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Jardim-Messeder D, da Franca Silva T, Fonseca JP, Junior JN, Barzilai L, Felix-Cordeiro T, Pereira JC, Rodrigues-Ferreira C, Bastos I, da Silva TC, de Abreu Waldow V, Cassol D, Pereira W, Flausino B, Carniel A, Faria J, Moraes T, Cruz FP, Loh R, Van Montagu M, Loureiro ME, de Souza SR, Mangeon A, Sachetto-Martins G. Identification of genes from the general phenylpropanoid and monolignol-specific metabolism in two sugarcane lignin-contrasting genotypes. Mol Genet Genomics 2020; 295:717-739. [PMID: 32124034 DOI: 10.1007/s00438-020-01653-1] [Citation(s) in RCA: 6] [Impact Index Per Article: 1.2] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 10/16/2019] [Accepted: 02/12/2020] [Indexed: 11/29/2022]
Abstract
The phenylpropanoid pathway is an important route of secondary metabolism involved in the synthesis of different phenolic compounds such as phenylpropenes, anthocyanins, stilbenoids, flavonoids, and monolignols. The flux toward monolignol biosynthesis through the phenylpropanoid pathway is controlled by specific genes from at least ten families. Lignin polymer is one of the major components of the plant cell wall and is mainly responsible for recalcitrance to saccharification in ethanol production from lignocellulosic biomass. Here, we identified and characterized sugarcane candidate genes from the general phenylpropanoid and monolignol-specific metabolism through a search of the sugarcane EST databases, phylogenetic analysis, a search for conserved amino acid residues important for enzymatic function, and analysis of expression patterns during culm development in two lignin-contrasting genotypes. Of these genes, 15 were cloned and, when available, their loci were identified using the recently released sugarcane genomes from Saccharum hybrid R570 and Saccharum spontaneum cultivars. Our analysis points out that ShPAL1, ShPAL2, ShC4H4, Sh4CL1, ShHCT1, ShC3H1, ShC3H2, ShCCoAOMT1, ShCOMT1, ShF5H1, ShCCR1, ShCAD2, and ShCAD7 are strong candidates to be bona fide lignin biosynthesis genes. Together, the results provide information about the candidate genes involved in monolignol biosynthesis in sugarcane and may provide useful information for further molecular genetic studies in sugarcane.
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Affiliation(s)
- Douglas Jardim-Messeder
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Tatiane da Franca Silva
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil.,Departamento de Biotecnologia, Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, São Paulo, Brazil
| | - Jose Pedro Fonseca
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - José Nicomedes Junior
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil.,Centro de Pesquisa e Desenvolvimento Leopoldo Américo Miguez de Mello, Gerência de Biotecnologia, CENPES, Petrobras, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Lucia Barzilai
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Thais Felix-Cordeiro
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Joyce Carvalho Pereira
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Clara Rodrigues-Ferreira
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Isabela Bastos
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Tereza Cristina da Silva
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Vinicius de Abreu Waldow
- Centro de Pesquisa e Desenvolvimento Leopoldo Américo Miguez de Mello, Gerência de Biotecnologia, CENPES, Petrobras, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Daniela Cassol
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Willian Pereira
- Departamento de Química, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Bruno Flausino
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Adriano Carniel
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil.,Centro de Pesquisa e Desenvolvimento Leopoldo Américo Miguez de Mello, Gerência de Biotecnologia, CENPES, Petrobras, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Jessica Faria
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Thamirys Moraes
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Fernanda P Cruz
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Roberta Loh
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil.,Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Marc Van Montagu
- Institute of Plant Biotechnology Outreach, Gent University, Technologiepark 3, Zwijnaarde, 9052, Gent, Belgium
| | - Marcelo Ehlers Loureiro
- Laboratório de Fisiologia Vegetal, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, Minas Gerais, Brazil
| | - Sonia Regina de Souza
- Departamento de Química, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica, Rio de Janeiro, Brazil
| | - Amanda Mangeon
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil.
| | - Gilberto Sachetto-Martins
- Laboratório de Genômica Funcional e Transdução de Sinal, Departamento de Genética, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil.
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Kasirajan L, Hoang NV, Furtado A, Botha FC, Henry RJ. Transcriptome analysis highlights key differentially expressed genes involved in cellulose and lignin biosynthesis of sugarcane genotypes varying in fiber content. Sci Rep 2018; 8:11612. [PMID: 30072760 PMCID: PMC6072797 DOI: 10.1038/s41598-018-30033-4] [Citation(s) in RCA: 46] [Impact Index Per Article: 6.6] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 03/12/2018] [Accepted: 07/20/2018] [Indexed: 12/20/2022] Open
Abstract
Sugarcane (Saccharum spp. hybrids) is a potential lignocellulosic feedstock for biofuel production due to its exceptional biomass accumulation ability, high convertible carbohydrate content and a favorable energy input/output ratio. Genetic modification of biofuel traits to improve biomass conversion requires an understanding of the regulation of carbohydrate and lignin biosynthesis. RNA-Seq was used to investigate the transcripts differentially expressed between the immature and mature tissues of the sugarcane genotypes varying in fiber content. Most of the differentially expressed transcripts were found to be down-regulated during stem maturation, highlighting their roles in active secondary cell-wall development in the younger tissues of both high and low fiber genotypes. Several cellulose synthase genes (including CesA2, CesA4, CesA7 and COBRA-like protein), lignin biosynthesis-related genes (ρ-coumarate 3-hydroxylase, ferulate 5-hydroxylase, cinnamyl alcohol dehydrogenase and gentiobiase) and transcription regulators for the secondary cell-wall synthesis (including LIM, MYB, PLATZ, IAA24, C2H2 and C2C2 DOF zinc finger gene families) were exclusively differentially expressed between immature and mature tissues of high fiber genotypes. These findings reveal target genes for subsequent research on the regulation of cellulose and lignin metabolism.
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Affiliation(s)
- Lakshmi Kasirajan
- Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation, The University of Queensland, St. Lucia, Queensland, 4072, Australia
- ICAR-Sugarcane Breeding Institute, Coimbatore, 641007, Tamil Nadu, India
| | - Nam V Hoang
- Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation, The University of Queensland, St. Lucia, Queensland, 4072, Australia
- College of Agriculture and Forestry, Hue University, Hue, Vietnam
| | - Agnelo Furtado
- Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation, The University of Queensland, St. Lucia, Queensland, 4072, Australia
| | - Frederik C Botha
- Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation, The University of Queensland, St. Lucia, Queensland, 4072, Australia
- Sugar Research Australia, Indooroopilly, Queensland, 4068, Australia
| | - Robert J Henry
- Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation, The University of Queensland, St. Lucia, Queensland, 4072, Australia.
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