Published October 6, 2020 | Version v1
Publication Open

Comprehensive analysis of AGPase genes uncovers their potential roles in starch biosynthesis in lotus seed

Creators

  • 1. Wuhan Botanical Garden
  • 2. Chinese Academy of Sciences
  • 3. Hubei Engineering University
  • 4. University of Chinese Academy of Sciences

Description

Abstract Background Starch in the lotus seed contains a high proportion of amylose, which endows lotus seed a promising property in the development of hypoglycemic and low-glycemic index functional food. Currently, improving starch content is one of the major goals for seed-lotus breeding. ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase) plays an essential role in regulating starch biosynthesis in plants, but little is known about its characterization in lotus. Results We describe the nutritional compositions of lotus seed among 30 varieties with starch as a major component. Comparative transcriptome analysis showed that AGPase genes were differentially expressed in two varieties (CA and JX) with significant different starch content. Seven putative AGPase genes were identified in the lotus genome ( Nelumbo nucifera Gaertn.), which could be grouped into two subfamilies. Selective pressure analysis indicated that purifying selection acted as a vital force in the evolution of AGPase genes. Expression analysis revealed that lotus AGPase genes have varying expression patterns, with NnAGPL2a and NnAGPS1a as the most predominantly expressed, especially in seed and rhizome. NnAGPL2a and NnAGPS1a were co-expressed with a number of starch and sucrose metabolism pathway related genes, and their expressions were accompanied by increased AGPase activity and starch content in lotus seed. Conclusions Seven AGPase genes were characterized in lotus, with NnAGPL2a and NnAGPS1a , as the key genes involved in starch biosynthesis in lotus seed. These results considerably extend our understanding on lotus AGPase genes and provide theoretical basis for breeding new lotus varieties with high-starch content.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يحتوي النشا في بذور اللوتس على نسبة عالية من الأميلوز، مما يمنح بذور اللوتس خاصية واعدة في تطوير الغذاء الوظيفي لنقص السكر في الدم وانخفاض نسبة السكر في الدم. في الوقت الحالي، يعد تحسين محتوى النشا أحد الأهداف الرئيسية لتربية بذور اللوتس. يلعب بيروفوسفوريلاز الجلوكوز ADP (AGPase) دورًا أساسيًا في تنظيم التخليق الحيوي للنشا في النباتات، ولكن لا يُعرف سوى القليل عن توصيفه في اللوتس. النتائج نحن نصف التركيبات الغذائية لبذور اللوتس من بين 30 نوعًا مع النشا كمكون رئيسي. أظهر تحليل النسخ المقارن أن جينات AGPase تم التعبير عنها بشكل مختلف في نوعين (CA و JX) مع محتوى نشا مختلف بشكل كبير. تم تحديد سبعة جينات AGPase مفترضة في جينوم اللوتس ( Nelumbo nucifera Gaertn.)، والتي يمكن تجميعها في فصيلتين فرعيتين. أشار تحليل الضغط الانتقائي إلى أن اختيار التنقية كان بمثابة قوة حيوية في تطور جينات AGPase. كشف تحليل التعبير أن جينات اللوتس AGPase لها أنماط تعبير مختلفة، مع NnAGPL2a و NnAGPS1a باعتبارها الأكثر تعبيرًا في الغالب، خاصة في البذور والجذور. تم التعبير عن NnAGPL2a و NnAGPS1a بشكل مشترك مع عدد من الجينات المرتبطة بمسار استقلاب النشا والسكروز، وكانت تعبيراتها مصحوبة بزيادة نشاط AGPase ومحتوى النشا في بذور اللوتس. الاستنتاجات تم وصف سبعة جينات AGPase في اللوتس، مع NnAGPL2a و NnAGPS1a ، باعتبارها الجينات الرئيسية المشاركة في التخليق الحيوي للنشا في بذور اللوتس. تعمل هذه النتائج على توسيع فهمنا لجينات اللوتس AGPase بشكل كبير وتوفر أساسًا نظريًا لتربية أصناف اللوتس الجديدة ذات المحتوى العالي من النشا.

Translated Description (French)

Résumé Contexte L'amidon de la graine de lotus contient une forte proportion d'amylose, ce qui confère à la graine de lotus une propriété prometteuse dans le développement d'aliments fonctionnels hypoglycémiques et à faible indice glycémique. Actuellement, l'amélioration de la teneur en amidon est l'un des principaux objectifs de la sélection du lotus de semences. L'ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase) joue un rôle essentiel dans la régulation de la biosynthèse de l'amidon chez les plantes, mais on sait peu de choses sur sa caractérisation chez le lotus. Résultats Nous décrivons les compositions nutritionnelles des graines de lotus parmi 30 variétés dont l'amidon est un composant majeur. L'analyse comparative du transcriptome a montré que les gènes AGPase étaient exprimés différemment dans deux variétés (CA et JX) avec une teneur en amidon significativement différente. Sept gènes présumés de l'AGPase ont été identifiés dans le génome du lotus ( Nelumbo nucifera Gaertn.), qui pourraient être regroupés en deux sous-familles. L'analyse sélective de la pression a indiqué que la sélection purifiante agissait comme une force vitale dans l'évolution des gènes de l'AGPase. L'analyse de l'expression a révélé que les gènes de l'AGPase du lotus ont des modèles d'expression variables, NnAGPL2a et NnAGPS1a étant les plus exprimés, en particulier dans les graines et les rhizomes. NnAGPL2a et NnAGPS1a ont été co-exprimés avec un certain nombre de gènes liés à l'amidon et à la voie du métabolisme du saccharose, et leurs expressions ont été accompagnées d'une augmentation de l'activité de l'AGPase et de la teneur en amidon dans les graines de lotus. Conclusions Sept gènes AGPase ont été caractérisés dans le lotus, avec NnAGPL2a et NnAGPS1a, comme gènes clés impliqués dans la biosynthèse de l'amidon dans les graines de lotus. Ces résultats élargissent considérablement notre compréhension des gènes de l'AGPase du lotus et fournissent une base théorique pour la sélection de nouvelles variétés de lotus à haute teneur en amidon.

Translated Description (Spanish)

Resumen Antecedentes El almidón en la semilla de loto contiene una alta proporción de amilosa, que dota a la semilla de loto de una propiedad prometedora en el desarrollo de alimentos funcionales hipoglucémicos y de bajo índice glucémico. Actualmente, mejorar el contenido de almidón es uno de los principales objetivos para el cultivo de semillas de loto. La ADP-glucosa pirofosforilasa (AGPasa) desempeña un papel esencial en la regulación de la biosíntesis del almidón en las plantas, pero se sabe poco sobre su caracterización en el loto. Resultados Describimos las composiciones nutricionales de la semilla de loto entre 30 variedades con almidón como componente principal. El análisis comparativo del transcriptoma mostró que los genes de AGPasa se expresaban diferencialmente en dos variedades (CA y JX) con un contenido de almidón significativamente diferente. Se identificaron siete supuestos genes AGPasa en el genoma del loto ( Nelumbo nucifera Gaertn.), que podrían agruparse en dos subfamilias. El análisis de presión selectiva indicó que la selección purificadora actuó como una fuerza vital en la evolución de los genes AGPasa. El análisis de expresión reveló que los genes de AGPasa de loto tienen patrones de expresión variables, con NnAGPL2a y NnAGPS1a como los más predominantemente expresados, especialmente en semillas y rizomas. NnAGPL2a y NnAGPS1a se coexpresaron con una serie de genes relacionados con la vía del metabolismo del almidón y la sacarosa, y sus expresiones estuvieron acompañadas por un aumento de la actividad AGPasa y el contenido de almidón en la semilla de loto. Conclusiones Siete genes AGPasa se caracterizaron en el loto, con NnAGPL2a y NnAGPS1a, como los genes clave involucrados en la biosíntesis del almidón en la semilla de loto. Estos resultados amplían considerablemente nuestra comprensión de los genes de AGPasa de loto y proporcionan una base teórica para el cultivo de nuevas variedades de loto con alto contenido de almidón.

Files

s12870-020-02666-z.pdf

Files (3.5 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:de74b8720c11c0efaa4ceda440a74332
3.5 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يكشف التحليل الشامل لجينات AGPase عن أدوارها المحتملة في التخليق الحيوي للنشا في بذور اللوتس
Translated title (French)
Une analyse complète des gènes AGPase révèle leurs rôles potentiels dans la biosynthèse de l'amidon dans les graines de lotus
Translated title (Spanish)
El análisis exhaustivo de los genes AGPasa revela sus posibles funciones en la biosíntesis del almidón en semillas de loto

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3091885053
DOI
10.1186/s12870-020-02666-z

Is supplement to
https://openalex.org/W615208977 (Other)
https://openalex.org/W4361000261 (Other)
https://openalex.org/W4292475619 (Other)
https://openalex.org/W3041767846 (Other)
https://openalex.org/W3006229920 (Other)
https://openalex.org/W2923029293 (Other)
https://openalex.org/W2391243233 (Other)
https://openalex.org/W2390692696 (Other)
https://openalex.org/W2370946942 (Other)
https://openalex.org/W2348358097 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1150675624
  • https://openalex.org/W1911328778
  • https://openalex.org/W1981699846
  • https://openalex.org/W1985047250
  • https://openalex.org/W2018233263
  • https://openalex.org/W2027847170
  • https://openalex.org/W2028572100
  • https://openalex.org/W2035908878
  • https://openalex.org/W2049779322
  • https://openalex.org/W2050049940
  • https://openalex.org/W2052096210
  • https://openalex.org/W2054614520
  • https://openalex.org/W2061768856
  • https://openalex.org/W2062800130
  • https://openalex.org/W2073883872
  • https://openalex.org/W2076069188
  • https://openalex.org/W2082092194
  • https://openalex.org/W2095065561
  • https://openalex.org/W2097076865
  • https://openalex.org/W2103205896
  • https://openalex.org/W2108046250
  • https://openalex.org/W2110335151
  • https://openalex.org/W2114874948
  • https://openalex.org/W2122737315
  • https://openalex.org/W2136250987
  • https://openalex.org/W2159562683
  • https://openalex.org/W2164094120
  • https://openalex.org/W2169533532
  • https://openalex.org/W2311203695
  • https://openalex.org/W2525728221
  • https://openalex.org/W2582280646
  • https://openalex.org/W2604286864
  • https://openalex.org/W2610404751
  • https://openalex.org/W2616042218
  • https://openalex.org/W2738937602
  • https://openalex.org/W2762593337
  • https://openalex.org/W2803740838
  • https://openalex.org/W2803871435
  • https://openalex.org/W2884757874
  • https://openalex.org/W2887762720
  • https://openalex.org/W2896492123
  • https://openalex.org/W2912738136
  • https://openalex.org/W2951620549
  • https://openalex.org/W2965027045
  • https://openalex.org/W2968501411
  • https://openalex.org/W2975435092
  • https://openalex.org/W2979851787
  • https://openalex.org/W2989604903
  • https://openalex.org/W2993533710
  • https://openalex.org/W2998756758
  • https://openalex.org/W3006880906
  • https://openalex.org/W3036319615
  • https://openalex.org/W4293247451