Molecular genetic characterization and expression studies of sucrose transporter genes in cassava (manihot exculenta crantz)

Abstract

Sucrose transporters (SUTs) play a crucial role in the distribution of photoassimilates carbon in the form of sucrose throughout plants. In order to understand carbohydrate partitioning in cassava (Manihot esculenta Crantz), we focused on SUT genes. This research aims to identify cDNAs encoding SUTs and investigate their gene expression patterns in cassava. We took an initial step by screening both storage root and leaf cDNA libraries for cDNA encoding SUT type 1, 2 and 4. A MeSUT2 cDNA was identified in the leaf cDNA library, whereas MeSUTI, MeSUT4-1 and MeSUT4-2 cDNAs were isolated from storage root cDNA library. The translated amino acid sequences of MeSUTI, MeSUT2, MeSUT4-1 and MeSUT4-2 showed the highest similarity to Ricinus communis ReScr1 (82%), Citrus sinensis CsSUT2 (74%), and Ricinus communis RcSUC4 (84% and 86%), respectively. The translated peptides of all four MeSUT cDNAs were composed of twelve transmembrane spanning domains. The conserved motifs for sugar transporters and conserved histidine residues, related to sucrose binding in the transport process, existed in all MeSUT peptides. Therefore, all MeSUT cDNAs may encode functional SUT proteins. Genomic Southern analysis using the cDNA fragments unique to MeSUT1, MeSUT2 and MeSUT4 as probes indicated the presence of more than one copy of each gene in the cassava genome. Semi-quantitative reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR) results indicated the expressions of all four MeSUT cDNAs in both source and sink organs of cassava. In developing leaves, the expressions of MeSUT genes were correlated to leaf functional characteristics. In different layers of storage roots, the expressions of MeSUTI and MeSUT4-2 genes were higher in the cortex containing phloem than in the parenchyma layers accumulating starch. On the other hand the expression levels of MeSUT2 and MeSUT4-1 genes were equal in all layers. During cassava development, the expression of MeSUT2 gene in storage roots was equally expressed, whereas the expression levels of MeSUTI, MeSUT4-1 and MeSUT4-2 genes varied depending on the time of harvesting. Rainfall may be one parameter affecting the expression of MeSUT genes.

โปรตีนขนส่งน้ำตาลซูโครส (Sucrose transporter หรือ SUT) มีบทบาทสำคัญใน การกระจายสารประกอบคาร์บอนที่ได้จากการสังเคราะห์แสงในรูปของน้ำตาลซูโครสไปยังส่วนต่าง ๆ ของพืช เพื่อทำ ความเข้าใจเกี่ยวกับการลำเลียงคาร์โบไฮเดรตไปยังส่วนต่างๆของต้นมันสำปะหลัง ผู้วิจัยจึงมุ่งเน้นศึกษายีนถอดรหัสสำหรับโปรตีนขนส่งน้ำตาลซูโครส งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อค้นหา cDNA ที่ถอดรหัสให้ SUT และศึกษารูปแบบการแสดงออกของ SUT gene ในมันสำปะหลัง ในเบื้องต้นเราค้นพบ cDNA ที่ถอดรหัสให้โปรตีนขนส่งน้ำตาลซูโครสที่พบในพืชทั่วไปทั้งสามชนิดคือ SUTI, SUT2 และ SUT4 จาก cDNA library จำเพาะต่อรากสะสมอาหารและใบมันสำปะหลัง ในการทดลองนี้ MeSUT2 cDNA ได้มาจาก cDNA library จำเพาะต่อใบ ส่วน MeSUTI cDNA, MeSUT4-1 cDNA และ MeSUT4-2 cDNA ได้มาจาก cDNA library จำเพาะต่อรากสะสมอาหาร ลำดับกรดอะมิในของ MeSUT2 เหมือนกับ CsSUT2 ของส้ม 74% ส่วน MeSUT1, MeSUT4-1 และ MeSUT4-2 เหมือนกับ ReSerl และ RcSUC4 ของละหุ่ง 82%, 84% และ 86%ตามลำดับ การวิเคราะห์เปปไทด์ที่ได้จากการถอดรหัสจาก cDNA เหล่านี้พบว่า ประกอบด้วยโครงสร้างที่แสดงการแทรกอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์จำนวน 12 ตำแหน่ง และมีโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์สำหรับโปรตีนขนส่งน้ำตาลที่พบในพืช เช่น กรดอะมิโนฮิสติดีน (Histidine) ที่เกี่ยวข้องกับการจับของน้ำตาลซูโครสในกระบวนการขนส่ง ด้วยเหตุผลเหล่านี้จึงเป็นไปได้ว่าซีดีเอ็นเอทั้งสี่ สามารถถอดรหัสให้โปรตีนขนส่งน้ำตาลซูโครสที่ทำหน้าที่ในมันสำปะหลัง การทดลองหาจำนวนชุดของยีน SUTI, SUT2 และ SUT4 ในจีโนมของมันสำปะหลังโดยเทคนิค Southern blot analysis พบว่ายีนเหล่านี้มีมากกว่า 1 ชุด การศึกษาการแสดงออกของยีนเหล่านี้เนื้อเยื่อต่างๆของมันสำปะหลังโดยเทคนิค Semi-quantitative RT-PCR พบว่ายีนทั้งสี่แสดงออกทั้งในเนื้อเยื่อที่เป็น source และ sink และการแสดงออกของยีนเหล่านี้ในใบระยะต่างๆสัมพันธ์กับลักษณะหน้าที่ของใบ การศึกษาการแสดงออกของยีนเหล่านี้ในรากสะสมอาหาร พบว่า MeSUTI และ MeSUT4-2 แสดงออกในชั้น cortex ซึ่งมีท่อลำเลียงอาหารมากกว่าชั้น parenchyma ซึ่งเป็นที่เก็บสะสมแป้ง ส่วน MeSUT2 และ MeSUT4-1 แสดงออกในเนื้อเยื่อทั้งสองในปริมาณที่ไม่แตกต่างกัน การติดตามการแสดงออกของยืนเหล่านี้ในรากสะสมอาหารที่เก็บเกี่ยวจากต้นที่อายุต่างกันพบว่า MeSUT2 แสดงออกในปริมาณสม่ำเสมอในทุกช่วงอายุการเก็บเกี่ยว ในขณะที่การแสดงออกของ MeSUTI, MeSUT4-1 และ MeSUT4-2 ผันแปรขึ้นอยู่กับช่วงเวลาของการเก็บเกี่ยว ซึ่งปริมาณน้ำฝนที่ต้นมันสำปะหลังได้รับอาจจะเป็นปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่อการแสดงออกของยีนเหล่านี้