Genome-wide analysis of the Glutathione S-Transferase family in wild Medicago ruthenica and drought-tolerant breeding application of MruGSTU39 gene in cultivated alfalfa

生物 耐旱性 基因 谷胱甘肽S-转移酶 多年生植物 截形苜蓿 遗传学 植物 谷胱甘肽 共生 生物化学 细菌
作者
Tianzuo Wang,Di Zhang,Li Chen,Jing Wang,Wenhao Zhang
出处
期刊:Theoretical and Applied Genetics [Springer Nature]
卷期号:135 (3): 853-864 被引量:16
标识
DOI:10.1007/s00122-021-04002-x
摘要

Transformation of MruGSTU39 in M. ruthenica and alfalfa enhanced growth and survival of transgenic plants by up-regulating GST and glutathione peroxidase activity to detoxify ROS under drought stress. Glutathione S-transferases (GSTs) are ubiquitous supergene family which play crucial roles in detoxification of reactive oxygen species (ROS). Despite studies on GSTs, few studies have focused on them in perennial, wild plant species with high tolerance to environmental stress. Here, we identified 66 MruGST genes from the genome of Medicago ruthenica, a perennial legume species native to temperate grasslands with high tolerance to environmental stress. These genes were divided into eight classes based on their conserved domains, phylogenetic tree and gene structure, with the tau class being the most numerous. Duplication analysis revealed that GST family in M. ruthenica was expanded by segmental and tandem duplication. Several drought-responsive MruGSTs were identified by transcriptomic analyses. Of them, expression of MruGSTU39 was up-regulated much more in a tolerant accession by drought stress. Transformation of MruGSTU39 in M. ruthenica and alfalfa (Medicago sativa) enhanced growth and survival of transgenic seedlings than their wild-type counterparts under drought. We demonstrated that MruGSTU39 can detoxify ROS to reduce its damage to membrane by up-regulating activities of GST and glutathione peroxidase. Our findings provide full-scale knowledge on GST family in the wild legume M. ruthenica with high tolerance to drought, and highlight improvement tolerance of legume forages to drought using genomic information of M. ruthenica.
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