de twee belangrijkste compartimenten waar cellulaire activiteiten plaatsvinden.

Om te begrijpen hoe deze genen evolueerden, vergeleken de wetenschappers ze met vergelijkbare genen in andere planten, variërend van rijst en maïs tot soja en druiven. De analyse onthulde dat de vier genen in Rubus chingii behoren tot een specifieke familiegroep die gedeeld wordt met andere breedbladige planten, of dicotylen, zoals soja. Ze klonterden niet samen met de genen gevonden in grassen zoals rijst en maïs, wat suggereert dat deze groep genen een afzonderlijk evolutionair pad heeft gevolgd in breedbladige planten. De onderzoekers keken ook naar de structuur van de genen zelf, waarbij ze opmerkten dat ze tussen de negen en veertien segmenten bevatten, bekend als exonen, wat de delen van het gen zijn die de instructies dragen voor het bouwen van het eiwit. Deze structurele variatie suggereert dat hoewel de genen verwant zijn, ze genoeg gedivergeerd zijn om potentieel licht verschillende rollen te vervullen.

Een cruciaal onderdeel van het onderzoek betrof het kijken naar de "schakelaars" die zich nabij deze genen bevinden. Deze schakelaars, bekend als cis-actieve elementen, zijn DNA-sequenties die het gen vertellen wanneer het aan te zetten. De onderzoekers ontdekten dat de schakelaars voor deze vier genen gevoelig zijn voor licht, temperatuur en diverse plantenhormonen. Dit betekent dat de productie van het enzym waarschijnlijk wordt beïnvloed door de omgeving, zoals veranderingen in zonlicht of de aanwezigheid van stress. Specifiek lijken de genen schakelaars te hebben die reageren op methyljasmonaat, een hormoon betrokken bij defensie, evenals auxine en absciszuur, die groei en stressreacties reguleren.

Het team ging vervolgens van de computer naar de kas om te zien hoe deze genen zich in een levende plant gedragen. Ze maten de activiteit van de genen in verschillende delen van de plant, waaronder wortels, stengels, bladeren, bloemen en vruchten in verschillende stadia van rijping. Ze vonden dat de genen overal actief zijn, maar dat de intensiteit varieert. Eén gen, RcDHD/SDH4, was bijzonder actief in de stengels en bladeren, terwijl de andere een meer consistente activiteit vertoonden in de wortels. Wanneer ze de genen tijdens de vruchtontwikkeling volgden, kwam er een duidelijk patroon naar voren. De genen waren het meest actief wanneer de vrucht klein en groen was. Naarmate de vrucht groter werd en van kleur begon te veranderen, nam de activiteit van deze genen aanzienlijk af.

Deze daling in genactiviteit was niet willekeurig; het kwam perfect overeen met de niveaus van de chemicaliën die de genen helpen produceren. De onderzoekers maten de hoeveelheid galluszuur en ellagzuur in de vrucht in elk stadium. Ze vonden dat deze verbindingen snel accumuleerden wanneer de vrucht klein en groen was, en hun piek bereikten voordat de vrucht rood werd. Naarmate de vrucht rijpte en de genactiviteit daalde, stabiliseerden de niveaus van deze chemicaliën zich of namen ze af. Deze nauwe correlatie suggereert dat de genen het meest kritiek zijn tijdens de vroege stadia van de vruchtgroei, waarbij ze de productie van deze beschermende stoffen aansturen wanneer de vrucht het meest kwetsbaar is.

Om te bevestigen dat deze genen inderdaad reageren op de interne signalen van de plant, behandelden de onderzoekers de bladeren met verschillende hormonen. Wanneer ze methyljasmonaat toepasten, schoot de activiteit van de genen omhoog, waarbij sommige hun activiteit met meer dan vijf keer vergrooten. Dit bevestigde dat de plant deze genen gebruikt als onderdeel van hun defensiesysteem, door de productie op te voeren wanneer de plant een dreiging signaleert. In gelijkaardige wijze reageerden de genen ook op auxine en absciszuur, zij het op verschillende manieren, waarbij één gen een enorme vierendertigvoudige toename in activiteit vertoonde bij blootstelling aan auxine. Deze resultaten wijzen erop dat de plant een geavanceerd systeem heeft voor het reguleren van deze genen, door ze op of af te regelen afhankelijk van of het moet groeien, zichzelf moet verdedigen of stress moet managen.

De studie concludeert dat de vier geïdentificeerde genen in Rubus chingii de primaire controllers zijn van het enzym dat de link legt tussen shikimzuur en galluszuur. Hun activiteit is het hoogst in de vroege stadia van de vruchtontwikkeling en in de bladeren, wat overeenkomt met de perioden waarin de plant hoge niveaus van galluszuur en ellagzuur nodig heeft. Het onderzoek biedt een gedetailleerde kaart van hoe deze genen gestructureerd zijn, waar ze zich bevinden en hoe ze reageren op de omgeving. Door deze genetische machinerie te begrijpen, kunnen wetenschappers beter waarderen hoe deze plant haar medicinale verbindingen produceert en deze kennis op een dag kunnen gebruiken om de kwaliteit van de vrucht te verbeteren of de productie van deze waardevolle chemicaliën voor menselijk gebruik te verhogen. Het werk legt een fundament voor toekomstige studies die kunnen onderzoeken hoe men deze genen kan manipuleren om de natuurlijke defensie van de plant te versterken of de opbrengst van haar gunstige verbindingen te verhogen.