Unraveling the apomixis-related genes in Boechera genus: BM, APOLLO, and LEC2

Abstract

Apomiksi, bitkilerde partenonegenez (cinsel üremenin döllenme aşamalarından kaçınma) ve apomayoz (mayozda anormalilerin görülmesi ya da mayozun engellenmesi) sonucunda dişi ebeveyne özdeş embriyolar üreten bir eşeysiz üreme yöntemidir. Genetiği değiştirilmiş veya hibrit bitkiler için sabit bir genotipe sahip mahsuller üretmek önemli bir özelliktir. Apomiksinin arkasındaki moleküler mekanizma karmaşık olması ve genetik altyapısının tamamen anlaşılamamış olması ile birlikte, apomikt ve eşeyli türler arasında farklı şekilde düzenlenen veya mayoz gibi apomiksideki önemli süreçlerde rollerinin bulunduğu bilinen aday genler literatürde mevcuttur. Apomiksis-Linked Locus (APOLLO), Baby BOOM (BBM) ve Leafy Cotyledon 2 (LEC2) genleri, apomiktik gelişim için aday genler olarak tanımlanmışlardır. Bu çalışmanın amacı, apomik ve eşeyli üreme sırasında BBM, LEC2 ve APOLLO genlerinin ekspresyon profillerindeki farklılıkların araştırılmasıdır. Ayrıca BBM ve LEC2 genlerinin gen klonlama ve dizi analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalımanın sonuçları, APOLLO geninin apo-alelinin Boechera'nın apomikt türlerinde, anter ve pistil dokularında apomayoz sırasında yüksek oranda gen anlatım göstermektetir ve eşeysel alelin mayoz sırasında eşeyli Boechera'da aynı sonuçları göstermektedir. Melezlemeden 5 gün sonra pistillerdeki gen anlatımında görülen keskin artışın, APOLLO geninin apo-aleli ile apomeiosis arasındaki ilişkiyi desteklediği gözlenmiştir. Melezlemeden 5 gün sonra sex-alelde bulunan aynı artışın, APOLLO geninin sex-aleli ile mayoz arasındaki ilişkiyi desteklediği gözlenmiştir. Ayrıca, LEC2 gen anlatımının apomikt B. divaricarpa ve eşeyli B.stricta bitkileri arasında önemli bir fark göstermediği belirlenmiştir. BBM geni, hem apomikt hem de eşeyli Boechera bitkilerinde melezleme sonrası pistillerde anlamlı bir anlatım göstermemesine rağmen, B. divaricarpa'nın anter dokularında mayozdan sonra keskin bir şekilde azalma göstermiştir ve pistil dokularında yüksek bir şekilde ifadeye uğramıştır. Bu BBM geninin apomict B. divaricarpa bitkisinde otonom embryo oluşumunu destekleyebileceğini göstermiştir. Ayrıca gen klonlama çalışmalarımız sonucunda B. divaricarpa bitkilerinde BBM ve LEC2 gen dizileri ortaya çıkarılmıştır. Bu çalışmanın bulguları, apomiktik yolların düzenleyici genlerinin keşfine önemli katkı sağlayacaktır.

Apomixis a way of asexual reproduction that generates embryos identical to the female parent as a result of the apomeiosis (partially or complete deficient from meiosis) and parthenonegenesis (avoiding fertilization stages of sexual reproduction) in plants. Apomixis is an important trait to produce hybrid plants with a fixed genotype . Although the molecular mechanisms behind apomixis are complex and many of its parts are still unknown, the candidate genes differently regulated between apomict and sexual species were reported in model species. Among these candidate genes, Apomixis-Linked Locus (APOLLO), Baby BOOM (BBM) and Leafy Cotyledon 2 genes are the most promising genes. The aim of this study is investigation of differences in expression profile of BBM, LEC2 and APOLLO genes during apomict and sexual reproduction. Gene spesific primer sequence were designed to perform gene expression analysis by real-time PCR. Besides, gene cloning analysis of BBM and LEC2 genes were carried out. Our results suggest that apo-allele of APOLLO gene is highly expressed in anter and pistil tissues of apomict type of Boechera during apomeiosis ans sex-allele showed the same results in sexual Boechera during meiosis. Its sharp increase in expression in pistils of 5 days after pollunation (DAP) supported the relation between apoallele of APOLLO gene and apomeiosis, and the relation between sex-allele of APOLLO gene and meiosis. Although the LEC2 gene showed high expression in anter tissues, It didn't show any significant differences in gene expression between in both sexual B. stricta and apomict B. divaricarpa plants. It is also revealed that, BBM gene showed high expression in B. stricta in anter tissues after meiosis and showed no expression in pistil tissues at the same stage. Interestingly, in apomict B. divaricarpa, BBM gene showed no expression in B. divaricarpa anter tissues and it showed high expression in pistil tissues. These results revealed the BBM gene would contribute the autonomous embryogenesis in apomict B. divaricarpa. Lastly, it is reported that the gene sequences of BBM and LEC2 in B. divaricarpa and B. stricta plants as a result of our gene clonning studies. The findings of this study will contribute significantly to the discovery of the regulatory genes of apomictic pathways.