The fruits of various pepper cultivars are characterized by a different color, which is determined by the pigment ratio; carotenoids dominate in ripe fruits, while chlorophylls, in immature fruits. A key regulator of carotenoid biosynthesis is the phytoene synthase encoded by the PSY gene. The Capsicum annuum genome contains two isoforms of this enzyme, localized in leaf (PSY2) and fruit (PSY1) plastids. In this work, the complete PSY1 and PSY2 genes were identified in nine C. annuum cultivars, which differ in ripe fruit color. PSY1 and PSY2 sequence variability was 2.43 % (69 SNPs) and 1.21 % (36 SNPs). The most variable were PSY1 proteins of the cultivars 'Maria' (red-fruited) and 'Sladkij shokolad' (red-brown-fruited). All identified PSY1 and PSY2 homologs contained the phytoene synthase domain HH-IPPS and the transit peptide. In the PSY1 and PSY2 HH-IPPS domains, functionally significant sites were determined. For all accessions studied, the active sites (YAKTF and RAYV), aspartate-rich substrate-Mg2+-binding sites (DELVD and DVGED), and other functional residues were shown to be conserved. Transit peptides were more variable, and their similarity in the PSY1 and PSY2 proteins did not exceed 78.68 %. According to the biochemical data obtained, the largest amounts of chlorophylls and carotenoids across the cultivars studied were detected in immature and ripe fruits of the cv. 'Sladkij shokolad' and 'Shokoladnyj'. Also, ripe fruits of the cv. 'Nesozrevayuschij' (green-fruited) were marked by significant chlorophyll content, but a minimum of carotenoids. The PSY1 and PSY2 expression patterns were determined in the fruit pericarp at three ripening stages in 'Zheltyj buket', 'Sladkij shokolad', 'Karmin' and 'Nesozrevayuschij', which have different ripe fruit colors: yellow, red-brown, dark red and green, respectively. In the leaves of the cultivars studied, PSY1 expression levels varied significantly. All cultivars were characterized by increased PSY1 transcription as the fruit ripened; the maximum transcription level was found in the ripe fruit of 'Sladkij shokolad', and the lowest, in 'Nesozrevayuschij'. PSY2 transcripts were detected not only in the leaves and immature fruits, but also in ripe fruits. Assessment of a possible correlation of PSY1 and PSY2 transcription with carotenoid and chlorophyll content revealed a direct relationship between PSY1 expression level and carotenoid pigmentation during fruit ripening. It has been suggested that the absence of a typical pericarp pigmentation pattern in 'Nesozrevayuschij' may be associated with impaired chromoplast formation.
Плоды сортов перца характеризуются различной окраской, которая определяется соотноше- нием пигментов, при этом в спелых плодах доминируют каротиноиды, тогда как в неспелых – хлорофиллы (иногда вместе с антоцианами). Ключевым регулятором биосинтеза каротиноидов является фитоинсинта- за, кодируемая геном PSY. Геном перца Capsicum annuum содержит два гена, кодирующих фитоинсинта- зы, одна из которых локализуется преимущественно в пластидах листа (PSY2), другая – в пластидах пло- да (PSY1). В данной работе были идентифицированы полногеномные последовательности PSY1 и PSY2 у девяти сортов C. annuum, различающихся окраской спелого плода. Вариабельность последовательностей составила 2.43 % (69 SNP) и 1.21 % (36 SNP). Наиболее вариабельны белки PSY1 сортов Мария (красный плод) и Сладкий шоколад (красно-коричневый плод). В последовательностях PSY1 и PSY2 определены фитоинсинтазный домен HH-IPPS и транзитный пептид. Идентифицированы функционально значимые участки в домене HH-IPPS PSY1 и PSY2 анализируемой выборки сортов перца. Для исследуемых образцов области, ограничивающие активные сайты (YAKTF и RAYV), аспартат-богатые субстрат-Mg2+-связывающие сайты (DELVD и DVGED) и другие функциональные сайты, консервативны. Транзитные пептиды были более вариабельны, их сходство у белков PSY1 и PSY2 не превышало 78.68 %. Биохимический анализ показал, что наибольшие количества хлорофиллов и каротиноидов среди исследуемой выборки содержатся в не- спелых и спелых плодах сортов Сладкий шоколад и Шоколадный. Значительным содержанием хлорофил- лов, но минимальным – каротиноидов отличались спелые плоды сорта Несозревающий (зеленый плод). Профиль экспрессии генов PSY1 и PSY2 был определен в перикарпе плода на трех стадиях созревания у сортов Желтый букет, Сладкий шоколад, Кармин и Несозревающий, контрастных по окраске спелого пло- да – желтой, коричневой, темно-красной и зеленой соответственно. В листьях исследуемых сортов уровни экспрессии PSY1 значительно варьировали. Для всех сортов был характерен рост транскрипции гена PSY1 по мере созревания плода, при этом в зрелом плоде максимальный уровень транскрипции выявлен у сорта Сладкий шоколад, а самый низкий – у сорта Несозревающий. Транскрипты PSY2 были выявлены не только в листе и незрелом плоде, но и в спелых плодах. Оценка возможной корреляции транскрипции PSY1 и PSY2 с суммарным содержанием каротиноидов и хлорофиллов показала, что имеется прямая зависимость между уровнем экспрессии гена PSY1 и каротиноидной пигментацией плода в процессе созревания. Высказано предположение, что у сорта Несозревающий отсутствие типичного для плодов перца паттерна пигмента- ции перикарпа в процессе созревания может быть связано с нарушениями образования хромопластов.
Keywords: Capsicum annuum; carotenogenesis; fruit pigmentation; fruit ripening; pepper fruits.
Copyright © AUTHORS.