Модель метаболізму цитокінінів у пшениці (Triticum aestivum L.) та визначення мішеней для фармакологічної модуляції CKX з метою підвищення зернової продуктивності та стресостійкості

  • С. Г. Хаблак Інститут харчової біотехнології та геноміки НАН України, Україна, 04123, м. Київ, вул. Байди-Вишневецького, 2А https://orcid.org/0000-0003-4027-317X
  • В. М. Спичак Інститут харчової біотехнології та геноміки НАН України, Україна, 04123, м. Київ, вул. Байди-Вишневецького, 2А https://orcid.org/0009-0001-3734-5606
  • Я. А. Абдуллаєва ТОВ «РОЗКОМ», Україна, 08298, смт Коцюбинське, вул. Пономарьова, 17 https://orcid.org/0009-0009-3996-5794
DOI: https://doi.org/10.7124/FEEO.v38.1818
Ключові слова: цитокінін оксидаза, TaCKX, пшениця, CKX

Анотація

Мета. Побудувати модель метаболізму цитокінінів у Triticum aestivum L. з визначенням ключових точок фармакологічного впливу та обґрунтуванням підвищення продуктивності й стресостійкості через інгібування ферментів родини CKX. Методи. Системний аналіз літературних джерел, метааналіз ефективності інгібіторів, концептуальне моделювання мережі, молекулярний докінг (AutoDock Vina 1.2) інгібіторів F-INCYDE та INCYDE до структури AtCKX2 (PDB : 1W5O), аналіз фаз застосування за шкалою BBCH. Результати. Побудовано модель метаболізму цитокінінів, що включає біосинтез, транспорт / рецепцію і деградацію. Визначено чотири ключові точки впливу. Встановлено, що гени TaCKX представлені множиною функціональних членів із тканинною специфікою. F-INCYDE демонструє вищу спорідненість до AtCKX2 (ΔG = –8,4 ккал/моль) порівняно з INCYDE (ΔG = –7,9 ккал/моль). Ідентифіковано ZOGT як паралельну мішень, що пояснює обмежену ефективність INCYDE. Визначено оптимальні фази застосування (BBCH 31–39, 55–65, 71–77). Висновки. Подвійне інгібування CKX+ZOGT є перспективною стратегією регуляції цитокінінового гомеостазу у пшениці та потребує подальшої експериментальної верифікації.

Посилання

Ashikari M., Sakakibara H., Lin S., Yamamoto T., Takashi T., Nishimura A., Angeles E. R., Qian Q., Kitano H., Matsuoka M. Cytokinin oxidase regulates rice grain production. Science. 2005. Vol. 309 (5735). P. 741–745. https://doi.org/10.1126/science.1113373.

Chen L., Zhao J., Song J., Jameson P. E. Cytokinin dehydrogenase: a genetic target for yield improvement in wheat. Plant Biotechnology Journal. 2020. Vol. 18 (3). P. 614–630. https://doi.org/10.1111/pbi.13305.

Cortleven A., Leuendorf J. E., Frank M., Pezzetta D., Bolt S., Schmülling Th. Cytokinin action in response to abiotic and biotic stresses in plants. Plant Cell Environment. 2019. Vol. 42 (3). P. 998–1018. https://doi.org/10.1111/pce.13494.

Eberhardt J., Santos-Martins D., Tillack A. F., Forli S. AutoDock Vina 1.2.0: New Docking Methods, Expanded Force Field, and Python Bindings. Journal of Chemical Information and Modeling. 2021. Vol. 61 (8). P. 3891–3898. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.1c00203.

FAO. World Food and Agriculture – Statistical Yearbook 2023. Rome : FAO, 2023. 368 p. https://doi.org/10.4060/cc8166en.

Jablonski B., Ogonowska H., Szala K., Bajguz A., Orczyk W., Nadolska-Orczyk A. Silencing of TaCKX1 mediates expression of other TaCKX genes to increase yield parameters in wheat. International Journal of Molecular Sciences. 2020. Vol. 21 (13). P. 4809. https://doi.org/10.3390/ijms21134809.

Jameson P. E., Song J. Cytokinin: a key driver of seed yield. Journal of Experimental Botany. 2016. Vol. 67 (3). P. 593–606. https://doi.org/10.1093/jxb/erv461.

Jameson P. E., Song J. Field application of cytokinin oxidase inhibitors failed to enhance grain yield in wheat and barley. Plants (Basel). 2021. Vol. 10 (11). P. 2309. https://doi.org/10.3390/plants10112309.

Khablak S. H., Bondareva L. M., Dolia M. M., Spychak V. M., Lykholat T. Y., Sklyar T. V., Lykholat Y. V. Integrative model of plant immunity to pathogens and stresses: A multilevel signal-metabolic network. Regulatory Mechanisms in Biosystems. 2025. Vol. 16 (4). e25175. https://doi.org/10.15421/0225175.

Khablak S. H., Spivak S. I., Pastukhova N. L., Yemets A. I., Blume Yа. B. Cytokinin Oxidase/Dehydrogenase as an Important Target for Increasing Plant Productivity. Cytology and genetics. 2024. Vol. 58. P. 115–125. https://doi.org/10.3103/S0095452724020051.

Kieber J. J., Schaller G. E. Cytokinin signaling in plant development. Development. 2018. Vol. 145 (4). P. dev149344. https://doi.org/10.1242/dev.149344.

Ogonowska H., Barchacka K., Gasparis S., Jablonski B., Orczyk W., Dmochowska-Boguta M., Nadolska-Orczyk A. Specificity of expression of TaCKX family genes in developing plants of wheat and their co-operation within and among organs. PLoS ONE. 2019. Vol. 14 (4). P. e0214239. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0214239.

Qian Q., Hu W., Bi Z., Li L., Wang K., Zhang X., Min D. The cytokinin oxidase/dehydrogenase TaCKX11-D positively regulates grain size in wheat. Journal of Experimental Botany. 2025. Vol. 76 (22). P. 6758–6775. https://doi.org/10.1093/jxb/eraf196.

Shoaib M., Yang W., Shan Q., Sun L., Wang D., Sajjad M., Li X., Sun J., Liu D., Zhan K., Zhang A. TaCKX gene family, at large, is associated with thousand-grain weight and plant height in common wheat. Theoretical and Applied Genetics. 2020. Vol. 133 (11). P. 3151–3163. https://doi.org/10.1007/s00122-020-03661-6.

Slafer G. A., Foulkes M. J., Reynolds M. P., Murchie E. H., Carmo-Silva E., Flavell R., Gwyn J., Sawkins M., Griffiths S. A “wiring diagram” for sink strength traits impacting wheat yield potential. Journal of Experimental Botany. 2023. Vol. 74 (1). P. 40–71. https://doi.org/10.1093/jxb/erac410.