Molecular and bioinformatic identification of two sterol methyltransferases which are involved in plant sterol biosynthesis in olive (Olea europaea L.)

Abstract

Fitosteroller (PSs) olarak bilinen bitki fotokimyasalları son dönemlerde insan sağlığına olan çeşitli faydalarından dolayı bilimsel camiada birçok çalışmanın odağı haline gelmiştir. Bitkilerde hücre zarının temel yapıtaşı olan fitosteroller; hücre büyümesi, gelişmesi ve farklılaşması gibi çeşitli biyolojik süreçte de görev alırlar. İzoprenoid biyosentez yolağı ile sentezlenen fitosteroller, bitki hormonlarının bir grubu olan brassinosteroidlerin (BRs) de öncül molekülleridir. Birçok enzimatik reaksiyon içeren biyosentez yolağında, kilit noktalarda kritik rol oynayan sterol metiltransferazlar nihai fitosterol konsantrasyonunun belirlenmesi açısından önem arz etmektedir. Bu çalışmanın amacı Türkiye'de yaygın olarak yetiştiriciliği yapılan dört farklı zeytin çeşidinin (Ayvalık, Gemlik, Memecik ve Gökçeada) genomunda SMT genlerini (SMT1 ve SMT2) tanımlamak ve zeytin meyve olgunlaşması boyunca bu genlerin anlatımlarını analiz etmektir. Bu kapsamda SMT genlerinin referans protein dizileri model organizma Arabidopsis thaliana ve Solanum lycopersicum bitkisinden elde edilmiş olup biyoinformatik analizler ile zeytin genomunda aday gen bölgeleri belirlenmiştir. Elde edilen aday OeSMT gen dizilerine özgü primerler tasarlanmış ve gen anlatım çalışmaları gerçek zamanlı PZR çalışmaları ile yürütülmüştür. Daha sonra OeSMT genleri için klonlama çalışmaları yapılmış ve bu genlerin karşılaştırmalı analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgulara göre OeSMT1 geninin ifadesi meyve olgunlaşmasının son dönemlerinde artarken OeSMT2 geninin ifadesinin meyve olgunlaşması boyunca aktif bir şekilde devam ettiği gözlemlenmiştir. Ayrıca yapılan klonlama çalışmalarının sonucunda zeytin SMT genlerinin dizileri ilk kez ortaya çıkarılmıştır. Bu genlerin moleküler ölçekte karakterize edilmeleri fitosterol biyosentezinde önemli rolleri olduğu göz önüne alındığında, ileri moleküler ıslah çalışmalarına ışık tutacak niteliktedir. Elde edilen sonuçlar fitosterol içeriği yüksek zeytin çeşitlerinin tespit edilmesi ve geliştirilmesine kayda değer katkılar sağlayacaktır.

Plant phytochemicals known as phytosterols have recently become the focus of many studies in the scientific community due to their various benefits to human health. PSs, which are the basic building blocks of cell membranes in plants; are also involved in various biological processes such as cell growth, development, and differentiation. PSs synthesized by the isoprenoid biosynthesis pathway are also the precursor molecules of BRs, a group of plant hormones. In the biosynthesis pathway, which includes many enzymatic reactions, sterol methyltransferases, which play a critical role at key points, are important in terms of determining the final phytosterol concentration. This study aims to identify SMT genes (SMT1 and SMT2) in the genome of four distinct olive cultivars (Ayvalık, Gemlik, Memecik, and Gökçeada) widely cultivated in Türkiye and to analyse the expressions of these genes during olive fruit ripening. In this context, reference protein sequences of SMT genes were obtained from the model organism Arabidopsis thaliana and Solanum lycopersicum, and candidate gene regions in the olive genome were determined by bioinformatics analysis. Target-specific primers for the obtained candidate OeSMT gene sequences were designed and gene expression studies were carried out with real-time PCR studies. Moreover, cloning studies of the OeSMT genes were performed in order to comparative analysis of these genes. According to the findings, it was observed that the expression of the OeSMT1 gene elevated in the beginning stages of fruit maturation, while the expression of the OeSMT2 gene was maintained actively throughout fruit maturation. Furthermore, the sequences of the olive SMT genes were identified for the first time as a result of cloning studies. The outcomes of this research will make significant contributions to the identification and development of olive varieties with high phytosterol content.