ความหลากหลายของลำดับเบสของยีนในวิถีการสังเคราะห์แคโรทีนอยด์ในข้าวไทยจากการวิเคราะห์ลำดับเบสทรานสคริปโตมและจีโนม
Gene Sequence Variations of Carotenoid Biosynthesis Pathway in Thai Rice Varieties (Oryza sativa L.) from Transcriptome and Whole Genome Sequencing Analysis
Keywords:
ข้าว, ความหลากหลายของลำดับเบส , วิถีการสังเคราะห์แคโรทีนอยด์ , การหาลำดับอาร์เอ็นเอ , การหาลำดับเบสจีโนม, rice , sequence variation , carotenoid biosynthesis pathway , transcriptome sequencing, whole genome sequencingAbstract
ลูทีนเป็นสารที่ได้จากวิถีการสังเคราะห์แคโรทีนอยด์ของข้าวไทย พบมากในข้าวที่มีเยื่อหุ้มเมล็ดสีดำ ในการศึกษานี้ จึงค้นหาความหลากหลายของลำดับเบสของยีนในวิถีการสังเคราะห์แคโรทีนอยด์เปรียบเทียบกับข้าวที่มีเยื่อหุ้มเมล็ดสีขาว ที่ได้จากการวิเคราะห์ผลการหาลำดับอาร์เอ็นเอร่วมกับการหาลำดับเบสจีโนม ซึ่งเป็นการค้นหาลำดับเบสที่สามารถแยกข้าว ที่มีเยื่อหุ้มเมล็ดสีขาวที่ไม่พบสารลูทีนกับข้าวที่มีเยื่อหุ้มเมล็ดสีดำที่ตรวจพบสารลูทีนสูง ผลการค้นหาพบลำดับเบสที่แยกกลุ่มข้าวที่มีเยื่อหุ้มเมล็ดสีขาวจากสีดำ จำนวน 12 ยีน เป็นการเปลี่ยนแปลงลำดับเบสในส่วนที่เป็นยีนจำนวน 5 ยีน คือ ยีน phytoene desaturase (PDS), zeta-carotene isomerase (ZISO), lycopene epsilon-cyclase (LCYe), cytochrome P450 carotene beta-hydroxylase (Lut5, CYP97A) และ cytochrome P450 type B (CYP97B) โดยพบความหลากหลายของลำดับเบสจำนวนมากทั้งในส่วนที่เป็นยีน บริเวณด้านหน้าและบริเวณด้านหลังยีน ในยีน ZISO, CYP97A และ CYP97B ยีนเหล่านี้จึงน่าจะเป็นยีนสำคัญที่ทำงานเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์สารลูทีนในข้าวไทย ซึ่งความหลากหลายของลำดับเบส ดังกล่าวสามารถนำไปใช้ในการพัฒนาเป็นเครื่องหมายดีเอ็นเอเพื่อใช้ในการช่วยคัดเลือกหรือปรับปรุงพันธุ์ข้าวไทยให้มีสารลูทีนสูงต่อไป Lutein is a product from carotenoid biosynthetic pathway which is highly found in black rice pericarp. The purpose of this study was to identify sequence variations of genes in carotenoid biosynthetic pathway from Thai rice varieties with white (no lutein) and black (high lutein) pericarp by transcriptome and genome analyses. The sequences of 12 genes in the carotenoid synthesis showing variations between white and black rice were detected. The variations in gene regions were found in 5 genes which were phytoene desaturase (PDS), zeta-carotene isomerase (ZISO), lycopene epsilon-cyclase (LCYe), cytochrome P450 carotene beta-hydroxylase (Lut5, CYP97A) and cytochrome P450 type B (CYP97B). High levels of sequence variations in upstream region, gene region and downstream region were found in ZISO, CYP97A and CYP97B genes. Therefore, these three genes were probably key candidate genes related to lutein biosynthesis. The sequence variations of these genes in the carotenoid biosynthesis pathway will be used to develop DNA markers for selection of high lutein accumulation in rice breeding program.References
Al-Babili, S., & Beyer, P. (2005). Golden Rice–five years on the road–five years to go? Trends in plant science, 10(12), 565-573.
Ashokkumar, K., Govindaraj, M., Adhimoolam Karthikeyan, V., & Warkentin, T. D. (2020). Genomics-integrated breeding for carotenoids and folates in staple cereal grains to reduce malnutrition. Frontiers in genetics, 11.
Badro, H., Ndjiondjop, M.-N., Furtado, A., & Henry, R. (2020). Sequence variants linked to key traits in interspecific crosses between African and Asian rice. Plants, 9(12), 1653.
Bai, C., Capell, T., Berman, J., Medina, V., Sandmann, G., Christou, P., & Zhu, C. (2016). Bottlenecks in carotenoid biosynthesis and accumulation in rice endosperm are influenced by the precursor–product balance. Plant Biotechnology Journal, 14(1), 195-205.
Chen, Y., Li, F., & Wurtzel, E. T. (2010). Isolation and characterization of the Z-ISO gene encoding a missing component of carotenoid biosynthesis in plants. Plant Physiology, 153(1), 66-79.
Chettry, U., & Chrungoo, N. K. (2020). A multifocal approach towards understanding the complexities of carotenoid biosynthesis and accumulation in rice grains. Briefings in functional genomics, 19(4), 324-335.
Chettry, U., Chrungoo, N. K., & Kulkarni, K. (2019). Comparative transcriptomics approach in elucidation of carotenoid biosynthesis regulation in grains of rice (Oryza sativa L.). Scientific reports, 9(1), 1-12.
Davidson, R. M., Gowda, M., Moghe, G., Lin, H., Vaillancourt, B., Shiu, S. H., . . . Robin Buell, C. (2012). Comparative transcriptomics of three Poaceae species reveals patterns of gene expression evolution. The Plant Journal, 71(3), 492-502.
Dibari, B., Murat, F., Chosson, A., Gautier, V., Poncet, C., Lecomte, P., . . . Blanco, A. (2012). Deciphering the genomic structure, function and evolution of carotenogenesis related phytoene synthases in grasses. Bmc Genomics, 13(1), 1-14.
Dillies, M.-A., Rau, A., Aubert, J., Hennequet-Antier, C., Jeanmougin, M., Servant, N., . . . Estelle, J. (2013). A comprehensive evaluation of normalization methods for Illumina high-throughput RNA sequencing data analysis. Briefings in bioinformatics, 14(6), 671-683.
Grabherr, M. G., Haas, B. J., Yassour, M., Levin, J. Z., Thompson, D. A., Amit, I., . . . Zeng, Q. (2011). Full-length transcriptome assembly from RNA-Seq data without a reference genome. Nature biotechnology, 29(7), 644-652.
Janphen, K., Sangtong, V., Sakulsingharoj, C., Leethanatudom, S., Phaisansuthichol, S., & Pongjaroenkit, S. (2019). Expression Analysis of Genes in Carotenoid Biosynthesis Pathway from Thai Rice with Different Pericarp Colors. Paper presented at the In Proceeding National Genetics Conference (NGC2019) "Genetics for Sustainable Development", Burapha University. (In Thai)
Jayaraj, K. L., Thulasidharan, N., Antony, A., John, M., Augustine, R., Chakravartty, N., …Thomas, G. (2021). Targeted editing of tomato carotenoid isomerase reveals the role of 5′ UTR region in gene expression regulation. Plant Cell Reports, 40(4), 621-635.
Kim, J. K., Lee, S. Y., Chu, S. M., Lim, S. H., Suh, S.-C., Lee, Y.-T., . . . Ha, S.-H. (2010). Variation and correlation analysis of flavonoids and carotenoids in Korean pigmented rice (Oryza sativa L.) cultivars. Journal of agricultural and food chemistry, 58(24), 12804-12809.
Kongkachuichai, R., & Charoensir, R. (2010). Nutritional values of land-race rice in the land reform area of Ampur Kudchum, Yasothon Province. Journal of Nutrition Association of Thailand, 45(2), 15-32. (in Thai)
Li, J., Wang, S., Yu, J., Wang, L., & Zhou, S. (2013). A modified CTAB protocol for plant DNA extraction. Chinese Bulletin of Botany, 48(1), 72.
Lv, M.-Z., Chao, D.-Y., Shan, J.-X., Zhu, M.-Z., Shi, M., Gao, J.-P., & Lin, H.-X. (2012). Rice carotenoid β-ring hydroxylase CYP97A4 is involved in lutein biosynthesis. Plant and Cell Physiology, 53(6), 987-1002.
Niu, G., Guo, Q., Wang, J., Zhao, S., He, Y., & Liu, L. (2020). Structural basis for plant lutein biosynthesis from αcarotene. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,, 117(25), 14150-14157.
Oikawa, T., Maeda, H., Oguchi, T., Yamaguchi, T., Tanabe, N., Ebana, K., . . . Izawa, T. (2015). The birth of a black rice gene and its local spread by introgression. The Plant Cell, 27(9), 2401-2414.
Pereira-Caro, G., Cros, G., Yokota, T., & Crozier, A. (2013). Phytochemical profiles of black, red, brown, and white rice from the Camargue region of France. Journal of agricultural and food chemistry, 61(33), 7976-7986.
Pranathi, K., Viraktamath, B., Neeraja, C., Balachandran, S., Rao, P. K., Revathi, P.,… Naik, S. B. (2016). Development and validation of candidate gene-specific markers for the major fertility restorer genes, Rf4 and Rf3in rice. Molecular Breeding, 36(10), 1-14.
Ren, J., Zhang, F., Gao, F., Zeng, L., Lu, X., Zhao, X., ...Dai, M. (2020). Transcriptome and genome sequencing elucidates the molecular basis for the high yield and good quality of the hybrid rice variety Chuanyou6203. Scientific reports, 10(1), 1-15.
Stanley, L., & Yuan, Y.-W. (2019). Transcriptional regulation of carotenoid biosynthesis in plants: so many regulators, so little consensus. Frontiers in plant science, 10, 1017.
Villa-Rivera, M. G., & Ochoa-Alejo, N. (2020). Chili pepper carotenoids: nutraceutical properties and mechanisms of action. Molecules, 25(23), 5573.
Watkins, J. L., & Pogson, B. J. (2020). Prospects for carotenoid biofortification targeting retention and catabolism. Trends in plant science, 25(5), 501-512.
Welsch, R., Wüst, F., Bär, C., Al-Babili, S., & Beyer, P. (2008). A third phytoene synthase is devoted to abiotic stress-induced abscisic acid formation in rice and defines functional diversification of phytoene synthase genes. Plant Physiology, 147(1), 367-380.
Wurtzel, E. T. (2019). Changing form and function through carotenoids and synthetic biology. Plant physiology, 179(3), 830-843.
