Evidence for Importance of tRNA-dependent Cytokinin Biosynthetic Pathway in the Moss Physcomitrella patens

0322256 - ÚEB 2009 RIV US eng J - Článek v odborném periodiku
Yevdakova, N.A. - Motyka, Václav - Malbeck, Jiří - Trávníčková, Alena - Novák, Ondřej - Strnad, Miroslav - von Schwartzenberg, K.
Evidence for Importance of tRNA-dependent Cytokinin Biosynthetic Pathway in the Moss Physcomitrella patens.
[Uplatnění a význam tRNA-dependentní dráhy pro biosyntézu cytokininů v mechu Physcomitrella patens.]
Journal of Plant Growth Regulation. Roč. 27, č. 3 (2008), s. 271-281. ISSN 0721-7595. E-ISSN 1435-8107
Grant CEP: GA MŠMT(CZ) LC06034; GA ČR GA206/05/0894; GA AV ČR IAA600380701
Výzkumný záměr: CEZ:AV0Z50380511
Klíčová slova: Physcomitrella * ove mutant * Cytokinin biosynthesis * tRNA-isopentenyl transferase
Kód oboru RIV: ED - Fyziologie
Impakt faktor: 2.109, rok: 2008

To study cytokinin biosynthesis, we characterized a temperature-sensitive cytokinin-overproducing mutant, oveST25, of the moss Physcomitrella patens with respect to changes in cytokinin content during thermal induction in comparison to wild type. Our findings, based on combined liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) analyses, show that thermoinduction caused a strong increase of extracellular N 6-(Δ2-isopentenyl)adenine (iP), N 6-(Δ2-isopentenyl)adenosine (iPR), cis-zeatin (cZ), cis-zeatin riboside (cZR) and its O-glucoside cZROG in oveST25. In contrast, no significant changes were measured in the wild type. To investigate the relevance of tRNA for cytokinin production in Physcomitrella, we determined cytokinins in tissue and culture medium as well as in tRNA hydrolysates. The analysis of cytokinins from whole-culture extracts of wild type revealed 56% of iP-type, 32% of cZ-type, and 11% of trans-zeatin (tZ)-type forms. In tRNA, 90% of cytokinins were represented by cZ-type and 8% by iP-type forms; tZ-type cytokinins were found only in trace amounts. The finding that the major free cytokinins are, albeit with altered proportions, also major forms in tRNA is compatible with the hypothesis of a strong tRNA-mediated biogenesis of cytokinins in this plant. Our RT-PCR-based studies on the expression of the tRNA-IPT gene, PpIPT1, revealed enhanced transcription levels in the cytokinin-overproducing oveST25 mutant at the inducing temperature of 25°C, but not at noninducing conditions (15°C). A wild-type transgenic line with cytokinin deficiency due to heterologous cytokinin oxidase/dehydrogenase overexpression (AtCKX2) also exhibited enhanced PpIPT1 expression levels, indicating that cytokinin deficiency might upregulate tRNA-mediated cytokinin biosynthesis. The evidence that the tRNA-mediated pathway might be mainly responsible for biosynthesis of isoprenoid cytokinins in Physcomitrella is strongly supported by the recent release of the Physcomitrella genomic sequence where only tRNA-IPTs but no adenylate-IPTs are present.

Ke studiu biosyntézy cytokininů byl zvolen a charakterizován teplotně-senzitivní mutant oveST25 mechu Physcomitrella patens, u něhož po termoindukci dochází ke změnám hladin cytokininů. Kombinací kapalinové chromatografie a hmotové spektrometrie (LC-MS) bylo zjištěno, že tepelná indukce (25oC) vede u oveST25 k výraznému zvýšení extracelulárních koncentrací N6-(Δ2-isopentenyl)adeninu (iP), N6-(Δ2-isopentenyl)adenosinu (iPR), cis-zeatinu (cZ), cis-zeatinribosidu (cZR) a jeho O-glukosidu (cZROG), zatímco u kontroly (wild-type; WT) nebyly nalezeny žádné změny. Pro stanovení významu tRNA na produkci cytokininů u Physcomitrella byly analyzovány hladiny cytokininů v pletivech, kultivačním médiu a v tRNA hydrolyzátech mechu. V extraktech WT kultury bylo zjištěno, že 56% veškerých cytokininů představují deriváty iP, 32% deriváty cZ a 11% deriváty trans-zeatinu (tZ). Také v tRNA převládají různé formy cZ (90% všech cytokininů) a iP (8%), zatímco cytokininy tZ-typu byly detekovány pouze v stopových množstvích. Převaha cytokininů iP- a cZ-typu, resp. absence nebo jen velmi nízké zastoupení cytokininů tZ-typu jak v buňkách a médiu, tak v hydrolyzátech tRNA svědčí o tom, že hlavním zdrojem volných cytokininů je v mechu Physcomitrella rozklad tRNA. Analýzou RT-PCR byla prokázána zvýšená úroveň transkripce tRNA-IPT genu PpIPT1 u mutanta oveST25 po termoindukci (25 oC) ve srovnání s neindukčními podmínkami (15 oC). Zvýšená exprese PpIPT1 byla zjištěna rovněž u transgenní cytokinin-deficitní linie mechu exprimující gen AtCKX2 kódující cytokininoxidázu/dehydrogenázu, což naznačuje korelaci mezi hladinou cytokininů a genovou expresí tRNA-IPT. O uplatnění a významu tRNA-dependentní dráhy pro biosyntézu cytokininů u mechu svědčí i skutečnost, že v nedávno popsaném genomu Physcomitrella patens byly nalezeny geny kódující IPT a specificky využívající jako substrát pouze tRNA, nikoliv adenosinfosfáty.
Trvalý link: http://hdl.handle.net/11104/0170572