Investigation of competing endogenous RNA (ceRNA) network role in leaf growth regulation during maize (Zea mays) plant and pathogenic fungus Fusarium verticillioides interactions

Abstract

Mısır (Zea mays), dünya genelinde en çok tüketilen üçüncü tarım bitkisidir. Ancak fungal bir patojen olan Fusarium verticillioides, biyotik strese neden olarak mısır yaprak büyümesini azaltmaktadır. Hücre bölünmesi ve genişlemesi gibi süreçlerle meydana gelen yaprak büyümesi, genetik düzeyde karmaşık bir şekilde kontrol edilir. Giderek artan kanıtlar, bitki kodlamayan RNA'larının gen ekspresyonunun düzenlenmesinde kritik bir rol oynadığını vurgulamaktadır. Bu RNA türleri arasında, 200 nükleotitten uzun olan uzun kodlamayan RNA'lar (lncRNA'lar) ve 19–24 nükleotitten oluşan mikroRNA'lar (miRNA'lar) yer alır. Son çalışmalar, miRNA'lar, mRNA'lar ve lncRNA'lar arasındaki etkileşimleri içeren "rekabetçi endojen RNA (ceRNA) ağlarının" gen ekspresyonunun temel düzenleyicileri olduğunu öne sürmektedir. Bu bağlamda, bu araştırma F. verticillioides enfeksiyonunun mısır yaprak büyümesindeki ceRNA ağlarının düzenleyici rolünü incelemeye odaklanmıştır. Bu amaçla, dirençli (ADK310, R) ve hassas (ADK1188, S) mısır hatları toprak inokülasyonu yöntemi ile enfekte edilerek enfekte edilmeyen kontrol R ve S gruplarına kıyasla morfolojik, biyokimyasal ve transkripsiyonel düzeyde analiz edilmişlerdir. Sonuçlar, enfekte gruplarda yaprak uzunluğunun R grubunda %26, S grubunda %16 azaldığını; yaprak uzama oranının S grubunda %19 azaldığını ve olgun hücre uzunluğunun hem R hem de S gruplarında %9 oranında düştüğünü göstermiştir. Biyokimyasal analizler, büyüme bölgeleri (meristem, uzama ve olgun) arasında farklı antioksidan enzim aktiviteleri ortaya koymuştur. Çalışmada, askorbat peroksidaz (APX) aktivitesi özellikle RI grubunun meristem bölgesinde %314 oranında bir artış sergileyerek istatistiksel olarak önemli bir artışı ortaya koymuştur. Buna karşılık, glutatyon redüktaz (GR) aktivitesi RI grubunun uzama ve olgun bölgelerinde azalırken, aynı bölgelerde SI grubunda bir artış göstermiştir. Bu farklı tepkiler, antioksidan enzim aktivitesinin uygulama koşullarına bağlı olarak bölgeye özgü bir düzenlemeye tabi olduğunu göstermektedir. Süperoksit dismutaz aktivitesi ise R grubunun uzama bölgelerinde %49 oranında artış göstermiştir. Yaprak büyümesini düzenleyen miRNA'ların, özellikle miR319 ve miR396 ile ilişkili ceRNA'ların transkripsiyonel analizi, miR319'un SI grubunun meristem bölgesinde uzama ve olgun bölgelere göre sırasıyla 11 kat ve 7 kat daha fazla ifade edildiğini; RI grubunun meristeminde yukarı regüle edilirken, uzama ve olgun bölgelerinde aşağı regüle edildiğini göstermiştir. TCP38, SI grubunun uzama bölgesinde olgun bölgeye göre ifadesi 2 kat artmıştır. miR396, SI grubunun uzama ve olgun bölgelerinde meristem bölgesine göre sırasıyla 24 kat ve 17 kat daha fazla ifade edilmiştir. GRF15, RI grubunun meristem bölgesinde uzama ve olgun bölgelere göre sırasıyla 55 kat ve 26 kat daha fazla ifade edilmiştir. lnc319, enfekte grupların tüm bölgelerinde yukarı regüle edilirken, lnc89, R ve S gruplarının olgun bölgelerinde yukarı regüle edilmiştir. Bu çalışma, F. verticillioides enfeksiyonu altında mısır yaprak büyümesinin düzenlenmesinde ceRNA düzenleme ağlarının kritik rollerini vurgulayarak morfolojik değişimleri biyokimyasal ve moleküler tepkilerle ilişkilendirmektedir. Bu düzenleyici mekanizmaların anlaşılması, stres toleransı artırılmış mısır çeşitlerinin geliştirilmesine katkı sağlayacaktır.Maize (Zea mays) is the third most consumed crop plant globally. However, fungal pathogen Fusarium verticillioides causes biotic stress, leading to a reduction in maize leaf growth. Leaf growth, driven by processes such as cell division and expansion, is intricately controlled at the genetic level. Emerging evidence highlights the crucial role of plant non-coding RNAs (ncRNAs) in regulating gene expression. These ncRNAs includes long non-coding RNAs (lncRNAs, over 200 nucleotides) and microRNAs (miRNAs, 19–24 nucleotides). Recent studies propose that competing endogenous RNA networks, which involve interactions among miRNAs, mRNAs, and lncRNAs, are key regulators of gene expression. As such, this research aimed to evaluate the effects of F. verticillioides infection in maize leaf growth focusing the regulatory role of ceRNA networks. In this regards, tolerant (ADK310, R) and susceptible (ADK1188, S) maize lines were subjected to soil inoculation method and the infected (I) plants in RI and SI groups was observed at morphological, biochemical, physiological and transcriptional levels by comparatively to non-inoculated control (RC and SC) groups at six-leaf stage. Results showed that final length of six leaf(FLL6) decreased by 26% in RI and 16% in SI groups, elongation rate of six leaf (LER6) by 19% in SI groups and mature cell length of six leaf by 9% in the RI and 9% in the SI groups compared to the RC and the SC groups. Biochemical analysis showed varied antioxidant enzyme activities across growth zones of six leaf which are meristem, elongation and mature. As a result, ascorbate peroxidase (APX) activity exhibited a substantial increase of 314% specifically in meristem zone of the RI group compared to the RC group, highlighting a notable enhancement in antioxidant response. Glutathione reductase (GR) activity decreased in the elongation and mature zones of the RI groups, while demonstrating an increase in the corresponding zones of the SI groups when compared to the RC and the SC groups. This differential response suggests a zone-specific regulation of antioxidant enzyme activity influenced by infection. Superoxide dismutase (SOD) activity showed a 49% increase in the elongation zones of the RI groups compared to the RC group. Transcriptional analysis of leaf growth regulatory miRNAs, miR319 and miR396-related ceRNAs showed miR319 was expressed 11-fold and 7-fold more in the meristem zone of the SI group than in the elongation and mature zone of the SI group, correspondingly, and downregulated in the elongation and mature zones of the RI group compared to the meristem zone. TCP38 downregulated in the mature zone of the SI groups. miR396 expressed 24-fold and 17-fold more in the elongation and mature zones of the SI group than in the meristem zone, correspondingly, and was upregulation in the elongation and mature zones. GRF15 was expressed 55-fold and 26-fold more in meristem of RI group than in the elongation and mature zones, correspondingly, and upregulated in the meristem zone. Associated lncRNAs exhibited distinct expression patterns; lnc319 was upregulated in all growth zones of RI and SI groups, while lnc89 was upregulated in the mature zone of both R and S groups. This study highlights the critical roles of ceRNA networks in regulating maize leaf growth under F. verticillioides infection, linking morphological changes with biochemical and molecular responses. By understanding these regulatory mechanisms, this research contributes to developing maize varieties with improved stress tolerance against F. verticillioides infection.