Published May 1, 2024 | Version v1
Publication Metadata-only

Transcriptomics and starch biosynthesis analysis in leaves and developing seeds of mung bean provide a basis for genetic engineering of starch composition and seed quality

Creators

  • 1. Suranaree University of Technology

Description

Mung bean starch is distinguished by its exceptional high amylose content and regulation of starch biosynthesis in leaves and storage tissues, such as seeds, share considerable similarities. Genetic engineering of starch composition and content, requires detailed knowledge of starch biosynthetic gene expression and enzymatic regulation. In this study we applied detailed transcriptomic analyses to unravel the global differential gene expression patterns in mung bean leaves and in seeds during various stages of development. The objective was to identify candidate genes and regulatory mechanisms that may enable generation of desirable seed qualities through the use of genetic engineering. Notable differences in gene expression, in particular low expression of the Protein Targeting to Starch (PTST), starch synthase (SS) 3, and starch branching enzyme1 (SBE1) encoding genes in developing seeds as compared to leaves were evident. These differences were related to starch molecular structures and granule morphologies. Specifically, the starch molecular size distribution at different stages of seed development correlated with the starch biosynthesis gene expression of the SBE1, SS1, granule-bound starch synthases (GBSS) and isoamylase 1 (ISA1) encoding genes. Furthermore, putative hormonal and redox controlled regulation were observed, which may be explained by abscisic acid (ABA) and indole-3-acetic acid (IAA) induced signal transduction, and redox regulation of ferredoxins and thioredoxins, respectively. The morphology of starch granules in leaves and developing seeds were clearly distinguishable and could be correlated to differential expression of SS1. Here, we present a first comprehensive transcriptomic dataset of developing mung bean seeds, and combined these findings may enable generation of genetic engineering strategies of for example starch biosynthetic genes for increasing starch levels in seeds and constitute a valuable toolkit for improving mung bean seed quality.

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

Translated Description (Arabic)

يتميز نشا فاصوليا المونغ بمحتواه العالي الاستثنائي من الأميلوز وتنظيم التخليق الحيوي للنشا في الأوراق وأنسجة التخزين، مثل البذور، تشترك في أوجه تشابه كبيرة. تتطلب الهندسة الوراثية لتكوين النشا ومحتواه معرفة مفصلة بالتعبير الجيني الحيوي للنشا والتنظيم الأنزيمي. طبقنا في هذه الدراسة تحليلات تفصيلية للنسخ لكشف أنماط التعبير الجيني التفاضلي العالمي في أوراق الفاصوليا المونغية وفي البذور خلال مراحل مختلفة من التطور. كان الهدف هو تحديد الجينات المرشحة والآليات التنظيمية التي قد تمكن من توليد صفات البذور المرغوبة من خلال استخدام الهندسة الوراثية. كانت الاختلافات الملحوظة في التعبير الجيني، ولا سيما التعبير المنخفض عن استهداف البروتين للنشا (PTST)، وسنثاز النشا (SS) 3، وجينات ترميز إنزيم النشا المتفرع 1 (SBE 1) في تطوير البذور مقارنة بالأوراق واضحة. كانت هذه الاختلافات مرتبطة بالبنى الجزيئية للنشا ومورفولوجيا الحبيبات. على وجه التحديد، يرتبط توزيع الحجم الجزيئي للنشا في مراحل مختلفة من تطور البذور بالتعبير الجيني للتخليق الحيوي للنشا لجينات ترميز SBE1 و SS1 وجينات تخليق النشا المرتبط بالحبيبات (GBSS) و isoamylase 1 (ISA1). علاوة على ذلك، لوحظ التنظيم المفترض للهرمونات والاختزال، والذي يمكن تفسيره عن طريق نقل الإشارة المستحث بحمض الأبسيسيك (ABA) وحمض الإندول 3 - الأسيتيك (IAA)، وتنظيم الأكسدة الاختزالية للسموم الحديدية والثيوديوكسينات، على التوالي. كان من الواضح أن مورفولوجيا حبيبات النشا في الأوراق والبذور النامية يمكن تمييزها ويمكن ربطها بالتعبير التفاضلي لـ SS1. هنا، نقدم أول مجموعة بيانات شاملة نصية لتطوير بذور فاصوليا المونغ، وقد تمكن هذه النتائج مجتمعة من توليد استراتيجيات الهندسة الوراثية لجينات التخليق الحيوي للنشا على سبيل المثال لزيادة مستويات النشا في البذور وتشكل مجموعة أدوات قيمة لتحسين جودة بذور فاصوليا المونغ.

Translated Description (French)

L'amidon de haricot mungo se distingue par sa teneur élevée exceptionnelle en amylose et la régulation de la biosynthèse de l'amidon dans les feuilles et les tissus de stockage, tels que les graines, partagent des similitudes considérables. Le génie génétique de la composition et du contenu de l'amidon nécessite une connaissance détaillée de l'expression des gènes biosynthétiques de l'amidon et de la régulation enzymatique. Dans cette étude, nous avons appliqué des analyses transcriptomiques détaillées pour démêler les modèles d'expression génique différentielle globale dans les feuilles de haricot mungo et dans les graines à divers stades de développement. L'objectif était d'identifier les gènes candidats et les mécanismes de régulation susceptibles de permettre la génération de qualités de semences souhaitables grâce à l'utilisation du génie génétique. Des différences notables dans l'expression des gènes, en particulier une faible expression des gènes codant pour la protéine ciblant l'amidon (PTST), l'amidon synthase (SS) 3 et l'enzyme de ramification de l'amidon 1 (SBE1) dans les graines en développement par rapport aux feuilles, étaient évidentes. Ces différences étaient liées aux structures moléculaires de l'amidon et à la morphologie des granules. Plus précisément, la distribution de la taille moléculaire de l'amidon à différents stades du développement des graines était corrélée à l'expression du gène de biosynthèse de l'amidon des gènes codant SBE1, SS1, des synthases d'amidon liées aux granules (GBSS) et de l'isoamylase 1 (ISA1). En outre, une régulation hormonale et redox contrôlée putative a été observée, ce qui peut s'expliquer par la transduction du signal induite par l'acide abscissique (ABA) et l'acide indole-3-acétique (IAA), et la régulation redox des ferrédoxines et des thiorédoxines, respectivement. La morphologie des granules d'amidon dans les feuilles et les graines en développement était clairement distinguable et pouvait être corrélée à l'expression différentielle de SS1. Ici, nous présentons un premier ensemble complet de données transcriptomiques sur le développement de graines de haricot mungo, et la combinaison de ces résultats peut permettre la génération de stratégies de génie génétique, par exemple des gènes biosynthétiques d'amidon pour augmenter les niveaux d'amidon dans les graines et constituer une boîte à outils précieuse pour améliorer la qualité des graines de haricot mungo.

Translated Description (Spanish)

El almidón de frijol mungo se distingue por su excepcional alto contenido de amilosa y la regulación de la biosíntesis del almidón en hojas y tejidos de almacenamiento, como las semillas, comparten considerables similitudes. La ingeniería genética de la composición y el contenido del almidón requiere un conocimiento detallado de la expresión génica biosintética del almidón y la regulación enzimática. En este estudio aplicamos análisis transcriptómicos detallados para desentrañar los patrones globales de expresión génica diferencial en hojas de frijol mungo y en semillas durante varias etapas de desarrollo. El objetivo era identificar genes candidatos y mecanismos reguladores que puedan permitir la generación de cualidades de semillas deseables mediante el uso de ingeniería genética. Fueron evidentes diferencias notables en la expresión génica, en particular la baja expresión de los genes que codifican la proteína dirigida al almidón (PTST), la almidón sintasa (SS) 3 y la enzima de ramificación del almidón 1 (SBE1) en semillas en desarrollo en comparación con las hojas. Estas diferencias estaban relacionadas con las estructuras moleculares del almidón y las morfologías de los gránulos. Específicamente, la distribución del tamaño molecular del almidón en diferentes etapas del desarrollo de la semilla se correlacionó con la expresión génica de la biosíntesis del almidón de los genes que codifican SBE1, SS1, almidón sintasas unidas a gránulos (GBSS) e isoamilasa 1 (ISA1). Además, se observó una supuesta regulación hormonal y controlada redox, que puede explicarse por la transducción de señales inducida por ácido abscísico (ABA) y ácido indol-3-acético (IAA), y la regulación redox de ferredoxinas y tiorredoxinas, respectivamente. La morfología de los gránulos de almidón en las hojas y las semillas en desarrollo era claramente distinguible y podía correlacionarse con la expresión diferencial de SS1. Aquí, presentamos un primer conjunto de datos transcriptómicos exhaustivos del desarrollo de semillas de frijol mungo, y estos hallazgos combinados pueden permitir la generación de estrategias de ingeniería genética de, por ejemplo, genes biosintéticos de almidón para aumentar los niveles de almidón en las semillas y constituyen un valioso conjunto de herramientas para mejorar la calidad de las semillas de frijol mungo.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يوفر علم النسخ وتحليل التخليق الحيوي للنشا في الأوراق وتطوير بذور حبوب مونج أساسًا للهندسة الوراثية لتكوين النشا وجودة البذور
Translated title (French)
La transcriptomique et l'analyse de la biosynthèse de l'amidon dans les feuilles et les graines en développement du haricot mungo fournissent une base pour le génie génétique de la composition de l'amidon et de la qualité des graines
Translated title (Spanish)
La transcriptómica y el análisis de la biosíntesis del almidón en las hojas y el desarrollo de semillas de frijol mungo proporcionan una base para la ingeniería genética de la composición del almidón y la calidad de las semillas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4396557737
DOI
10.3389/fpls.2024.1332150

Is supplement to
https://openalex.org/W3168439516 (Other)
https://openalex.org/W3041767846 (Other)
https://openalex.org/W3006229920 (Other)
https://openalex.org/W2923029293 (Other)
https://openalex.org/W2365545960 (Other)
https://openalex.org/W2348358097 (Other)
https://openalex.org/W2104236934 (Other)
https://openalex.org/W2064397559 (Other)
https://openalex.org/W2035292795 (Other)
https://openalex.org/W2021905344 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1491542345
  • https://openalex.org/W1656419014
  • https://openalex.org/W175974751
  • https://openalex.org/W1964184380
  • https://openalex.org/W1965742525
  • https://openalex.org/W1969360822
  • https://openalex.org/W1973130962
  • https://openalex.org/W1973649347
  • https://openalex.org/W1990878840
  • https://openalex.org/W1996695770
  • https://openalex.org/W2009563703
  • https://openalex.org/W2011772721
  • https://openalex.org/W2018233263
  • https://openalex.org/W2022937517
  • https://openalex.org/W2023848934
  • https://openalex.org/W2028558767
  • https://openalex.org/W2035618305
  • https://openalex.org/W2036897871
  • https://openalex.org/W2042079187
  • https://openalex.org/W2052634837
  • https://openalex.org/W2062748396
  • https://openalex.org/W2064592358
  • https://openalex.org/W2078400495
  • https://openalex.org/W2088548504
  • https://openalex.org/W2097385244
  • https://openalex.org/W2101250936
  • https://openalex.org/W2103441770
  • https://openalex.org/W2107277218
  • https://openalex.org/W2107411158
  • https://openalex.org/W2107847305
  • https://openalex.org/W2108313611
  • https://openalex.org/W2109371106
  • https://openalex.org/W2122799947
  • https://openalex.org/W2128799561
  • https://openalex.org/W2132626957
  • https://openalex.org/W2148158824
  • https://openalex.org/W2149286152
  • https://openalex.org/W2150368587
  • https://openalex.org/W2150541810
  • https://openalex.org/W2153094520
  • https://openalex.org/W2171781018
  • https://openalex.org/W2207650453
  • https://openalex.org/W2243321262
  • https://openalex.org/W2326515484
  • https://openalex.org/W2480807373
  • https://openalex.org/W2500280102
  • https://openalex.org/W2551568640
  • https://openalex.org/W2736247661
  • https://openalex.org/W2773012716
  • https://openalex.org/W2889587811
  • https://openalex.org/W2951467835
  • https://openalex.org/W2971748119
  • https://openalex.org/W2996520342
  • https://openalex.org/W30246441
  • https://openalex.org/W3042218407
  • https://openalex.org/W3047645284
  • https://openalex.org/W3092587032
  • https://openalex.org/W3132152183
  • https://openalex.org/W3133995804
  • https://openalex.org/W3148417660
  • https://openalex.org/W3160106308
  • https://openalex.org/W3195827671
  • https://openalex.org/W3200880319
  • https://openalex.org/W4220677909
  • https://openalex.org/W4232191082
  • https://openalex.org/W4235203089
  • https://openalex.org/W4253662670
  • https://openalex.org/W4377944070
  • https://openalex.org/W4389224147