The stilbene biosynthetic pathway and its regulation in Scots pine

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3911-5
Title: The stilbene biosynthetic pathway and its regulation in Scots pine
Author: Paasela, Tanja
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Agricultural Sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: E-thesis - URN:ISSN:2342-5431
Abstract: Conifers dominate the boreal forests of the Northern Hemisphere, and especially members of the family Pinaceae have great economic and ecological significance. Part of their success is thought to arise from the vast array of secondary metabolites they produce. The products of secondary metabolism are essential for plants to survive in the ever-changing environment. In Scots pine (Pinus sylvestris L.), two groups of secondary metabolites, stilbenes and resin acids, are crucial for decay resistance of heartwood timber and for active defense responses against herbivores and fungal pathogens. Several studies have shown that stilbenes improve decay resistance of pine heartwood. Since there is wide variation in the concentration of stilbenes between individuals and the trait has high heritability, it may be possible to breed heartwood that is more decay-resistant. However, breeding for heartwood properties is slow, since the decay resistance characteristics can be estimated at the earliest from 30-year-old trees. Early selection methods utilizing genetic markers or chemical screening are needed, but we do not yet understand which genes control the biosynthesis of stilbenes and what the genetic differences are between individuals that explain the variation in the capacity to produce stilbenes. Importantly, there is genetic correlation between stress-induced stilbene biosynthesis in seedlings and the heartwood stilbene content in their adult mother trees. Here, we examined the pine transcriptional responses under two conditions that were previously known to activate stilbene biosynthesis: heartwood formation in adult trees and ultraviolet (UV)-C treatment of needles in seedlings. We found that these two conditions had very little in common, except for the activation of stilbene pathway genes. For example, the regulators of the two responses seemed not to be shared. The activation of the stilbene pathway in response to UV-C treatment occurred a few hours after the onset of the treatment and was independent of translation. Stilbene biosynthesis seems to be an early defense response in Scots pine. Heartwood formation, an important developmental process in the senescence of secondary xylem, is poorly understood. Based on transcriptomic analysis, stilbene biosynthesis occurs in situ in the transition zone between the sapwood and heartwood, but resin acids were synthesized primarily in the sapwood. Bifunctional nuclease, an enzyme involved in the process of developmentally programmed cell death (dPCD), is a useful marker for heartwood formation and aided us in defining the timing of the process, from spring to late autumn. Expression of this marker, which is strictly confined to dPCD conditions, further clarified that heartwood formation truly is a process that is initiated by intrinsic programming instead of environmental cues. The transcriptomic data revealed that the expression of the previously characterized pinosylvin O-methyltransferase gene, PMT1, was not induced under stilbene-forming conditions. A new PMT-encoding gene, PMT2, was identified by coexpression analysis. The gene showed an inducible expression pattern very similar to that of the stilbene synthase gene under all conditions studied. PMT2 furthermore methylated pinosylvin with high specificity, in contrast to PMT1, which accepted several substrates.Pohjoisen pallonpuoliskon kasvillisuus on havumetsien hallitsemaa ja etenkin mäntykasvien (Pinaceae) heimoon kuuluu taloudellisesti ja ekologisesti merkittäviä lajeja. Yksi selitys havupuiden menestykselle saattaa olla niiden kyky tuottaa laaja kirjo erilaisia sekundaariyhdisteitä. Männyn (Pinus sylvestris L.) tärkeimpiin sekundaariyhdisteisiin kuuluvat stilbeenit ja terpeenit toimivat puolustuksessa tuholaisia ja patogeenejä vastaan. Aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että aktiivisen puolustuksen lisäksi etenkin stilbeenit parantavat männyn sydänpuun lahonkestävyyttä. Sydänpuun stilbeenien määrä vaihtelee huomattavasti yksilöiden välillä ja ominaisuus on periytyvä, mikä mahdollistaa sydänpuun lahonkestävyyden parantamisen jalostuksen keinoin. Sydänpuun laatuominaisuuksien jalostus on kuitenkin hidasta ja varhaisvalintaan soveltuvien geenimerkkien tunnistaminen nopeuttaisi jalostusprosessia. Emme kuitenkaan vielä tiedä, mitkä geenit säätelevät stilbeenien biosynteesiä ja selittävät erot sydänpuun stilbeenien määrässä. Stilbeenien tuotanto käynnistyy erilaisten stressitekijöiden vaikutuksesta neulasissa ja mantopuussa. Indusoituva tuotanto korreloi sydänpuun stilbeenien määrän kanssa ja tätä voidaan mahdollisesti hyödyntää kemiallisessa seulonnassa taimien varhaisvalinnassa. Tässä väitöskirjassa tutkittiin muutoksia männyn transkriptomissa sydänpuun muodostumisen aikana ja UV-C käsittelyn seurauksena. Stilbeenien biosynteesireitin entsyymejä koodavat geenit aktivoituivat kummassakin tapauksessa, mutta muuten transkriptomeilla oli hyvin vähän yhteistä. Esimerkiksi yhteisiä transkriptiota sääteleviä tekijöitä ei löydetty ja vaikuttaakin siltä, että eri transkriptiofaktorit säätelevät stilbeenien biosynteesireittiä sydänpuun kehityksen aikana ja stressitekijöiden vaikutuksesta. Sydänpuun muodostumisen aikana puussa tapahtuvat kemialliset ja rakenteelliset muutokset tunnetaan joillakin lajeilla hyvin, mutta itse prosessin ajoittuminen sekä käynnistymiseen ja säätelyyn vaikuttavat tekijät ovat vielä suurelta osin tuntemattomia. Stilbeenin biosynteesistä vastaavat geenit ilmenivät vaihettumisvyöhykkeellä mantopuun ja sydänpuun välissä, jossa sydänpuun muodostuminen käynnistyy ja näin tukee aiempaa käsitystä stilbeenien in situ biosynteesistä. Hartsihappojen biosynteesistä vastaavat geenit taas ilmenivät lähinnä mantopuussa, jolloin ne todennäköisesti kuljetetaan vaihettumisvyöhykkeelle sen ulkopuolelta. Ohjelmoidulla solukuolemalla on suuri merkitys sekä kasvin kehityksessä, että stressivasteissa. Bifunktionaalinen nukleaasi (BFN) on entsyymi, joka on yhdistetty aiemmissa tutkimuksissa spesifisesti kasvien kehityksellisiin tapahtumiin. Entsyymiä koodaavan geenin havaittiin ilmenevän ainoastaan vaihettumisvyöhykkeellä. Tämä tukee hypoteesia, jonka mukaan sydänpuun muodostuminen on sisäisesti säädelty eikä ympäristötekijöiden laukaisema tapahtuma. Bifunktionaalinen nukleaasi toimi myös hyödyllisenä markkerina sydänpuun muodostumisen ajoittamisessa keväästä myöhäiseen syksyyn. Transkriptiodata paljasti, että aiemmin tunnistettu stilbeenireitin viimeistä reaktiota katalysoiva metyylitransferaasientsyymiä (PMT1) koodaava geeni ei indusoitunut tutkituissa stilbeenejä tuottavissa olosuhteissa. Tunnistimme uuden metyylitransferaasia koodaavan geenin (PMT2), jonka ekspressioprofiili vastasi stilbeenireitin toisen entsyymin, stilbeenisyntaasin ekspressiota kaikissa tutkituissa olosuhteissa. PMT2 metyloi spesifisesti pinosylviiniä kun taas PMT1 metyloi stilbeenien lisäksi useita rakenteellisesti erilaisia substraatteja.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3911-5
http://hdl.handle.net/10138/228616
Date: 2017-12-15
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
TheStilb.pdf 2.735Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record