Russian Journal of GeneticsRussian Journal of GeneticsГенетика0016-67583034-5103The Russian Academy of Sciences66701910.31857/S0016675823120111QCCUZRГЕНЕТИКА РАСТЕНИЙBiological Diversity of Genes Encoding Wheat Defensin HomologuesБиологическое разнообразие генов гомологов дефензинов пшеницыSlezinaM. P.СлезинаМ. П.odintsova2005@rambler.ruIstominaE. A.ИстоминаЕ. А.odintsova2005@rambler.ruOdintsovaT. I.ОдинцоваТ. И.odintsova2005@rambler.ruVavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of SciencesИнститут общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук0112202359121382139226022025Copyright ©; 2023, М.П. Слезина, Е.А. Истомина, Т.И. ОдинцоваCopyright ©; 2023, М.П. Слезина, Е.А. Истомина, Т.И. Одинцова2023М.П. Слезина, Е.А. Истомина, Т.И. ОдинцоваМ.П. Слезина, Е.А. Истомина, Т.И. Одинцоваhttps://transsyst.ru/0016-6758/article/view/667019

Antimicrobial peptides (AMPs) are major components of innate immunity in plants and animals. AMP genes have significant intra- and interspecific polymorphism, the role of which is poorly understood. Previously, by high throughput transcriptome sequencing of wheat plants, we identified defensin genes up-regulated upon infection with the pathogenic fungus Fusarium oxysporum and/or treatment with resistance inducers. In the present work, a bioinformatic search in NCBI databases for peptide homologues of these defensins was carried out using the sequences of their γ-cores, the sites of the molecules responsible for antimicrobial activity. DEFL1-16 homologues were identified in 95 species of angiosperms belonging to 48 families and 30 orders of monocotyledonous and dicotyledonous plants. The ubiquitous distribution of this defensin in angiosperms suggests its involvement not only in defense, but also in other processes in flowering plants. Homologues of other defensins induced by infection were found only in plants of the Poaceae family, which suggests the existence of a Poaceae-specific defense mechanism associated with the expression of these defensins. Among the γ-core variants of wild plant defensins identified in the study, the peptides with better antimicrobial activity compared to wheat, might be present, which are of considerable interest for the development of new antibiotics for medicine and agriculture.

Антимикробные пептиды (АМП) являются основными компонентами врожденного иммунитета растений и животных. Гены АМП обладают значительным внутри- и межвидовым полиморфизмом, роль которого практически не изучена. Ранее нами методом глубокого секвенирования транскриптомов растений пшеницы были выявлены гены дефензинов, экспрессия которых усиливалась при заражении патогенным грибом Fusarium oxysporum и/или обработке индукторами устойчивости. В настоящей работе был проведен биоинформатический поиск в базах данных NCBI пептидов-гомологов этих дефензинов пшеницы по последовательностям их γ-коров − участков молекул, ответственных за антимикробную активность. Гомологи дефензина DEFL1-16 были выявлены у 95 видов покрытосеменных растений, относящихся к 48 семействам и принадлежащих к 30 порядкам одно- и двудольных растений. Повсеместное распространение этого дефензина у покрытосеменных растений позволяет высказать предположение о его участии не только в защите, но и в других процессах в цветковых растениях. Гомологи других дефензинов, индуцированных заражением, обнаружены только у растений семейства Poaceae, что предполагает наличие у мятликовых специфичного для этого семейства механизма защиты от патогенов, связанного с экспрессией этих дефензинов. Среди выявленных в ходе исследования вариантов γ-коров дефензинов дикорастущих растений могут быть пептиды с лучшей по сравнению с пшеницей антимикробной активностью, которые представляют несомненный интерес для разработки новых антибиотиков для медицины и сельского хозяйства.

plant immunityantimicrobial peptidesdefensinsgene biodiversity.иммунитет растенийантимикробные пептидыдефензиныбиоразнообразие генов.Zasloff M. Antimicrobial peptides of multicellular organisms // Nature. 2002. № 415. P. 389–395. https://doi.org/10.1038/415389aTam J.P., Wang S., Wong K.H., Tan W.L. Antimicrobial peptides from plants // Pharmaceuticals. 2015. V. 8. № 4. P. 711–757. https://doi.org/10.3390/ph8040711Li J., Hu S., Jian W. et al. Plant antimicrobial peptides: structures, functions, and applications // Bot. Stud. 2021. V. 62. № 1. https://doi.org/10.1186/s40529-021-00312-xLima A.M., Azevedo M.I.G., Sousa L.M. et al. Plant antimicrobial peptides: An overview about classification, toxicity and clinical applications // Int. J. Biol. Macromol. 2022. V. 214. P. 10−21. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.06.043Zou F., Tan C., Shinali T.S. et al. Plant antimicrobial peptides: A comprehensive review of their classification, production, mode of action, functions, applications, and challenges // Food Funct. 2023. V. 14. № 12. P. 5492−5515. https://doi.org/10.1039/d3fo01119dLazzaro B.P., Zasloff M., Rolff J. Antimicrobial peptides: Application informed by evolution // Science. 2020. V. 368. № 6490. https://doi.org/10.1126/science.aau5480Zhu Y., Hao W., Wang X. et al. Antimicrobial peptides, conventional antibiotics, and their synergistic utility for the treatment of drug-resistant infections // Med. Res. Rev. 2022. V. 42. № 4. P. 1377–1422. https://doi.org/10.1002/med.21879Yount N.Y., Yeaman M.R. Multidimensional signatures in antimicrobial peptides // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004. V. 101. № 19. P. 7363–7368. https://doi.org/10.1073/pnas.0401567101Odintsova T.I., Slezina M.P., Istomina E.A. et al. Defensin-like peptides in wheat analyzed by whole-transcriptome sequencing: A focus on structural diversity and role in induced resistance // PeerJ. 2019. V. 7. https://doi.org/10.7717/peerj.6125Slezina M.P., Istomina E.A., Kulakovskaya E.V. et al. The γ-core motif peptides of AMPs from grasses display inhibitory activity against human and plant pathogens // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. № 15. https://doi.org/10.3390/ijms23158383https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgiBendtsen J.D., Nielsen H., von Heijne G., Brunak S. Improved prediction of signal peptides: SignalP 3.0 // J. Mol. Biol. 2004. V. 340. № 4. P. 783–795. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2004.05.028Kumar S., Stecher G., Tamura K. MEGA7: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 7.0 for bigger datasets // Mol. Biol. Evol. 2016. V. 33. № 7. P. 1870−1874. https://doi.org/10.1093/molbev/msw054The Angiosperm Phylogeny Group, Chase M.W., Christenhusz M.J.M. et al. An update of the Angiosperm Phylogeny Group classification for the orders and families of flowering plants: APG IV // Bot. J. Linn. Soc. 2016. V. 181. № 1. P. 1−20. https://doi.org/10.1111/boj.12385Вехов В.Н. Зостера морская Белого моря. М.: МГУ, 1992. 144 с.Жизнь растений. Т. 5. Ч. 2. Цветковые растения / Под ред. Тахтаджяна А.Л. М.: Просвещение, 1981. 511 с.Попов А.П. Лекарственные растения в народной медицине. Киев: Здоров'я, 1967. 316 с.Усенко Н.В. Деревья, кустарники и лианы Дальнего Востока. Хабаровск: Хабаровское кн. изд-во, 1984. С. 110−111.Li P.-H., Shih Y.-J., Lu W.-C. et al. Antioxidant, antibacterial, anti-inflammatory, and anticancer properties of Cinnamomum kanehirae Hayata leaves extracts // Arab. J. Chem. 2023. V. 16. № 7. 104873. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2023.104873Endress P.K. Trochodendraceae // Flowering Plants Dicotyledons. The Families and Genera of Vascular Plants. V. 2. Berlin; Heidelberg: Springer, 1993. P. 599−602. https://doi.org/10.1007/978-3-662-02899-5_74Sun Y., Deng T., Zhang A. et al. Genome sequencing of the endangered Kingdonia uniflora (Circaeasteraceae, Ranunculales) reveals potential mechanisms of evolutionary specialization // iScience. 2020. V. 23. № 5. https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101124Li C., Duan C., Zhang H. et al. Adaptative mechanisms of halophytic Eutrema salsugineum encountering saline environment // Front. Plant Sci. 2022. V. 13. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.909527Dupin S.E., Geurts R., Kiers E.T. The non-legume Parasponia andersonii mediates the fitness of nitrogen-fixing rhizobial symbionts under high nitrogen conditions // Front. Plant Sci. 2020. V. 10. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01779Clarke C.R., Timko M.P., Yoder J.I. et al. Molecular dialog between parasitic plants and their hosts // Annu. Rev. Phytopathol. 2019. V. 57. P. 279–299. https://doi.org/10.1146/annurev-phyto-082718-100043Conran J.G. Cephalotaceae // Flowering Plants Dicotyledons. The Families and Genera of Vascular Plants. Berlin; Heidelberg: Springer, 2004. V. 6. P. 65–68. https://doi.org/10.1007/978-3-662-07257-8_7Жизнь растений. Т. 6. Цветковые растения / Под ред. Тахтаджяна А.Л. М.: Просвещение, 1982. 543 с.Li C.J., Tsang S.F., Tsai C.H. et al. Momordica charantia extract induces apoptosis in human cancer cells through caspase- and mitochondria-dependent pathways // Evid. Based Complement. Alternat. Med. 2012. V. 2012. https://doi.org/10.1155/2012/261971Zhang J., Hunto S.T., Yang Y. et al. Tabebuia impetiginosa: A comprehensive review on traditional uses, phytochemistry, and immunopharmacological properties // Molecules. 2020. V. 25. № 18. https://doi.org/10.3390/molecules25184294Huang W., Zhang L., Columbus J.T. et al. A well-supported nuclear phylogeny of Poaceae and implications for the evolution of C4 photosynthesis // Mol. Plant. 2022. V. 15. № 4. P. 755–777. https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.01.015Slezina M.P., Istomina E.A., Kulakovskaya E.V. et al. Synthetic oligopeptides mimicking γ-core regions of cysteine-rich peptides of Solanum lycopersicum possess antimicrobial activity against human and plant pathogens // Curr. Issues Mol. Biol. 2021. V. 43. № 3. P. 1226−1242. https://doi.org/10.3390/cimb43030087Slezina M.P., Istomina E.A., Korostyleva T.V. et al. Molecular insights into the role of cysteine-rich peptides in induced resistance to Fusarium oxysporum infection in tomato based on transcriptome profiling // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 11. https://doi.org/10.3390/ijms22115741Stotz H.U., Spence B., Wang Y. A defensin from tomato with dual function in defense and development // Plant Mol. Biol. 2009. V. 71. № 1−2. P. 131–143. https://doi.org/10.1007/s11103-009-9512-zAllen A., Snyder A.K., Preuss M. et al. Plant defensins and virally encoded fungal toxin KP4 inhibit plant root growth // Planta. 2008. V. 227. № 2. P. 331‒339. https://doi.org/10.1007/s00425-007-0620-1Mith O., Benhamdi A., Castillo T. et al. The antifungal plant defensin AhPDF1.1b is a beneficial factor involved in adaptive response to zinc overload when it is expressed in yeast cells // Microbiologyopen. 2015. V. 4. № 3. P. 409−422. https://doi.org/10.1002/mbo3.248