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Aug 03, 2023

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Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7551 (2023) Citer cet article

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Les plantes ont besoin de cuivre pour une croissance et un développement normaux et ont développé un système efficace de gestion du cuivre basé sur des protéines de transport telles que les P1B-ATPases, également appelées ATPases de métaux lourds (HMA). Ici, nous rapportons les HMA chez onze espèces différentes de Poaceae, y compris le blé. De plus, le rôle possible des HMA de blé dans le stress du cuivre a été étudié. Les recherches BlastP ont identifié 27 HMA dans le blé, et l'analyse phylogénétique basée sur la méthode du maximum de vraisemblance a démontré une séparation en quatre clades distincts. L'analyse des motifs conservés, l'identification des domaines, la structure des gènes et le nombre d'hélices transmembranaires ont également été identifiés pour les HMA du blé à l'aide d'outils informatiques. Les semis de blé cultivés en hydroponie ont été soumis à une concentration élevée de cuivre et ont présenté des symptômes de toxicité avec des effets sur le poids frais et des changements dans l'expression de certains HMA TaHMA7, TaHMA8 et TaHMA9 ont été régulés à la hausse en réponse à une concentration élevée de cuivre, suggérant un rôle dans l'homéostasie du cuivre du blé. Des recherches plus approfondies sur ces pompes à métaux lourds peuvent donner un aperçu des stratégies pour améliorer la tolérance des cultures aux métaux lourds face à la pollution par les métaux lourds.

L'industrialisation s'est accélérée parallèlement à la croissance économique mondiale. La pollution par les métaux lourds est l'une des conséquences néfastes de l'industrialisation rapide. Sa contamination peut endommager les ressources en eau et en sol et avoir un impact sur la santé humaine via les chaînes alimentaires. Ces métaux réduisent non seulement l'action des enzymes dans les cellules, mais peuvent également interférer avec la fonction des transporteurs d'ions cruciaux, entraver le développement des plantes et perturber les processus cellulaires essentiels tels que le transport photosynthétique des électrons1. Par exemple, de nombreux systèmes enzymatiques sont inhibés par le cadmium, qui affecte le bon fonctionnement d'organes comme le foie et les reins2.

Contrairement à d'autres métaux lourds tels que le cadmium (Cd2+), le cuivre (Cu2+), le mercure (Hg2+) et le plomb (Pb2+), le cuivre ne se bioaccumule pas librement. Par conséquent, sa toxicité pour les humains et les autres mammifères est modeste. Cependant, l'exposition chronique au cuivre entraîne une toxicité hépatique, une anémie et de graves troubles neurologiques chez l'homme3. Les plantes sont également extrêmement sensibles à la toxicité du cuivre en raison de l'augmentation des activités anthropiques. Par exemple, le rejet d'eaux usées industrielles contenant de fortes concentrations de cuivre, l'exploitation minière et l'application de fongicides à base de cuivre sur les cultures entraînent l'accumulation de cuivre dans le sol et l'eau d'irrigation. Les plantes sont directement en contact avec le sol contaminé ; par conséquent, leur toxicité chez les plantes est plus élevée que chez les humains et les autres mammifères. Des concentrations de cuivre légèrement supérieures aux concentrations physiologiques optimales entraînent des anomalies métaboliques et une inhibition de la croissance des plantes4. L'excès de cuivre inhibe également de nombreuses enzymes et perturbe les éléments vitaux impliqués dans la production de pigments et l'intégrité de la membrane. Son effet le plus significatif est l'inhibition du transport photosynthétique des électrons, ce qui conduit à la peroxydation des lipides5,6. De plus, un excès de cuivre dans les plantes peut interférer avec le métabolisme des acides gras et des protéines, l'inhibition de la fixation de l'azote et les processus respiratoires. Il est également essentiel de considérer que le cuivre est un inhibiteur efficace du développement végétatif et génère des symptômes de sénescence généralisés tels que le retard de croissance des racines et des pousses, la chlorose, la nécrose et la décoloration des feuilles4.

La tolérance aux métaux lourds a évolué chez les plantes, tout comme les mécanismes de régulation pour assurer un approvisionnement adéquat en nutriments essentiels. Les transporteurs membranaires jouent un rôle vital dans l'absorption et le transport des cations de métaux lourds et des micronutriments essentiels au cours des mécanismes complexes de résistance à la toxicité des métaux lourds. Plusieurs familles de gènes impliquées dans le transport des métaux lourds ont été identifiées et étudiées. L'une de ces familles est les P1B-ATPases, également connues sous le nom de Heavy Metal ATPases (HMA), qui appartiennent à la famille des transporteurs de type P. Cette famille peut transporter sélectivement des micronutriments métalliques essentiels tels que Zn2+, Cu2+ et Co2+ pour le développement des plantes et distribuer des ions de métaux lourds non essentiels tels que Pb2+ et Cd2+7,8,9. Les caractéristiques caractéristiques des ATPases de type P1B comprennent la présence de 6 à 8 hélices transmembranaires (TM) pour la translocation des cations, un domaine de liaison à l'ATP (l'ATP-BD comprend un domaine de liaison aux nucléotides soluble et des domaines de phosphorylation) et un domaine actionneur soluble (AD) . Les interconnexions de ces trois domaines sont critiques dans la régulation du transport des ions métalliques10. De plus, ils possèdent également des domaines de liaison aux métaux solubles (MBD) distincts. Ces domaines peuvent se lier et interagir avec des ions métalliques spécifiques, tels que Pb2+ et Cd2+, aux extrémités N-terminale et C-terminale11,12,13.

Les HMA ont été divisés en deux sous-groupes phylogénétiques en fonction de la spécificité du substrat : un sous-groupe Cu/Ag et un sous-groupe Zn/Co/Cd/Pb13. Les HMA ont été étudiés au niveau du génome chez plusieurs espèces, dont Arabidopsis et le riz. La famille Arabidopsis HMA (AtHMA) contient huit membres, tandis que la famille Rice HMA (OsHMAs) compte neuf membres13,14. AtHMA1–4 et OsHMA1–3 sont membres du sous-groupe Cu/Ag, tandis que AtHMA5–8 et OsHMA4–9 sont membres du sous-groupe Zn/Co/Cd/Pb13. AtHMA6/PAA1 a été le premier HMA cloné par Arabidopsis et est impliqué dans la structure de transport du cuivre dans les chloroplastes15,16,17. Plus récemment, 31 HMA ont été identifiées chez Brassica napus18, 17 chez Populus trichocarpa7, 11 chez Zea mays et Sorghum bicolor14, 36 chez Solanum tuberosum19, 20 chez Glycine max20, 14 chez les variétés locales de navet21 et 32 ​​chez Triticum aestivum22. Cela indique que le nombre de HMA peut varier d'une espèce à l'autre. L'expression du TaHMA2 du blé a été étudiée lors du stress cadmium22. Les résultats ont proposé que les microARN jouent un rôle majeur dans la régulation des gènes ciblés tels que TaHMA2 sous stress cadmium. Cependant, le rôle des HMA de blé sous stress cuivre n'a pas été étudié auparavant. Dans la présente étude, nous avons cherché à élucider la relation évolutive entre les HMA de plusieurs espèces de Poaceae sur la base de l'analyse phylogénétique des gènes HMA. Nous avons également exploré les événements de duplication segmentaire présentés par TaHMA et les distributions chromosomiques de ces gènes. De plus, l'expression des HMA du blé a été explorée dans des conditions de toxicité du cuivre, en étudiant leurs rôles potentiels dans l'homéostasie du cuivre et la tolérance au stress.

Oryza sativa appartient à la famille des Poaceae, et un degré élevé de synténie phénotypique a été observé dans toute la famille23. Une recherche a été effectuée dans la base de données du projet d'annotation du génome du riz MSU à l'aide du mot-clé "HMA", qui a abouti à 68 séquences différentes. Cependant, seuls neuf contenaient des motifs conservés et ont donc été examinés plus avant. LOC_Os06g48720 (OsHMA2) ne contenait que 156 acides aminés, alors que les autres HMA contenaient plus de 900 acides aminés. Par conséquent, LOC_Os06g48720 (OsHMA2) a été analysé plus en détail sur la base de données de protéines Pfam pour trouver des domaines HMA caractéristiques conservés. Aucune similarité significative n'a été trouvée pour les domaines conservés dans LOC_Os06g48720 (OsHMA2). Sur cette base, nous avons considéré cela comme une séquence partielle. Ainsi, cette séquence protéique a été soumise à une recherche BlastP sur Ensembl Plants, et la séquence protéique complète de l'ID d'accession Os06t0700700-02 (1067 acides aminés de longueur) a été récupérée.

Brachypodium distachyon est plus étroitement apparenté à T. aestivum qu'à O. sativa24 et a été proposé comme espèce modèle pour les études génétiques et de génomique moléculaire sur les céréales et les graminées25. Dans le cas des HMA, aucune étude antérieure liée à B. distachyon n'a été rapportée. Par conséquent, la présente étude a utilisé des HMA de riz pour identifier les homologues de B. distachyon (BdHMA1-9). Ensuite, des homologues de HMA pour d'autres espèces de Poaceae ont été identifiés via des recherches BlastP dans Ensembl Plants à l'aide de BdHMA1-9. Cela a abouti à l'identification de 27 HMA avec des domaines conservés (domaine E1 – E2_ATPase Pfam id : 00122 et domaine hydrolase Pfam id : 00702) chez T. aestivum par rapport aux 32 HMA signalés précédemment22. Il est important de mentionner que des tentatives ont été faites pour récupérer les 32 HMA rapportés par Zhou et al. (2019) utilisant Ensembl Plants, mais aucune correspondance significative n'a été trouvée. De plus, les identifiants de séquence étaient également obsolètes sur Uniprot et inactivés sur les bases de données Uniparc. Ainsi, nous rapportons ici l'identification de 9 HMA, soit 27 homologues de ces gènes dans le génome du blé (Fichier complémentaire S1). De plus, nous avons également identifié 9 HMA chez Zea mays, Sorghum bicolor, Steria italica, 8 chez Oryza barthii, Oryza brachyantha et Triticum urartu, et 7 chez Saccharum spontaneum et Hordeum vulgare.

L'alignement des 110 séquences de protéines HMA de différentes espèces a révélé qu'elles possèdent des motifs conservés par les HMA DKTGT, HP et CPx/SPC. Le motif TGE était présent dans tous les HMA sauf TRIUR3_31446-T1 et TraesCS7B02G337700.1. De même, le motif GDxxNDxP était présent dans tous les HMA sauf TraesCS6B02G184800.1, HORVU4Hr1G076330.4 OBART07G08010.1, TRIUR3_18572-T, et dans toutes les séquences HMA7, le motif GDxxNDxP a été remplacé par un motif GDxxNDxA.

L'analyse de la base de données de domaines conservés (CDD) de TaHMA1-27 a révélé la présence de domaines caractéristiques des HMA tels que l'hydrolase et l'ATPase E1-E2. Cependant, la présence de domaines était incohérente et certains domaines manquaient dans les HMA de blé (Fig. 1). Une analyse plus approfondie de la diversité des motifs dans TaHMA1-27 a montré la présence de 15 motifs (motif 1–15) dans les séquences des protéines. Tous les TaHMA1-27 contiennent les motifs 1, 10, 11, 13, 14 et 15, alors qu'un motif spécifique 9 n'était présent que dans le clade II (Zn/Cd/Pd/Co-ATPase) et le Clade III (Cu-ATPase) (Additional fichier S2). La longueur de TaHMA1-27 variait de 3,4 Kbps (TaHMA3.1) à 17,78 Kbps (TaHMA2.1), leur CDS variait de 2562 à 2958 bps et les longueurs de protéines étaient de 916 aa à 958 aa. L'analyse de la structure des gènes sur les outils GSDS a montré que TaHMA1-27 possédait un nombre différent d'exons/introns, c'est-à-dire de 6 exons (TaHMA3 et TaHMA5) à 18 (TaHMA7.2, TaHMA7.3 et TaHMA8). Cependant, aucun changement régulier du nombre d'exons/introns n'a été trouvé dans la structure des gènes des trois clades (fichier supplémentaire S3).

Distribution des domaines protéiques conservés de TaHMA1-27 analysés à l'aide du NCBI CDD.

La relation phylogénétique entre les HMA a été explorée à l'aide de la méthode du maximum de vraisemblance et de 1000 répétitions bootstrap parmi onze espèces de Poaceae (B. distachyon, H. vulgare, O. brachyantha, O. barthii, O. sativa, S. bicolor, S. italica, S. spontaneum, T. aestivum, T. urartu et Z. mays). Tous les HMA ont été caractérisés en trois groupes ; Le groupe A était composé du Clade I (Cu/Ca/Zn/Cd/Co-ATPase) et contenait tous les membres HMA1 ; le groupe II consistait en Clade II (Zn/Cd/Pd/Co-ATPase) et contenait tous les membres de HMA2 et HMA3 ; le groupe III était composé des clades III et IV (Cu-ATPase), contenant tous les membres HMA4-9. Notamment, au sein du clade IV, HMA6 et HMA9 de toutes les espèces formaient un seul groupe montrant une relation évolutive étroite (Fig. 2). Les propriétés physiochimiques prédites du TaHMA1-27 ont montré que le poids moléculaire de ces protéines variait de 42,548 kDa (TaHMA1.2) à 107,491 kDa (TaHMA5.2), le pI variait de 5,23 (TaHMA6.1) à 7,23 (TaHMA7.2) , et GRAVY variait de -0,162 (TaHMA2.1) à 0,325 (TaHMA6.1). La plupart des TaHMA contenaient 6 à 8 hélices transmembranaires (TMH). Cependant, le nombre de TMH dans onze des 27 TaHMA identifiés (TaHMA1.1, TaHMA1.2, TaHMA1.3, TaHMA3.2, TaHMA3.3, TaHMA4.1, TaHMA4.2, TaHMA4.3, TaHMA8.1, TaHMA8.2 et TaHMA8.3) étaient inférieurs à six (fichier supplémentaire S3). L'algorithme de prédiction WoLF PSORT a prédit une localisation cellulaire variée pour TaHMAs1-27. Ceux-ci devaient se localiser sur la membrane plasmique, à l'exception de TaHMA1.2, une protéine de la matrice extracellulaire. Tous les membres de TaHMA1-27 devaient également se localiser dans le réticulum endoplasmique, à l'exception de TaHMA3.3, TaHMA4.1, TaHMA5.1, TaHMA5.2 et TaHMA5.3. De plus, TaHMA3.3 et TaHMA4.1 devaient également montrer une certaine expression dans la vacuole. Seules deux protéines, TaHMA2.2 et TaHMA2.3, devaient se localiser dans le cytoplasme (Fig. 3).

Analyse phylogénétique des gènes des ATPases de type P1B chez onze hôtes différents de la famille des Poacées. Quatre clades distincts sont formés. Le clade I comprend Cu/Ca/Zn/Cd/Co-ATPase et contient tous les homologues de HMA1. Le clade II comprend Zn/Cd/Pd/Co-ATPase et contient tous les homologues HMA2 et HMA3. Les clades III et IV (représentés par un arc de couleur bleue) comprennent la Cu-ATPase et contiennent tous les homologues HMA4-9. Toutes les classes de HMA sont représentées avec des couleurs différentes, alors que pour distinguer les OsHMA, les séquences de référence sont présentées avec des polices rouges, en gras et de grande taille. Les valeurs bootstrap de l'arbre phylogénétique sont représentées dans différents dégradés de couleurs sur la gauche.

Carte thermique de la localisation prédite de chaque homologue de TaHMA1-27 dans la cellule par WoLF PROST. La carte a été générée à l'aide du logiciel TB Tools. Ici, les dégradés de couleurs représentent l'intensité des signaux des protéines dans la cellule. Le rouge signifie la moindre expression, tandis que le vert signifie la plus grande expression. 1. Noyau 2. Cytoplasme 3. Mitochondries 4. Vacuole 5. Cytosquelette 6. Chloroplaste 7. Réticulum endoplasmique 8. Membrane plasmique 9. Corps de Golgi 10. Peroxysomes 11. Protéine A extracellulaire : Cu/Ca/Zn/Cd/Co-ATPase B : Zn/Cd/Pd/Co-ATPase C : Cu-ATPase.

Un tracé PhenoGram de la localisation chromosomique a révélé que TaHMA1-27 était positionné sur 15 chromosomes et distribué sur les sous-génomes ABD (Fig. 4). Les événements de duplication en tandem et segmentaire sont considérés comme des facteurs importants de l'expansion de la famille de gènes. L'analyse a révélé que les événements de duplication segmentaire liés à 15 paires de gènes se sont produits dans tous les sous-génomes étudiés, alors qu'aucun événement de duplication en tandem n'a été trouvé dans aucun des homologues de TaHMA1-27 (Fig. 5). De plus, les rapports ka/ks de la paire TaHMA1-27 dupliquée par segments variaient de 0,466 à 1,533, avec une valeur moyenne de 0,2895. Le rapport ka/ks de TaHMA5.3/5.2 et TaHMA5.3/5.1 était > 1, indiquant une sélection positive. Cependant, le rapport ka/ks des paires de TaHMA restantes était inférieur à 1, ce qui suggère que ces gènes ont subi une sélection purificatrice extensive26,27.

Distribution génomique des TaHMA à travers des ensembles de génomes ABD. Les cercles bleus représentent le groupe A, qui est impliqué dans la translocation des ions Cu/Ca/Zn/Cd/Co ; les cercles verts représentent le groupe B, qui implique la translocation des ions Zn/Cd/Pb/Co et le rouge représente le groupe C qui est impliqué dans la translocation des ions Cu.

Événements de duplication segmentaire présentés par les TaHMA. Les 27 paires de duplications de gènes segmentaires sont reliées par des lignes de couleurs différentes et marquées sur 14 chromosomes du blé. L'arc noir présente les chromosomes du blé avec des numéros de chromosomes marqués en noir, tandis que les noms sont donnés dans différentes couleurs correspondant aux clades de HMA sur la figure 1.

Des semis de blé ont été cultivés en culture hydroponique sur des milieux de Lombnaes pour étudier les effets de la toxicité du cuivre28. Deux concentrations différentes de cuivre ont été testées (200 µM et 400 µM). Des symptômes importants de chlorose due à la toxicité du cuivre ont été observés avec un retard de croissance et un poids réduit chez les plantes traitées au cuivre par rapport aux témoins. Les symptômes de toxicité du cuivre tels que la chlorose étaient plus prononcés chez les plantes exposées à 400 µM par rapport au traitement au cuivre à 200 µM. De même, les plantes cultivées sous un traitement au cuivre de 400 µM étaient plus rabougries et présentaient un poids frais total réduit par rapport aux plantes traitées au cuivre de 200 µM.

Les données de longueur de racine et de pousse obtenues au jour 7, au jour 14 et au jour 21 de l'ensemble I (200 µM) et de l'ensemble II (400 µM) ont été analysées par ANOVA à deux voies. L'analyse statistique montre que le traitement au cuivre (ensemble II) a affecté de manière significative la longueur des racines au jour 21. En revanche, la longueur des pousses (ensemble I) et (ensemble II) a été significativement réduite par le traitement aux jours 14 et 21 par rapport au témoin. groupe. L'analyse des données sur le poids frais des pousses a révélé que le traitement dans les groupes des séries I et II pendant 21 jours a considérablement réduit la longueur des pousses par rapport au groupe témoin. Les données sur le poids des racines fraîches ont démontré une interaction significative entre le traitement × les jours. Cependant, une analyse post-hoc a montré que la différence moyenne entre les groupes pour le poids des racines fraîches n'a pas atteint la valeur statistiquement significative (Fig. 6a, b). Sur la base de ces observations, les plantes cultivées sous 400 µM de cuivre ont ensuite été sélectionnées pour l'analyse de l'expression génique à l'aide de qRT-PCR.

( a ) Les données de longueur de la racine (A) et de la pousse (B) ont été analysées par ANOVA à deux voies avec un plan de mesure répété avec le test post-hoc de Bonferroni. * affiche des valeurs P < 0,05, ** affiche des valeurs P < 0,01 par rapport au groupe témoin. Tandis que trois répliques biologiques ont été récoltées dans chaque groupe de traitement le jour 7, le jour 14 et le jour 21 pour l'étude phénotypique. ( b ) Les données de poids frais de la racine (A) et de la pousse (B) ont été analysées par ANOVA à deux voies avec un plan de mesure répété avec le test posthoc de Bonferroni. * montre des valeurs P < 0,05 par rapport au groupe témoin. Dans le même temps, trois réplicats biologiques ont été récoltés dans chaque groupe de traitement au jour 7, au jour 14 et au jour 21 pour l'étude phénotypique.

L'analyse statistique des données qRT-PCR montre une diminution significative de l'expression de HMA1 par le traitement dans la pousse aux jours 14 et 21. L'expression de HMA3 a été significativement régulée à la baisse dans les pousses au jour 7 alors qu'elle était régulée à la hausse dans la racine au jour 14. Une régulation à la hausse marquée de HMA5 a été observé dans les pousses et les racines après le traitement les 7e, 14e et 21e jours. Par rapport aux témoins, l'expression de HMA6 dans la pousse au jour 21 et la racine au jour 14 était significativement régulée positivement dans les groupes de test. Dans la pousse, l'expression de HMA7 a été significativement augmentée au jour 7. Cependant, dans la racine, l'expression de HMA7 a progressivement augmenté les jours 7 et 14 et a considérablement augmenté le jour 21. Régulation à la hausse de l'expression de HMA8 dans la pousse et les racines au jour 7, 14 et 21 jours dans les échantillons d'essai ont été observés. Une forte régulation à la hausse de l'expression de HMA9 a été observée dans les pousses et les racines aux jours 7, 14 et 21 dans le groupe test par rapport aux échantillons témoins. L'analyse n'a pas révélé de différences d'expression significatives pour HMA4 dans les pousses et les racines. Une carte thermique du modèle d'expression des HMA générés à partir de données quantitatives de PCR en temps réel sous contrainte de cuivre est représentée à la Fig. 7.

L'expression des HMA de T. aestivum sous un stress de cuivre élevé où A = expression des TaHMA dans les pousses et B = expression des TaHMA dans les racines. Ici, les dégradés de couleurs représentent l'intensité du signal. Le bleu signifie la moindre expression, tandis que le rouge signifie la plus grande expression. Le test de Bonferroni a révélé une augmentation de l'expression de TaHMA5 et TaHMA9 dans les pousses et les racines aux jours 7, 14 et 21 (valeurs P < 0,01) dans le groupe test par rapport aux échantillons témoins. L'expression de TaHMA8 a été régulée positivement les jours 7, 14 et 21 (valeurs P < 0,01) dans les racines uniquement. Cependant, dans les pousses, l'expression de TaHMA8 a augmenté au jour 7 (valeurs P < 0,05), 14 (valeurs P < 0,05) et 21 (valeurs P < 0,01). L'analyse statistique a en outre montré que l'expression de TaHMA7 était augmentée au jour 7 et au jour 21 (valeurs P < 0,05) dans les pousses alors que, dans les racines, TaHMA7 était régulée positivement de manière significative au jour 7 (valeurs P < 0,05), 14 (valeurs P < 0,05) et 21 (valeurs P < 0,01) par rapport au contrôle.

Une gamme de métaux lourds, à savoir le cuivre et le zinc, sont essentiels pour les plantes en raison de leur rôle dans divers processus physiologiques. Cependant, lorsque ces métaux lourds dépassent les concentrations physiologiques optimales dans les plantes, ceux-ci peuvent avoir des effets néfastes. Les plantes cultivées sur des sols contaminés par ces métaux lourds ont tendance à faire face à ces stress en adoptant divers mécanismes. Les HMA jouent un rôle important dans le trafic et la séquestration des métaux lourds29. Cependant, des informations supplémentaires doivent être fournies sur les modes d'expression et le fonctionnement de ces transporteurs de métaux lourds chez le blé soumis à un stress cuivrique. Dans la présente étude, nous avons identifié des HMA dans différentes espèces de Poaceae, effectué une analyse phylogénétique et analysé les domaines et motifs spécifiques de HMA. De plus, la localisation chromosomique a été prédite et une analyse de la synténie a été effectuée pour découvrir d'éventuels événements de duplication dans les HMA de T. aestivum. L'expression des HMA de T. aestivum sous toxicité du cuivre a également été déterminée dans les racines et les pousses de T. aestivum.

L'analyse phylogénétique des HMA de Poaceae a révélé quatre clades en fonction de la spécification des ions qu'ils transloquent. TaHMA1 était dans le clade I alors que TaHMA2 et TaHMA3 étaient dans le clade II.

Les clades III et IV comprenaient TaHMA4, TaHMA5, TaHMA6, TaHMA7, TaHMA8 et TaHMA9. Des études antérieures ont identifié huit HMA chez A. thaliana et neuf HMA chez O. sativa13. Des gènes de métaux lourds similaires ont été identifiés dans notre étude chez différentes espèces de Poaceae, sauf chez S. spontaneum et H. vulgare, où sept ont été identifiés. Chez S. spontaneum et H. vulgare, nous avons initialement trouvé neuf HMA pour les deux plantes. Cependant, quatre étaient redondants et donc retirés de l'analyse phylogénétique.

Il existe trois principaux mécanismes d'évolution dans les événements de duplication de gènes : la duplication segmentaire, la duplication en tandem et la transposition. Ces éléments sont principalement responsables de l'expansion de la famille des gènes végétaux30. De plus, les plantes ont conservé divers blocs chromosomiques dupliqués, ce qui entraîne une fréquence élevée de duplication de segments27. Dans cette analyse, tous les 27 HMA identifiés étaient situés sur cinq des sept chromosomes dans les trois sous-génomes (ABD), révélant que l'événement de duplication segmentaire avait participé à l'expansion des homologues de TaHMA1-27. Le blé tendre est un allohexaploïde (génomes BBAADD, 2n = 6x = 42) qui a subi des événements d'hybridation impliquant trois progéniteurs différents des genres Triticum et Aegilops. Les donneurs des sous-génomes A et B sont Triticum urartu et Aegilops speltoides, dérivés il y a environ 7 millions d'années d'un ancêtre commun. La première hybridation entre les sous-génomes A et B a abouti à la spéciation hybride homoploïde du sous-génome D il y a environ 5,5 millions d'années. La seconde s'est produite il y a moins de 0,8 million d'années, et les sous-génomes A et B ont subi l'événement de polyploïdisation, conduisant à la formation du génome AABB. Puis le troisième événement, l'allopolyploïdisation, a donné naissance au blé moderne il y a moins de 0,4 million d'années31,32,33. Dans la présente recherche, les paires de gènes des homologues de TaHMA1-27 ont été analysées pour un temps approximatif de duplication segmentaire en utilisant le taux ka/ks. On peut conclure à partir du taux Ka/Ks calculé que la paire paralogue d'homologues de TaHMA1-27 a émergé d'un événement récent de duplication segmentaire lors de la formation des trois sous-génomes (ABD) par purification et sélection positive27,34. Notamment, un nombre différent d'exons et d'introns ont été observés dans TaHMA1-27. Les variations dans ces régions exons/introns sont vraisemblablement dues à la conséquence de l'intégration et du réalignement des fragments de gène. En effet, cela contribue de manière significative à l'évolution des familles de gènes35. Des recherches antérieures ont révélé que l'ATPase de type P contient des régions conservées DKTGT, PxxK, GDGxNDxP et S/TGE. De plus, 6 à 8 segments transmembranaires, un CPx/SPC et un motif de locus HP sont spécifiques à la P1B-ATPase et sont essentiels pour le transport des métaux13,36. Dans la présente étude, tous les TaHMA1-27 identifiés contiennent un domaine hydrolase conservé, un domaine ATPase E1-E2, des motifs DKTGT, HP, CPx/SPC, GDxxNDxP et TGE. Cependant, le nombre de TMH dans TaHMA1.1, TaHMA1.2, TaHMA1.3, TaHMA3.2, TaHMA3.3, TaHMA4.1, TaHMA4.2, TaHMA4.3, TaHMA8.1, TaHMA8.2 et TaHMA8.3 sont inférieurs à 6. Par conséquent, les TaHMA sans 6 à 8 domaines transmembranaires ne peuvent pas être attribués en tant que HMA fonctionnels.

Chez les dicotylédones, les HMA sont supposés jouer un rôle essentiel dans la détoxification des métaux en utilisant les mécanismes d'efflux du cytosol13. Malgré leur importance, aucune information n'est disponible sur le rôle possible des HMA chez T. aestivum en réponse au cuivre. La régulation du cuivre est nécessaire à la croissance normale, au développement et à la fonctionnalité cellulaire normale des plantes. Cependant, un excès de cuivre peut entraver la disponibilité d'autres nutriments pour les plantes37. Dans la recherche actuelle, la qPCR a été utilisée pour étudier l'expression des HMA de blé sous stress cuivre. L'analyse des résultats en temps réel a montré que le stress du cuivre pouvait augmenter ou diminuer l'expression du TaHMA. Cela a révélé que T. aestivum présente divers mécanismes de tolérance au stress du cuivre. Dans la présente étude, une régulation à la hausse de TaHMA5 et TaHMA9 a été constatée après sept jours de traitement au cuivre. L'expression de deux autres HMA, à savoir TaHMA7 et TaHMA8, a également augmenté de manière significative après 21 jours de traitement au cuivre dans les racines de blé. Cela indique que TaHMA5 et TaHMA9 peuvent fournir une réponse homéostatique plus immédiate chez le blé après une exposition au cuivre.

La plupart des organismes contiennent des ATPases de type P1B, qui sont essentielles pour l'homéostasie des métaux. Les ATPases de type P transportant le cuivre sont susceptibles d'être des acteurs clés compte tenu de leur capacité de transport de gradient électrochimique contra et des caractéristiques uniques conservées dans les plantes11. Dans cette étude, la régulation à la hausse de TaHMA5, TaHMA7, TaHMA8 et TaHMA9 dans le blé en réponse au stress dû au cuivre suggère leur rôle dans la régulation des ions cuivre. Des études antérieures ont rapporté que les fonctions de transporteur HMA sont liées à leur localisation subcellulaire. Par exemple, les études menées sur Arabidopsis thaliana AtHMA1 sont localisées au niveau de l'enveloppe chloroplastique. AtHMA1 s'avère être impliqué dans la translocation du cuivre dans le chloroplaste et la détoxification du métal lourd zinc38,39.

De même, Oryza sativa OsHMA3 et OsHMA4 sont localisés au niveau du tonoplaste et limitent l'accumulation de cuivre et de cadmium dans les graines et les vacuoles racinaires40,41. OsHAM9 est une protéine d'efflux de cuivre localisée à la membrane plasmique. Il est exprimé dans les racines et aide au transport du plomb, du zinc et du cuivre42,43.OsHMA2 et OsHMA5 sont situés au niveau de la membrane plasmique et remplissent la fonction de transport des métaux lourds de la racine à la pousse44,45. L'enquête antérieure a également suggéré que AtHMA7 est une protéine post-golgi qui délivre du cuivre à une protéine associée au réticulum endoplasmique (récepteurs d'éthylène ETR1). Ces deux protéines interagissent entre les sous-compartiments de la membrane interne des deux organites46. Une autre étude sur deux écotypes de Silene vulgaris a montré une régulation positive de SvHMA7 sous stress cuivre, soulignant le rôle de HMA7 dans la détoxification cellulaire du cuivre47. Notre analyse de la localisation subcellulaire prédite à l'aide de WoLF PSORT a révélé que TaHMA5, TaHMA7, TaHMA8 et TaHMA9 sont localisés sur la membrane plasmique, qui sont les orthologues de OsHMA5, OsHMA7, OsHMA8 et OsHMA9.

De plus, WoLF PSORT a également prédit la localisation subcellulaire de TaHMA7 et TaHMA8 dans le réticulum endoplasmique. Par conséquent, il est prédit que les quatre TaHMA (TaHMA5, TaHMA7, TaHMA8 et TaHMA9) ont des fonctions similaires à celles des autres HMA rapportés. Cependant, d'autres études expérimentales basées sur l'ingénierie du génome sont nécessaires pour révéler le mécanisme moléculaire et la localisation de ces TaHMA en réponse au stress du cuivre.

Cette étude a démontré l'identification des HMA dans 11 espèces végétales différentes de la famille des Poacées et leur relation évolutive phylogénétique. Les membres identifiés ont été divisés en 4 clades principaux en fonction du type de translocation des ions métalliques. Trois gènes, TaHMA7, TaHMA8 et TaHMA9, ont été significativement régulés à la hausse par des niveaux élevés de cuivre. Dans l'ensemble, cette étude indique que ces HMA jouent un rôle important dans la régulation et la translocation du cuivre dans le blé. Nos résultats fourniront une base pour une meilleure compréhension des membres de TaHMA dans le blé pour la caractérisation fonctionnelle.

Comme indiqué précédemment, les semis de Triticum aestivum (Var. Sehar-06) ont été cultivés en culture hydroponique en utilisant le milieu Lombnaes Field28. L'utilisation de plantes/parties de plantes/graines dans la présente étude est conforme aux directives internationales, nationales et/ou institutionnelles. Les semis ont été cultivés dans des conditions contrôlées avec des températures de 21 °C/16 °C (jour/nuit) et une humidité de 55 à 65 %. La photopériode a été maintenue à 16 h à une densité de flux quantique (PAR) de 220 μmol m-2 s-1. Après 14 jours sur le milieu témoin, trois plantes (racines et pousses) ont été récoltées, et leur poids frais et leur longueur ont été notés. Les plantes ont ensuite été congelées instantanément à l'aide d'azote liquide et stockées à - 80 ° C. Les vingt-sept plantes restantes ont été divisées en trois groupes de traitement (neuf plantes dans chacun) : témoin (2 µM CuCl2), Set I (200 µM CuCl2) et Set II (400 µM CuCl2). Les plantes ont été cultivées pendant 21 jours sous leurs traitements respectifs. Trois plantes ont été récoltées dans chaque groupe le jour 7, le jour 14 et le jour 21 après le début du traitement, et le poids frais et la longueur des pousses et des racines ont été déterminés. Une ANOVA à deux voies avec un plan de mesures répétées suivie d'une analyse post-hoc de Bonferroni a été utilisée pour déterminer s'il y avait des changements significatifs entre les traitements au cuivre. Les valeurs de p < 0,05 étaient considérées comme significatives.

L'ARN a été extrait comme décrit précédemment par48. La Dnase I (Thermo Fisher Scientific, USA) a été utilisée pour traiter les échantillons d'ARN afin de s'assurer que toute contamination génomique potentielle a été éliminée. Le premier brin d'ADN complémentaire (ADNc) a été créé à l'aide du kit de synthèse d'ADNc ThermoFisher Scientific (USA) conformément aux instructions du fabricant.

L'expression des HMA de blé sous stress cuivre a été étudiée par qRT-PCR. Trois répétitions ont été utilisées par traitement par point de temps pour la qPCR. Les amorces pour les HMA de blé ont été créées à l'aide de Primer3Plus (version 2.4.2)49 et validées à l'aide de Primer-BLAST du NCBI. L'actine a été utilisée comme gène de référence50. Toutes les amorces utilisées dans cette étude sont répertoriées dans le tableau 1. Le kit scientifique SYBR Green de ThermoFisher (Thermofisher Scientific, États-Unis) a été utilisé pour exécuter la réaction de PCR en temps réel dans une plaque à 96 puits. Pour préparer un mélange réactionnel, 2,5 ng de matrice d'ADNc, 0,3 M d'amorces inverses et directes, 1X SYBR-green master mix et stérile 18 MΩ H2O (jusqu'à 20 µL) ont été utilisés. La réaction a été effectuée sur un détecteur à fluorescence continue Opticon DNA Engine (Applied Biosystems 7000 Real-time PCR system) dans les conditions suivantes : dénaturation initiale à 95 °C pendant 2 min, suivie de 40 cycles d'amplification comprenant une dénaturation pendant 50 s à 95 °C, recuit pendant 5 min à 70 °C et extension pendant 4 min à 68 °C. La période d'extension finale a été effectuée pendant 10 min à 71 ° C. La méthode Pfaffl a calculé les valeurs relatives de l'expression génique51. Les résultats ont été analysés à l'aide d'une ANOVA à deux voies avec une conception à mesures répétées suivie d'une analyse post-hoc de Bonferroni. La signification a été prise à des valeurs P < 0,05. Enfin, une carte thermique de l'expression génique a été générée à l'aide du logiciel TB tools52.

Neuf Oryza sativa HMA (OsHMA1-9) précédemment signalés par Zhiguo et al. (2018) ont été extraits de la base de données du projet d'annotation du génome du riz MSU (http://rice.uga.edu/)14,26 et vérifiés par croisement avec la base de données des membranes végétales ARAMEMNON (http://aramemnon.uni-koeln.de/) 53. Ces séquences d'acides aminés ont ensuite été utilisées pour récupérer des séquences d'acides aminés HMA putatives de Brachypodium distachyon (BdHAM1-9) à l'aide de plantes Ensembl (https://plants.ensembl.org/index.html)54. Des informations telles que les numéros d'accession d'Ensembl, la longueur des acides aminés, la longueur génomique et le pourcentage de similitude ont également été notées. Les HMA des espèces restantes (Hordeum vulgare, Oryza brachyantha, Oryza barthii, Sorghum bicolor, Steria italica, Saccharum spontaneum, Triticum aestivum, Triticum urartu et Zea mays) ont été extraites d'Ensembl Plants via BLAST (fichier supplémentaire S5). Le serveur Web MEME (Multiple Expectation Maximization for Motif Elucidation) (https://meme-suite.org/meme/tools/meme)55 a été utilisé pour déterminer les motifs conservés par HMA. Ces motifs étaient DKTGT, HP CPx/SPC, TGE et GDxxNDxP, comme rapporté précédemment par Fang et al. (2016)20. Le type de distribution des motifs a été fixé à zéro (0) ou « une occurrence par séquence » (zoops). Le nombre de motifs et les largeurs minimum et maximum ont été fixés respectivement à 6, 15 et 50.

La MSA de tous les acides aminés a été réalisée à l'aide du serveur web NGPhylogen.fr (https://ngphylogeny.fr/)56. Un arbre de vraisemblance maximale (MLH) a été construit à l'aide d'un flux de travail avancé. MAFFT pour MSA57, BMGE pour le découpage de fichiers MSA58 et Fast-Tree pour l'arbre phylogénétique MLH avec une valeur d'amorçage de 1000 ont été sélectionnés59,60. L'arborescence résultante a été visualisée et affinée à l'aide de l'outil en ligne iTOL (http://itol.embl.de/index.shtml)61.

Les informations sur la séquence ont été obtenues pour TaHMA1-27 à partir de la base de données Uniprot, tandis que l'emplacement chromosomique et la longueur génomique provenaient d'Ensembl Plants (https://www.uniprot.org/uniprot/62, https://plants.ensembl.org/index. html63). D'autres propriétés physiochimiques telles que la masse protéique en daltons (Da), le point isoélectrique hypothétique et la grande moyenne d'hydropathie (GRAVY) ont été calculées à l'aide de l'outil ProtParam d'ExPaSy (https://web.expasy.org/protparam/)64. La base de données des domaines conservés (CDD) du NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi)65 avec option de recherche Pfam V33.1-18271 PSSMs (http://pfam.xfam .org/)66 a été utilisé pour l'analyse de la distribution des domaines protéiques conservés par HMA. Le diagramme des domaines qui en résulte a été dessiné à l'aide du logiciel TB tools52. La composition et la position des exons/introns dans les homologues de TaHMA1-27 ont été analysées en comparant le CDS des homologues de TaHMA1-27 à ses séquences génomiques correspondantes à l'aide de l'outil en ligne Gene Structure Display Server (GSDS) (http://gsds.gao-lab .org/)67.

La localisation subcellulaire des HMA a été prédite à l'aide du prédicteur de localisation des protéines WoLF PSORT (https://wolfpsort.hgc.jp/)68. Les valeurs de signal cellulaire résultantes ont été utilisées pour construire une carte thermique à l'aide du logiciel Tbtools52. Le serveur TMHMM V. 2.0 (http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)69 a été utilisé pour prédire les hélices transmembranaires putatives de tous les membres de TaHMA1-27.

L'emplacement chromosomique et la relation synthétique ont été illustrés à l'aide d'un graphique phenoGram (http://visualization.ritchielab.psu.edu/phenograms/plot)70 et Circos v0.6771, respectivement. Le taux de substitution des synonymes (Ks) et non synonymes (Ka) a été calculé à l'aide du calculateur Ka/Ks du logiciel TB tools pour la détermination de la pression sélective52. Le temps de divergence approximatif des événements de duplication pour chaque paire de gènes paralogues il y a un million d'années (MYA = 10−6) a été déterminé à l'aide de la formule T = Ks/2x*MYA où x est le taux de substitution synonyme moyen qui est de 6,56 × 10− 972.

Des graines de blé (var. Sehar-06) ont été recueillies auprès de la banque de semences du National Agricultural Research Council (NARC), Islamabad. Cette variété est largement cultivée au Pakistan.

Les bases de données utilisées dans cette recherche sont ouvertes et accessibles au public. Aucune autorisation administrative n'est nécessaire pour accéder et utiliser les données. Les liens vers les bases de données sont donnés ci-dessous. Plantes d'ensemble (https://plants.ensembl.org/index.html). Serveur Web MEME (https://meme-suite.org/meme/tools/meme). NGPhylogen.fr (https://ngphylogeny.fr/). Outil en ligne iTOL (http://itol.embl.de/index.shtml). Base de données Uniport (https://www.uniprot.org/uniprot/). Outil ProtParam d'ExPaSy (https://web.expasy.org/protparam/). Base de données de domaines conservés NCBI (CDD) (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi). PSSM Pfam V33.1-18271 (http://pfam.xfam.org/). Serveur d'affichage de la structure génétique (GSDS) (http://gsds.gao-lab.org/). WoLF PSORT (https://wolfpsort.hgc.jp/). Serveur TMHMM V. 2.0 (http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/). Parcelle de phénogramme (http://visualization.ritchielab.psu.edu/phenograms/plot).

Yruela, I. Cuivre dans les plantes. Braz. J. Plante. Physiol. 17, 145–156. https://doi.org/10.1590/S1677-04202005000100012 (2005).

Article ADS CAS Google Scholar

Choppala, G. et al. Mécanismes cellulaires des végétaux supérieurs régissant la tolérance à la toxicité du cadmium. Crit. Rév. Usine Sci. 33, 374–391. https://doi.org/10.1080/07352689.2014.903747 (2014).

Article CAS Google Scholar

Karim, N. Le cuivre et la santé humaine—une revue. EUR. J. Sol Sci. 8, 117–122. https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.1997.tb00558.x (2018).

Article MathSciNet Google Scholar

Fernandes, J. & Henriques, FJT br Effets biochimiques, physiologiques et structurels de l'excès de cuivre dans les plantes. Bot. Rév. 57, 246–273. https://doi.org/10.1007/BF02858564 (1991).

Hippler, FWR et al. Le stress oxydatif induit par les troubles nutritionnels du Cu chez les Citrus dépend de la disponibilité de l'azote et du calcium. Sci. Rép. 8, 1–13. https://doi.org/10.1038/s41598-018-19735-x (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Li, Q. et al. Effets de l'excès de cuivre sur la croissance, l'absorption d'eau et de nutriments, les glucides et la photochimie PSII révélés par les transitoires OJIP dans les semis d'agrumes. Environ. Sci. Pollution. Rés. 26, 30188–30205. https://doi.org/10.1007/s11356-019-06170-2 (2019).

Article CAS Google Scholar

Li, D. et al. Analyse à l'échelle du génome et profilage de l'expression induite par les métaux lourds de la famille des gènes HMA chez Populus trichocarpa. Devant. Usine Sci. 6, 1149. https://doi.org/10.1007/s11104-018-3637-2 (2015).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Østerberg, JT & Palmgren, M. Pompes à métaux lourds dans les usines : structure, fonction et origine. Adv. Bot. Rés. 87, 57–89. https://doi.org/10.1016/bs.abr.2018.09.004 (2018).

Article CAS Google Scholar

Zorrig, W., Abdelly, C. & Berthomieu, P. L'arbre phylogénétique regroupant les Zn/Cd/Pb/Co P1B-ATPases végétales apparaît structuré selon les familles botaniques. Végétal Biol. Pathol. 334, 863–871. https://doi.org/10.1016/j.crvi.2011.09.004s (2011).

Article CAS Google Scholar

Smith, AT, Smith, KP & Rosenzweig, AC Diversité des ATPases de type P1B transportant les métaux. J. Biol. Inorg. Chim. 19, 947–960. https://doi.org/10.1007/s00775-014-1129-2 (2014).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Argüello, JM, Eren, E. & González-Guerrero, M. La structure et la fonction des P1B-ATPases de transport des métaux lourds. Biométaux 20, 233–248. https://doi.org/10.1007/s10534-006-9055-6 (2007).

Article CAS PubMed Google Scholar

Bækgaard, L. et al. Un capteur combiné de zinc/cadmium et un régulateur d'exportation de zinc/cadmium dans une pompe à métaux lourds. J. Biol. Chim. 285, 31243–31252. https://doi.org/10.1074/jbc.M110.111260 (2010).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Williams, LE & Mills, RF P1B-ATPases - une ancienne famille de pompes à métaux de transition aux fonctions diverses dans les plantes. Tendances Plant Sci. 10, 491–502. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2005.08.008 (2005).

Article CAS PubMed Google Scholar

Zhiguo, E., Tingting, L., Chen, C. & Lei, W. Enquête pangénomique et analyse de l'expression des P1B-ATPases dans le riz, le maïs et le sorgho. Riz Sci. 25, 208–217. https://doi.org/10.1016/j.rsci.2018.06.004 (2018).

Article Google Scholar

Shikanai, T., Müller-Moulé, P., Munekage, Y., Niyogi, KK et Pilon, M. PAA1, une ATPase de type P d'Arabidopsis, fonctionne dans le transport du cuivre dans les chloroplastes. Cellule végétale 15, 1333–1346. https://doi.org/10.1105/tpc.011817 (2003).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Catty, P. et al. Caractérisation biochimique de AtHMA6/PAA1, une enveloppe chloroplastique Cu(I)-ATPase. J. Biol. Chim. 286, 36188–36197. https://doi.org/10.1074/jbc.M111.241034 (2011).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Boutigny, S. et al. HMA1 et PAA1, deux PIB-ATPases de l'enveloppe du chloroplaste, jouent des rôles distincts dans l'homéostasie du cuivre des chloroplastes. J. Exp. Bot. 65, 1529-1540. https://doi.org/10.1093/jxb/eru020 (2014).

Article CAS PubMed Google Scholar

Li, N. et al. Analyse à l'échelle du génome et profilage de l'expression de la famille des gènes HMA chez Brassica napus sous stress cd. Sol végétal 426, 365–381. https://doi.org/10.1007/s11104-018-3637-2 (2018).

Article CAS Google Scholar

Lui, G. et al. Protéines associées aux transporteurs de métaux lourds chez Solanum tuberosum : identification à l'échelle du génome, caractéristique complète des gènes, analyse de l'évolution et de l'expression. Gènes 11, 1269. https://doi.org/10.3390/genes11111269 (2020).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Fang, X. et al. La caractérisation à l'échelle du génome de la famille de gènes P 1B-ATPases du soja fournit des implications fonctionnelles dans les réponses au cadmium. BMC Genomics 17, 1–15. https://doi.org/10.1186/s12864-016-2730-2 (2016).

Article CAS Google Scholar

Wu, Y. et al. Analyse comparative de l'expression des gènes de la sous-famille des ATPases de métaux lourds entre les variétés locales de navet tolérantes au Cd et sensibles au Cd. Diversité végétale 41, 275–283. https://doi.org/10.1016/j.pld.2019.02.001 (2019).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhou, M. et al. L'impact du cadmium à l'échelle du génome sur l'expression des microARN et des ARNm dans des génotypes de blé contrastés sensibles au Cd. BMC Genomics 20, 1–19. https://doi.org/10.1186/s12864-019-5939-z (2019).

Article CAS Google Scholar

Devos, KM & Gale, MD Relations génomiques : le modèle d'herbe dans la recherche actuelle. Cellule végétale 12, 637–646. https://doi.org/10.1105/tpc.12.5.637 (2000).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Faris, JD, Zhang, Z., Fellers, JP & Gill, BS Micro-colinéarité entre le riz, Brachypodium et Triticum monococcum au locus de domestication du blé Q. Funct. Intégr. Génomique 8, 149–164. https://doi.org/10.1007/s10142-008-0073-z (2008).

Article CAS PubMed Google Scholar

Girin, T. et al. Brachypodium : Un hub prometteur entre espèces modèles et céréales. J. Exp. Bot. 65, 5683–5696. https://doi.org/10.1093/jxb/eru376 (2014).

Article CAS PubMed Google Scholar

Kawahara, Y. et al. Amélioration du génome de référence d'Oryza sativa Nipponbare à l'aide de séquences de nouvelle génération et de données de cartes optiques. Riz 6, 1–10. https://doi.org/10.1186/1939-8433-6-4 (2013).

Article Google Scholar

Qiao, X. et al. Duplication et évolution des gènes dans les cycles récurrents de polyploïdisation-diploïdisation chez les plantes. Génome Biol. 20, 1–23 (2019).

Article Google Scholar

Lombn s, P., Singh, BR & Science, S. Tolérance variétale à la carence en zinc dans le blé et l'orge cultivés dans une solution nutritive tamponnée par un chélateur et son effet sur l'absorption de Cu, Fe et Mn. J. Plante Nutr. 166, 76–83. https://doi.org/10.1002/jpln.200390015 (2003).

Sinha, D., Tandon, PK, Srivastava, GP, Srivastava, SK et Mukherjee, S. dans Plant Metal and Metalloid Transporters 109–131 (Springer, 2022).

Hurles, M. Duplication de gènes : le commerce génomique des pièces de rechange. PLoS Biol. 2, e206. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0020206 (2004).

Feldman, M. & Levy, AA Évolution du génome due à l'allopolyploïdisation du blé. Génétique 192, 763–774. https://doi.org/10.1534/genetics.112.146316 (2012).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Huo, N. et al. Duplication de gènes et dynamique d'évolution dans les régions homéologues abritant plusieurs familles de gènes de prolamine et de résistance chez le blé hexaploïde. Devant. Usine Sci. 9, 673. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00673 (2018).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Consortium, IWGS et al. Repousser les limites de la recherche et de la sélection du blé en utilisant un génome de référence entièrement annoté. Sciences 361, ear7191. https://doi.org/10.1126/science.aar7191 (2018).

Yu, J. et al. La dynamique évolutive du génome suivie d'une sélection diversifiée explique la complexité du génome de Sesamum indicum. BMC Genomics 18, 1–14. https://doi.org/10.1186/s12864-017-3599-4 (2017).

Article CAS Google Scholar

Xu, G., Guo, C., Shan, H. & Kong, H. Divergence de gènes en double dans la structure exon-intron. Proc. Natl. Acad. Sci. 109, 1187–1192. https://doi.org/10.1073/pnas.1109047109 (2012).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Williams, LE, Pittman, JK & Hall, J. Mécanismes émergents pour le transport des métaux lourds dans les usines. Biochim. Biophys. Acta Biomembranes 1465, 104–126. https://doi.org/10.1016/S0005-2736(00)00133-4 (2000).

Article CAS Google Scholar

Seeda, A., Abou El-Nour, E., Mervat, G. & Zaghloul, S. Interaction du cuivre, du zinc et leur importance dans la physiologie des plantes : examen, acquisition et transport. Moyen-Orient J. Appl. Sci. 10, 407–434 (2020).

Seigneurin-Berny, D. et al. HMA1, une nouvelle Cu-atpase de l'enveloppe chloroplastique, est essentielle à la croissance dans des conditions de luminosité défavorables. J. Biol. Chim. 281, 2882–2892 (2006).

Article CAS PubMed Google Scholar

Kim, YY et al. AtHMA1 contribue à la détoxification de l'excès de Zn (II) chez Arabidopsis. Plant J. 58, 737–753. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2009.03818.x (2009).

Article CAS PubMed Google Scholar

Miyadate, H. et al. OsHMA3, une ATPase de type P1B affecte la translocation du cadmium de la racine à la pousse dans le riz en médiant l'efflux dans les vacuoles. Nouveau phytol. 189, 190–199. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2010.03459.x (2011).

Article CAS PubMed Google Scholar

Huang, X.-Y. et coll. Un métal lourd ATPase de type P OsHMA4 empêche l'accumulation de cuivre dans le grain de riz. Nat. Commun. 7, 1–13. https://doi.org/10.1038/ncomms12138 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Lee, S., Kim, Y.-Y., Lee, Y. & An, G. Rice L'ATPase de métaux lourds de type P1B, OsHMA9, est une protéine d'efflux de métaux. Physique Végétale. 145, 831–842. https://doi.org/10.1104/pp.107.102236 (2007).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wenli, Z. et al. L'ATPase de type P de métal lourd du riz OsHMA6 est probablement une protéine d'efflux de cuivre. Riz Sci. 27, 143-151 (2020).

Article Google Scholar

Takahashi, R. et al. Le transporteur OsHMA2 est impliqué dans la translocation de racine à pousse de Zn et Cd dans le riz. Cellule végétale Environ. 35, 1948–1957. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2012.02527.x (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Deng, F., Yamaji, N., Xia, J. & Ma, JF Un membre du métal lourd ATPase de type P OsHMA5 est impliqué dans le chargement du xylème du cuivre dans le riz. Physique Végétale. 163, 1353–1362. https://doi.org/10.1104/pp.113.226225 (2013).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhou, X., Liu, Q., Xie, F. & Wen, C.-K. RTE1 est un régulateur négatif associé à Golgi et dépendant d'ETR1 des réponses à l'éthylène. Physique Végétale. 145, 75–86. https://doi.org/10.1104/pp.107.104299 (2007).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Baloun, J. et al. Caractérisation du gène HMA7 et analyse transcriptomique de gènes candidats à la tolérance au cuivre chez deux écotypes de Silene vulgaris. J. Plant Physiol. 171, 1188–1196. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2014.04.014 (2014).

Article CAS PubMed Google Scholar

Aslam, R., Williams, LE, Bhatti, MF & Virk, NJB pb Analyse pangénomique des ATPases calciques du blé et rôle potentiel de certains ACA et ECA dans le stress calcique. BMC Plant Biol. 17, 1–14. https://doi.org/10.1186/s12870-017-1112-5 (2017).

Untergasser, A. et al. Primer3—nouvelles fonctionnalités et interfaces. Nucleic Acids Res. 40, e115–e115. https://doi.org/10.1093/nar/gks596 (2012).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Giménez, MJ, Pistón, F. & Atienza, SG Identification de gènes de référence appropriés pour la normalisation des données qPCR dans les analyses transcriptomiques comparatives chez les Triticeae. Plante 233, 163–173. https://doi.org/10.1007/s00425-010-1290-y (2011).

Article CAS PubMed Google Scholar

Pfaffl, MW Un nouveau modèle mathématique pour la quantification relative en temps réel RT-PCR. Nucleic Acids Res. 29, e45–e45. https://doi.org/10.1093/nar/29.9.e45 (2001).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chen, C. et al. TBtools : une boîte à outils intégrative développée pour les analyses interactives de mégadonnées biologiques. Mol. Usine 13, 1194–1202. https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.06.009 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Schwacke, R. et al. ARAMEMNON, une nouvelle base de données sur les protéines membranaires intégrales d'Arabidopsis. Physique Végétale. 131, 16–26. https://doi.org/10.1104/pp.011577 (2003).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bolser, D., Staines, DM, Pritchard, E. et Kersey, P. Plantes d'ensemble : Intégration d'outils pour visualiser, extraire et analyser les données génomiques des plantes. Plante Bioinf. Méthodes. 115-140 (2016).

Bailey, TL, Williams, N., Misleh, C. & Li, WW MEME : Découverte et analyse de motifs de séquences d'ADN et de protéines. Nucleic Acids Res. 34, W369–W373. https://doi.org/10.1093/nar/gkl198 (2006).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lemoine, F. et al. NGPhylogénie. fr : Services de phylogénétique de nouvelle génération pour les non-spécialistes. Nucleic Acids Res. 47, W260–W265. https://doi.org/10.1093/nar/gkz303 (2019).

Katoh, K. & Standley, DM Logiciel d'alignement de séquences multiples MAFFT version 7 : Améliorations des performances et de la convivialité. Mol. Biol. Évol. 30, 772–780. https://doi.org/10.1093/molbev/mst010 (2013).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Criscuolo, A. & Gribaldo, SJBEB BMGE (Block Mapping and Gathering with Entropy): Un nouveau logiciel pour la sélection de régions informatives phylogénétiques à partir d'alignements de séquences multiples. BMC Évol. Biol. 10, 1–21. https://doi.org/10.1186/1471-2148-10-210 (2010).

Price, MN, Dehal, PS & Arkin, AP FastTree 2–arbres à probabilité maximale approximative pour les grands alignements. PloS un 5, e9490. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0009490 (2010).

Lemoine, F. et al. Renouveler le bootstrap phylogénétique de Felsenstein à l'ère du big data. Nature 556, 452–456. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0043-0 (2018).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Letunic, I. & Bork, P. Interactive Tree Of Life (iTOL) v5 : Un outil en ligne pour l'affichage et l'annotation d'arbres phylogénétiques. Nucleic Acids Res. 49, W293–W296. https://doi.org/10.1093/nar/gkab301 (2021).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Apweiler, R. et al. UniProt : la base de connaissances universelle sur les protéines. Nucleic Acids Res. 32, D115–D119. https://doi.org/10.1093/nar/gkh131 (2004).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zerbino, D.R. et al. Ensemble 2018. Nucleic Acids Res.46, D754–D761. https://doi.org/10.1093/nar/gkx1098 (2018).

Article CAS PubMed Google Scholar

Artimo, P. et al. ExPASy : Portail de ressources bioinformatiques du SIB. Nucleic Acids Res. 40, W597–W603. https://doi.org/10.1093/nar/gks400 (2012).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lu, S. et al. CDD/SPARCLE : La base de données des domaines conservés en 2020. Nucleic Acids Res. 48, D265–D268. https://doi.org/10.1093/nar/gkz991 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Mistry, J. et al. Pfam : La base de données des familles de protéines en 2021. Nucleic Acids Res. 49, D412–D419. https://doi.org/10.1093/nar/gkaa913 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Hu, B. et al. GSDS 2.0 : Un serveur de visualisation des caractéristiques génétiques mis à niveau. Bioinformatique 31, 1296–1297. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu817 (2015).

Horton, P. et al. WoLF PSORT : prédicteur de localisation des protéines. Nucleic Acids Res. 35, W585–W587. https://doi.org/10.1093/nar/gkm259 (2007).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Krogh, A., Larsson, B., Von Heijne, G. & Sonnhammer, EL Prédiction de la topologie des protéines transmembranaires avec un modèle de Markov caché : application aux génomes complets. J. Mol. Biol. 305, 567–580 (2001).

Article CAS PubMed Google Scholar

Wolfe, D., Dudek, S., Ritchie, MD & Pendergrass, SA Visualisation des informations génomiques sur les chromosomes avec PhenoGram. BioDonnées Min. 6, 1–12. https://doi.org/10.1186/1756-0381-6-18 (2013).

Article CAS Google Scholar

Krzywinski, M. et al. Circos : Une esthétique de l'information pour la génomique comparative. Génome Res. 19, 1639–1645. https://doi.org/10.1101/gr.092759.109 (2009).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lui, Y. et al. Identification à l'échelle du génome et analyse de l'expression des gènes du système à deux composants chez la tomate. Int. J. Mol. Sci. 17, 1204. https://doi.org/10.1007/s11104-018-3637-2 (2016).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

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Les auteurs remercient le Dr Zehra Batool (PCMD, ICCBS, Uok, Karachi, Pakistan) pour ses efforts constructifs dans l'analyse statistique.

Ce travail a été soutenu financièrement par la Commission de l'enseignement supérieur du Pakistan.

Atta-ur-Rahman School of Applied Biosciences, Université nationale des sciences et de la technologie, Islamabad, Pakistan

Tuba Sharf Batool, Roohi Aslam, Alvina Gul, Mahnoor Ilyas, Faiza Munir et Rabia Amir

École d'ingénierie et de sciences interdisciplinaires, Université nationale des sciences et de la technologie, Islamabad, Pakistan

Rehan Zafar Paracha

École des sciences biologiques, Université de Southampton, Southampton, SO17 1BJ, Royaume-Uni

Kathryn De Abreu et Lorraine E. Williams

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TSB et MI : réalisation d'expériences, collecte de données, analyse et rédaction de manuscrits. AG et RA : ont conçu et supervisé toutes les recherches. FM, RA et RZP : ont participé à l'analyse des données et à la rédaction des résultats. LEW et KDA : manuscrit révisé.

Correspondance à Roohi Aslam ou Lorraine E. Williams.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Batool, TS, Aslam, R., Gul, A. et al. Analyse à l'échelle du génome des ATPases de métaux lourds (HMA) chez les espèces de Poaceae et leur rôle potentiel contre le stress du cuivre chez Triticum aestivum. Sci Rep 13, 7551 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32023-7

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Reçu : 13 décembre 2022

Accepté : 21 mars 2023

Publié: 09 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-32023-7

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