Plant stilbenes represent a relatively small group of phenylpropanoid compounds characterized by a diphenylethylene backbone and have been detected in only a few unrelated plant species, including pine (Pinaceae), peanut (Fabaceae), sorghum (Poaceae) and grapevine (Vitaceae) (Morales et al., 2000). As with other phenylpropanoids, stilbenes accumulate in response to biotic and abiotic stresses such as infection, wounding, UV-C exposure and treatment with chemicals (Dixon and Paiva 1995). During the last decade stilbenes, and resveratrol in particular, have captured the attention of biology and medicine due to both the biological and medicinal activities of those compounds. Among the biological effects they have been suggested to act as deterrents against animals and insects (Torres et al. 2003), antifungal compounds (Morales et al., 2000; Jeandet et al., 2002), allochemicals (Seigler 2006; Fiorentino et al., 2008) and antioxidants (Privat et al., 2002). In terms of medical applications, they have been shown to have beneficial effects in the treatment of cardiovascular disease, cancer, diabetes and neurodegenerative diseases (Baur et al., 2006). Stilbenes are formed via the phenylalanine/polymalonate route (Hall and Yu, 2008). The last step of the biosynthetic pathway is catalysed by stilbene synthase (STS), which produces resveratrol in a single enzymatic reaction utilizing p-coumaryl-CoA and three malonyl-CoA units as substrates (Schröder and Schröder 1990). Despite the fact that all higher plants are able to accumulate basic compounds like p-coumaroyl CoA or malonyl- CoA through general and ubiquitous enzymes such as phenylalanine ammonia lyase (PAL), cinnamate 4-hydroxylase (C4H) or 4-coumaroyl–CoA ligase (4CL), only a limited group of plants are able to produce resveratrol (and derivatives) through the STS enzyme. This stilbene-producing enzyme belongs to the large CHS type III polyketide synthase family, the main members of which are the chalcone synthases, which shares 75-90% of the amino acid sequence with STSs (Schröder et al., 1988). Both of these enzymes utilize the same substrate, but through different cyclization events lead on one hand to the production of chalcones and flavonoids and, on the other, to the production of resveratrol and stilbenes. Some plant species, such as Pine, Fallopia japonica (syn. Polygonum cuspidatum) and grapevine during several stages of berry development, constitutively accumulate large amounts of stilbenes (Beñová et al., 2008). However, most studies concerning stilbene accumulation have been conducted on tissues of peanut and grapevine, where they accumulate in response to various biotic and abiotic stresses, as a result of increased transcription of both STS genes and upstream enzymes in the phenylpropanoid pathway such as PAL and C4H (Lanz et al., 1990; Bais et al., 2000). While little is known about the transcriptional regulation of the stilbene biosynthetic pathway, a number of studies have demonstrated a role for transcription factors in the regulation of other steps of the phenylpropanoid pathway. These regulators include R2R3-MYB transcription factors (TFs), responsible for the regulation of flavonols, lignin and anthocyanin metabolism (Boudet 2007). The R2R3-MYB TF group is the largest MYB TF sub-family in plants (Du et al., 2009) with the grapevine genome estimated to contain 108 R2R3-MYB members (Matus et al., 2008). To date, most R2R3-MYBs have been reported to play a major role in the regulation of secondary metabolism, such as the phenylpropanoid biosynthesis. In grapevine, R2R3-MYB factors have been demonstrated to be involved in the regulation of several steps of the flavonoid biosynthetic pathway: VvMYBA1 and VvMYBA2 are involved in the regulation of anthocyanin biosynthesis. VvMYB5a, VvMYB5b and VvMYBPA1 appear to control general branches of the flavonoid pathway and VvMYB12 regulates the production of flavonols (Bogs et al., 2007; Walker et al., 2007; Deluc et al., 2008). This study involved two principal components: (a) the genome-wide analysis of the whole STS multigenic family in grape and (b) the identification of candidate transcription factors involved in the regulation of the grape stilbene synthase pathway. The first point was achieved firstly by the identification, annotation and phylogenetic study of all members predicted to belong to the STS family and secondarily by transcriptional analysis of the whole STS family in grapevine in response to biotic and abiotic stress conditions and in unstressed healthy tissues at different developmental stages (in collaboration with the University of Verona). The expression of all identified VvSTS members predicted on the 12X V1 grape genome draft was evaluated using mRNA sequencing technology on Pinot noir leaf discs treated by wounding, exposure to UV-C light and downy mildew infection. The analysis was performed using a next generation whole-transcriptome sequencing technology (Illumina) and revealed different sub-groups of VvSTS genes characterized by different degrees of response to the different elicitors. The constitutive expression of VvSTS genes in different tissues was analysed with a different approach, in collaboration with the University of Verona. A grapevine expression atlas obtained using a Nimblegen and Combimatrix microarray technology based on the 12X V1 coverage assembly predictions (kindly provided by the University of Verona) was screened for VvSTS genes providing interesting insights into the transcriptional regulation of VvSTS genes in grapevine. A wide range of grapevine tissues were analysed, including leaf, berry tissues, such as exocarp, endocarp and seed, in vitro roots, rachis, stem, tendril etc. Moreover, tissues were evaluated at different developmental stages such as fruit set, pre-ripening, ripening or withering concerning the berry development or at different temporal stages regarding leaves or other vegetative tissues. Analyses using the grapevine expression atlas confirmed the existence of different VvSTS subgroups characterized by different expression patterns and provided a comprehensive picture of VvSTS expression patterns in planta. Considering the close relationship between the flavonoid and stilbene biosynthetic pathways and the fact that certain key genes within the flavonoid pathway have been shown to regulated by R2R3- MYB transcription factors (Bogs et al. 2007; Walker et al. 2007; Deluc et al. 2008) the mRNAseq data obtained from stresses grape tissues were also examined for the expression MYB TFs that might show similar expression patterns to the VvSTS genes. Of the 108 grape R2R3-MYB factors analysed, two accessions displayed similar expression patterns to the inducible VvSTS genes. These two accessions were previously designated VvMYB14 and VvMYB15 by Matus et al. (2008) based on their homology to the Arabidopsis thaliana MYB14 gene. Validation of the expression data obtained from the mRNAseq analysis, was achieved using a quantitative RT-PCR approach, by screening in more detail the relationship between selected VvSTS and VvMYB14 expression patterns in grape tissues following the application of abiotic and biotic stress treatments. Two highly responsive VvSTS genes were selected for analysis, VvSTS22 and VvSTS36. All treatments confirmed a strong correlation between the expression of VvMYB14 and the two VvSTS genes. To obtain direct evidence of the regulation of VvSTS promoter activity by VvMYB14 a gene reporter assay using a dual luciferase assay system was utilized. Chardonnay cell suspensions transiently expressing VvSTS promoter-luciferase expression constructs showed a statistically significant increase of VvSTS promoter activity when co-transformed with VvMYB14. Finally, to validate the role of VvMYB14 in the regulation of the VvSTS pathway in planta, attempts were made to silence VvMYB14 in a grapevine hairy root system. In a preliminary screening of transformed hairy root lines, those lines showing the highest levels of VvMYB14 silencing were found to show the lowest induction of VvSTS36 in response to wounding, giving a first biological confirmation of real role for VvMYB14 in the regulation of the VvSTS pathway.

Gli stilbeni rappresentano un gruppo minore di fenilpropanoidi, caratterizzati da una matrice chimica difenil-etilenica, rilevabili solamente in un ristretto gruppo di piante superiori tra cui alcune specie di pino (Pinaceae), arachide (Fabaceae), Sorgo (Poaceae) e vite (Vitacea) (Morales et al., 2000). Come avviene per altri fenilpropanoidi, ad es. nel caso dei flavonoidi, l’accumulo di stilbeni è legato per lo più all’esposizione della pianta a stress di tipo biotico e non, tra i quali danneggiamento meccanico, esposizione a radiazione ultravioletta (UV-C), infezione e trattamento con sostanze chimiche (Dixon and Paiva 1995). Nell’arco degli ultimi decenni gli stilbeni, e il resveratrolo in particolare, hanno catalizzato l’attenzione di numerosi studi scientifici, in virtù delle loro proprietà biologiche e mediche. Dal punto di vista biologico, queste sostanze possiedono svariate funzioni, fungendo da deterrenti contro erbivori e insetti (Torres et al. 2003), da composti ad azione anti fungina (Morales et al., 2000; Jeandet et al., 2002), da sostanze allelopatiche (Seigler 2006; Fiorentino et al., 2008) e da antiossidanti (Privat et al., 2002). Dal punto di vista medico, sembrano invece coinvolti in un generale allungamento delle prospettive di vita, rivestendo un ruolo importante nella prevenzione e cura di malattie cardio-respiratorie, neuro-degenerative ed altre malattie quaili cancro, diabete, ecc… (Baur et al., 2006). La pathway di sintesi degli stilbeni può essere considerata una pathway “alternativa” a quella che sovrintende alla biosintesi dei flavonoidi. Tutte le piante superiori sono in grado di produrre composti quali il p-cumaroyl CoA o il cinnamoyl CoA, attraverso l’azione di enzimi ubiquitari nel regno vegetale quali la fenilanina ammonia liasi (PAL), la cinnamato 4-idrossilasi (C4H) o la 4-cumaroil–CoA ligasi (4CL). Questi composti rappresentano il substrato di partenza per la chalcone sintasi (CHS), enzima chiave che porta allo scaffold di sintesi dei flavonoidi. Soltanto in quelle piante in grado di produrre e accumulare stilbeni queste molecole fungono da substrato anche per le stilbene sintasi (STS), una classe di enzimi strettamente correlate alle chalcone sintasi, responsabili della biosintesi di resveratrolo e degli stilbeni in generale. Le STSs appartengono alla superfamiglia delle poliketide sintasi del tipo III, di cui la CHS rappresenta il principale esponente. Alcune specie vegetali, tra cui pino (Pinus spp.), Fallopia japonica (Polygonum cuspidatum) o vite (Vitis vinifera) in alcuni stadi di sviluppo della bacca, sono in grado di accumulare queste molecole in modo costitutivo (Beñová et al., 2008). Nonostante ciò, gran parte degli studi sull’accumulo di stilbeni è stata condotta in arachide o vite, piante nelle quali la presenza di tali composti è prevalentemente legata alla risposta a stress di tipo biotico e abiotico, come risultato dell’attivazione trascrizionale delle STSs e di geni codificanti per enzimi a monte nella pathway generale dei fenilpropanoidi quali PAL o C4H (Lanz et al., 1990; Bais et al., 2000). A oggi, non esiste alcuna informazione riguardo a fattori di trascrizione (TFs) coinvolti nella regolazione di questa pathway, tuttavia, nel corso degli ultimi anni, un numero sempre maggiore di informazioni si è accumulato per ciò che concerne la regolazione della pathway dei flavonoidi. In tale contesto, un ruolo fondamentale sembra ascrivibile alla sottofamiglia dei fattori di trascrizione MYB-R2R3, responsabili della regolazione del metabolismo dei flavonoli, lignine e antocianine (Boudet 2007). Il gruppo dei MYB-R2R3 rappresenta una delle sotto-famiglie di TFs più numerose nel regno vegetale, con ben 108 membri identificati da una recente analisi della copertura 8.4X del genoma di vite (Matus et al., 2008). In vite, la caratterizzazione funzionale di alcuni MYB-R2R3 ha mostrato il loro coinvolgimento in diversi steps della biosintesi dei flavonoidi: VvMYBA1 e VvMYBA2 sono ad esempio coinvolti nella regolazione delle sintesi di antocianine, VvMYB5A, VvMYB5B e VvMYBPA1 regolano diversi geni strutturali della pathway dei flavonoidi, mentre VvMYB12 sembra coinvolto nella sintesi di flavononi (Bogs et al., 2007; Walker et al., 2007; Deluc et al., 2008). L’obbiettivo di questo studio si è articolato in due macroargomenti principali: la caratterizzazione genomica e trascrizionale dell’intera famiglia multigenica delle stilbene sintasi in vite e l’individuazione, con conseguente caratterizzazione funzionale, di fattori di trascrizione coinvolti nella sua regolazione. La caratterizzazione genomica dell’intera famiglia delle stilbene sintasi in vite si è sviluppata dapprima mediante l’identificazione, l’annotazione e lo studio delle relazioni filogenetiche che intercorrono tra i diversi membri di tale famiglia e, in seguito, valutando il profilo di espressione di ogni singolo gene in diversi organi in vari stadi di sviluppo e in dischi fogliari sottoposti a stress di varia natura. In quest’ultimo caso, l’espressione dei membri identificati nel genoma con copertura 12X V1 è stata saggiata tramite analisi dell’intero trascrittoma (mRNA-seq) usando una tecnologia di sequenziamento di nuova generazione (NGS) Illumina e rilevando l’esistenza di diversi gruppi di STSs caratterizzati da gradi diversi di responsività ai vari stress. L’analisi di espressione in diversi organi e stadi di sviluppo è stata invece realizzata in collaborazione con l’Università di Verona, che ha fornito un atlante di espressione basato su tecnologia microarray di tipo Nimblegen e Combimatrix. Le sonde presenti su tali chip sono state disegnate sulla base delle predizioni ottenute dalla copertura 12X V1 del genoma ottenuto dalla linea PN40024 e ibridate con numerosi organi di vite, tra cui foglia, bacca divisa in esocarpo, endocarpo e seme, radici in vitro, germoglio, tendrile ecc…Tali tessuti sono stati considerati in diversi stadi temporali tra i quali allegagione, invaiatura, pre-maturazione, maturazione e appassimento per ciò che riguarda bacca o stadi giovanili o senescenti per foglia. In questo caso le analisi hanno parzialmente validato i dati ottenuti nell’analisi mRNA-seq oltre a fornire un quadro dettagliato del pattern di espressione di questi geni nell’intero sistema pianta in assenza di stress. Il secondo scopo del lavoro di seguito presentato è stato l’identificazione di fattori di trascrizione coinvolti nella regolazione della pathway biosintetica responsabile della sintesi di stilbeni. Data la stretta relazione che intercorre tra la pathway di sintesi degli stilbeni e quella dei flavonoidi, e sulla base delle numerose evidenze scientifiche che legano la regolazione di quest’ultima alla attività di MYB-R2R3, (Deluc et al. 2008; Bogs et al. 2007; Walker et al. 2007), i dati Illumina ottenuti dai tessuti stressati sono stati analizzati con lo scopo di individuare geni MYB-R2R3 co-espressi con le VvSTS. Di 108 MYB-R2R3 analizzati, soltanto due geni hanno evidenziato un pattern di espressione correlato a quello delle VvSTS. Tali geni sono già stati annotati da Matus et al. (2008) e prendono il nome di VvMYB14 e VvMYB15. Successive analisi real time su dischi fogliari sottoposti a stress biotici e non, hanno confermato una marcata co-espressione tra VvMYB14 in particolare e due VvSTS altamente stress-inducibili (VvSTS22 e VvSTS36). Tramite saggio “gene reporter” è stata validata una reale interazione tra VvMYB14 e le sequenze promotoriali di queste due stilbene sintasi e, al fine di confermare il ruolo di VvMYB14 anche in planta, sono state create delle linee silenziate di Hairy Roots. In uno screening preliminare delle linee trasformate, quelle che mostrano il più alto grado di silenziamento di VvMYB14 sono anche quelle che mostrano il più basso grado di induzione di VvSTS36, confermando un ruolo di questo fattore di trascrizione nella regolazione trascrizionale della pathway biosintetica delle stilbene sintasi.

The stilbene synthase multigenic family in grapevine: gemome-wide analysis and transcriptional regulation / Vannozzi, Alessandro. - (2011 Jan 27).

The stilbene synthase multigenic family in grapevine: gemome-wide analysis and transcriptional regulation

Vannozzi, Alessandro
2011

Abstract

Gli stilbeni rappresentano un gruppo minore di fenilpropanoidi, caratterizzati da una matrice chimica difenil-etilenica, rilevabili solamente in un ristretto gruppo di piante superiori tra cui alcune specie di pino (Pinaceae), arachide (Fabaceae), Sorgo (Poaceae) e vite (Vitacea) (Morales et al., 2000). Come avviene per altri fenilpropanoidi, ad es. nel caso dei flavonoidi, l’accumulo di stilbeni è legato per lo più all’esposizione della pianta a stress di tipo biotico e non, tra i quali danneggiamento meccanico, esposizione a radiazione ultravioletta (UV-C), infezione e trattamento con sostanze chimiche (Dixon and Paiva 1995). Nell’arco degli ultimi decenni gli stilbeni, e il resveratrolo in particolare, hanno catalizzato l’attenzione di numerosi studi scientifici, in virtù delle loro proprietà biologiche e mediche. Dal punto di vista biologico, queste sostanze possiedono svariate funzioni, fungendo da deterrenti contro erbivori e insetti (Torres et al. 2003), da composti ad azione anti fungina (Morales et al., 2000; Jeandet et al., 2002), da sostanze allelopatiche (Seigler 2006; Fiorentino et al., 2008) e da antiossidanti (Privat et al., 2002). Dal punto di vista medico, sembrano invece coinvolti in un generale allungamento delle prospettive di vita, rivestendo un ruolo importante nella prevenzione e cura di malattie cardio-respiratorie, neuro-degenerative ed altre malattie quaili cancro, diabete, ecc… (Baur et al., 2006). La pathway di sintesi degli stilbeni può essere considerata una pathway “alternativa” a quella che sovrintende alla biosintesi dei flavonoidi. Tutte le piante superiori sono in grado di produrre composti quali il p-cumaroyl CoA o il cinnamoyl CoA, attraverso l’azione di enzimi ubiquitari nel regno vegetale quali la fenilanina ammonia liasi (PAL), la cinnamato 4-idrossilasi (C4H) o la 4-cumaroil–CoA ligasi (4CL). Questi composti rappresentano il substrato di partenza per la chalcone sintasi (CHS), enzima chiave che porta allo scaffold di sintesi dei flavonoidi. Soltanto in quelle piante in grado di produrre e accumulare stilbeni queste molecole fungono da substrato anche per le stilbene sintasi (STS), una classe di enzimi strettamente correlate alle chalcone sintasi, responsabili della biosintesi di resveratrolo e degli stilbeni in generale. Le STSs appartengono alla superfamiglia delle poliketide sintasi del tipo III, di cui la CHS rappresenta il principale esponente. Alcune specie vegetali, tra cui pino (Pinus spp.), Fallopia japonica (Polygonum cuspidatum) o vite (Vitis vinifera) in alcuni stadi di sviluppo della bacca, sono in grado di accumulare queste molecole in modo costitutivo (Beñová et al., 2008). Nonostante ciò, gran parte degli studi sull’accumulo di stilbeni è stata condotta in arachide o vite, piante nelle quali la presenza di tali composti è prevalentemente legata alla risposta a stress di tipo biotico e abiotico, come risultato dell’attivazione trascrizionale delle STSs e di geni codificanti per enzimi a monte nella pathway generale dei fenilpropanoidi quali PAL o C4H (Lanz et al., 1990; Bais et al., 2000). A oggi, non esiste alcuna informazione riguardo a fattori di trascrizione (TFs) coinvolti nella regolazione di questa pathway, tuttavia, nel corso degli ultimi anni, un numero sempre maggiore di informazioni si è accumulato per ciò che concerne la regolazione della pathway dei flavonoidi. In tale contesto, un ruolo fondamentale sembra ascrivibile alla sottofamiglia dei fattori di trascrizione MYB-R2R3, responsabili della regolazione del metabolismo dei flavonoli, lignine e antocianine (Boudet 2007). Il gruppo dei MYB-R2R3 rappresenta una delle sotto-famiglie di TFs più numerose nel regno vegetale, con ben 108 membri identificati da una recente analisi della copertura 8.4X del genoma di vite (Matus et al., 2008). In vite, la caratterizzazione funzionale di alcuni MYB-R2R3 ha mostrato il loro coinvolgimento in diversi steps della biosintesi dei flavonoidi: VvMYBA1 e VvMYBA2 sono ad esempio coinvolti nella regolazione delle sintesi di antocianine, VvMYB5A, VvMYB5B e VvMYBPA1 regolano diversi geni strutturali della pathway dei flavonoidi, mentre VvMYB12 sembra coinvolto nella sintesi di flavononi (Bogs et al., 2007; Walker et al., 2007; Deluc et al., 2008). L’obbiettivo di questo studio si è articolato in due macroargomenti principali: la caratterizzazione genomica e trascrizionale dell’intera famiglia multigenica delle stilbene sintasi in vite e l’individuazione, con conseguente caratterizzazione funzionale, di fattori di trascrizione coinvolti nella sua regolazione. La caratterizzazione genomica dell’intera famiglia delle stilbene sintasi in vite si è sviluppata dapprima mediante l’identificazione, l’annotazione e lo studio delle relazioni filogenetiche che intercorrono tra i diversi membri di tale famiglia e, in seguito, valutando il profilo di espressione di ogni singolo gene in diversi organi in vari stadi di sviluppo e in dischi fogliari sottoposti a stress di varia natura. In quest’ultimo caso, l’espressione dei membri identificati nel genoma con copertura 12X V1 è stata saggiata tramite analisi dell’intero trascrittoma (mRNA-seq) usando una tecnologia di sequenziamento di nuova generazione (NGS) Illumina e rilevando l’esistenza di diversi gruppi di STSs caratterizzati da gradi diversi di responsività ai vari stress. L’analisi di espressione in diversi organi e stadi di sviluppo è stata invece realizzata in collaborazione con l’Università di Verona, che ha fornito un atlante di espressione basato su tecnologia microarray di tipo Nimblegen e Combimatrix. Le sonde presenti su tali chip sono state disegnate sulla base delle predizioni ottenute dalla copertura 12X V1 del genoma ottenuto dalla linea PN40024 e ibridate con numerosi organi di vite, tra cui foglia, bacca divisa in esocarpo, endocarpo e seme, radici in vitro, germoglio, tendrile ecc…Tali tessuti sono stati considerati in diversi stadi temporali tra i quali allegagione, invaiatura, pre-maturazione, maturazione e appassimento per ciò che riguarda bacca o stadi giovanili o senescenti per foglia. In questo caso le analisi hanno parzialmente validato i dati ottenuti nell’analisi mRNA-seq oltre a fornire un quadro dettagliato del pattern di espressione di questi geni nell’intero sistema pianta in assenza di stress. Il secondo scopo del lavoro di seguito presentato è stato l’identificazione di fattori di trascrizione coinvolti nella regolazione della pathway biosintetica responsabile della sintesi di stilbeni. Data la stretta relazione che intercorre tra la pathway di sintesi degli stilbeni e quella dei flavonoidi, e sulla base delle numerose evidenze scientifiche che legano la regolazione di quest’ultima alla attività di MYB-R2R3, (Deluc et al. 2008; Bogs et al. 2007; Walker et al. 2007), i dati Illumina ottenuti dai tessuti stressati sono stati analizzati con lo scopo di individuare geni MYB-R2R3 co-espressi con le VvSTS. Di 108 MYB-R2R3 analizzati, soltanto due geni hanno evidenziato un pattern di espressione correlato a quello delle VvSTS. Tali geni sono già stati annotati da Matus et al. (2008) e prendono il nome di VvMYB14 e VvMYB15. Successive analisi real time su dischi fogliari sottoposti a stress biotici e non, hanno confermato una marcata co-espressione tra VvMYB14 in particolare e due VvSTS altamente stress-inducibili (VvSTS22 e VvSTS36). Tramite saggio “gene reporter” è stata validata una reale interazione tra VvMYB14 e le sequenze promotoriali di queste due stilbene sintasi e, al fine di confermare il ruolo di VvMYB14 anche in planta, sono state create delle linee silenziate di Hairy Roots. In uno screening preliminare delle linee trasformate, quelle che mostrano il più alto grado di silenziamento di VvMYB14 sono anche quelle che mostrano il più basso grado di induzione di VvSTS36, confermando un ruolo di questo fattore di trascrizione nella regolazione trascrizionale della pathway biosintetica delle stilbene sintasi.
27-gen-2011
Plant stilbenes represent a relatively small group of phenylpropanoid compounds characterized by a diphenylethylene backbone and have been detected in only a few unrelated plant species, including pine (Pinaceae), peanut (Fabaceae), sorghum (Poaceae) and grapevine (Vitaceae) (Morales et al., 2000). As with other phenylpropanoids, stilbenes accumulate in response to biotic and abiotic stresses such as infection, wounding, UV-C exposure and treatment with chemicals (Dixon and Paiva 1995). During the last decade stilbenes, and resveratrol in particular, have captured the attention of biology and medicine due to both the biological and medicinal activities of those compounds. Among the biological effects they have been suggested to act as deterrents against animals and insects (Torres et al. 2003), antifungal compounds (Morales et al., 2000; Jeandet et al., 2002), allochemicals (Seigler 2006; Fiorentino et al., 2008) and antioxidants (Privat et al., 2002). In terms of medical applications, they have been shown to have beneficial effects in the treatment of cardiovascular disease, cancer, diabetes and neurodegenerative diseases (Baur et al., 2006). Stilbenes are formed via the phenylalanine/polymalonate route (Hall and Yu, 2008). The last step of the biosynthetic pathway is catalysed by stilbene synthase (STS), which produces resveratrol in a single enzymatic reaction utilizing p-coumaryl-CoA and three malonyl-CoA units as substrates (Schröder and Schröder 1990). Despite the fact that all higher plants are able to accumulate basic compounds like p-coumaroyl CoA or malonyl- CoA through general and ubiquitous enzymes such as phenylalanine ammonia lyase (PAL), cinnamate 4-hydroxylase (C4H) or 4-coumaroyl–CoA ligase (4CL), only a limited group of plants are able to produce resveratrol (and derivatives) through the STS enzyme. This stilbene-producing enzyme belongs to the large CHS type III polyketide synthase family, the main members of which are the chalcone synthases, which shares 75-90% of the amino acid sequence with STSs (Schröder et al., 1988). Both of these enzymes utilize the same substrate, but through different cyclization events lead on one hand to the production of chalcones and flavonoids and, on the other, to the production of resveratrol and stilbenes. Some plant species, such as Pine, Fallopia japonica (syn. Polygonum cuspidatum) and grapevine during several stages of berry development, constitutively accumulate large amounts of stilbenes (Beñová et al., 2008). However, most studies concerning stilbene accumulation have been conducted on tissues of peanut and grapevine, where they accumulate in response to various biotic and abiotic stresses, as a result of increased transcription of both STS genes and upstream enzymes in the phenylpropanoid pathway such as PAL and C4H (Lanz et al., 1990; Bais et al., 2000). While little is known about the transcriptional regulation of the stilbene biosynthetic pathway, a number of studies have demonstrated a role for transcription factors in the regulation of other steps of the phenylpropanoid pathway. These regulators include R2R3-MYB transcription factors (TFs), responsible for the regulation of flavonols, lignin and anthocyanin metabolism (Boudet 2007). The R2R3-MYB TF group is the largest MYB TF sub-family in plants (Du et al., 2009) with the grapevine genome estimated to contain 108 R2R3-MYB members (Matus et al., 2008). To date, most R2R3-MYBs have been reported to play a major role in the regulation of secondary metabolism, such as the phenylpropanoid biosynthesis. In grapevine, R2R3-MYB factors have been demonstrated to be involved in the regulation of several steps of the flavonoid biosynthetic pathway: VvMYBA1 and VvMYBA2 are involved in the regulation of anthocyanin biosynthesis. VvMYB5a, VvMYB5b and VvMYBPA1 appear to control general branches of the flavonoid pathway and VvMYB12 regulates the production of flavonols (Bogs et al., 2007; Walker et al., 2007; Deluc et al., 2008). This study involved two principal components: (a) the genome-wide analysis of the whole STS multigenic family in grape and (b) the identification of candidate transcription factors involved in the regulation of the grape stilbene synthase pathway. The first point was achieved firstly by the identification, annotation and phylogenetic study of all members predicted to belong to the STS family and secondarily by transcriptional analysis of the whole STS family in grapevine in response to biotic and abiotic stress conditions and in unstressed healthy tissues at different developmental stages (in collaboration with the University of Verona). The expression of all identified VvSTS members predicted on the 12X V1 grape genome draft was evaluated using mRNA sequencing technology on Pinot noir leaf discs treated by wounding, exposure to UV-C light and downy mildew infection. The analysis was performed using a next generation whole-transcriptome sequencing technology (Illumina) and revealed different sub-groups of VvSTS genes characterized by different degrees of response to the different elicitors. The constitutive expression of VvSTS genes in different tissues was analysed with a different approach, in collaboration with the University of Verona. A grapevine expression atlas obtained using a Nimblegen and Combimatrix microarray technology based on the 12X V1 coverage assembly predictions (kindly provided by the University of Verona) was screened for VvSTS genes providing interesting insights into the transcriptional regulation of VvSTS genes in grapevine. A wide range of grapevine tissues were analysed, including leaf, berry tissues, such as exocarp, endocarp and seed, in vitro roots, rachis, stem, tendril etc. Moreover, tissues were evaluated at different developmental stages such as fruit set, pre-ripening, ripening or withering concerning the berry development or at different temporal stages regarding leaves or other vegetative tissues. Analyses using the grapevine expression atlas confirmed the existence of different VvSTS subgroups characterized by different expression patterns and provided a comprehensive picture of VvSTS expression patterns in planta. Considering the close relationship between the flavonoid and stilbene biosynthetic pathways and the fact that certain key genes within the flavonoid pathway have been shown to regulated by R2R3- MYB transcription factors (Bogs et al. 2007; Walker et al. 2007; Deluc et al. 2008) the mRNAseq data obtained from stresses grape tissues were also examined for the expression MYB TFs that might show similar expression patterns to the VvSTS genes. Of the 108 grape R2R3-MYB factors analysed, two accessions displayed similar expression patterns to the inducible VvSTS genes. These two accessions were previously designated VvMYB14 and VvMYB15 by Matus et al. (2008) based on their homology to the Arabidopsis thaliana MYB14 gene. Validation of the expression data obtained from the mRNAseq analysis, was achieved using a quantitative RT-PCR approach, by screening in more detail the relationship between selected VvSTS and VvMYB14 expression patterns in grape tissues following the application of abiotic and biotic stress treatments. Two highly responsive VvSTS genes were selected for analysis, VvSTS22 and VvSTS36. All treatments confirmed a strong correlation between the expression of VvMYB14 and the two VvSTS genes. To obtain direct evidence of the regulation of VvSTS promoter activity by VvMYB14 a gene reporter assay using a dual luciferase assay system was utilized. Chardonnay cell suspensions transiently expressing VvSTS promoter-luciferase expression constructs showed a statistically significant increase of VvSTS promoter activity when co-transformed with VvMYB14. Finally, to validate the role of VvMYB14 in the regulation of the VvSTS pathway in planta, attempts were made to silence VvMYB14 in a grapevine hairy root system. In a preliminary screening of transformed hairy root lines, those lines showing the highest levels of VvMYB14 silencing were found to show the lowest induction of VvSTS36 in response to wounding, giving a first biological confirmation of real role for VvMYB14 in the regulation of the VvSTS pathway.
STS, resveratrol, downy mildew, MYB-R2R3
The stilbene synthase multigenic family in grapevine: gemome-wide analysis and transcriptional regulation / Vannozzi, Alessandro. - (2011 Jan 27).
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