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Kadouche D, Ducatez M, Cenci U, Tirtiaux C, Suzuki E, Nakamura Y, Putaux JL, Terrasson AD, Diaz-Troya S, Florencio FJ, Arias MC, Striebeck A, Palcic M, Ball SG, Colleoni C. Characterization of Function of the GlgA2 Glycogen/Starch Synthase in Cyanobacterium sp. Clg1 Highlights Convergent Evolution of Glycogen Metabolism into Starch Granule Aggregation. PLANT PHYSIOLOGY 2016; 171:1879-92. [PMID: 27208262 PMCID: PMC4936547 DOI: 10.1104/pp.16.00049] [Citation(s) in RCA: 8] [Impact Index Per Article: 1.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 03/24/2016] [Accepted: 05/13/2016] [Indexed: 05/06/2023]
Abstract
At variance with the starch-accumulating plants and most of the glycogen-accumulating cyanobacteria, Cyanobacterium sp. CLg1 synthesizes both glycogen and starch. We now report the selection of a starchless mutant of this cyanobacterium that retains wild-type amounts of glycogen. Unlike other mutants of this type found in plants and cyanobacteria, this mutant proved to be selectively defective for one of the two types of glycogen/starch synthase: GlgA2. This enzyme is phylogenetically related to the previously reported SSIII/SSIV starch synthase that is thought to be involved in starch granule seeding in plants. This suggests that, in addition to the selective polysaccharide debranching demonstrated to be responsible for starch rather than glycogen synthesis, the nature and properties of the elongation enzyme define a novel determinant of starch versus glycogen accumulation. We show that the phylogenies of GlgA2 and of 16S ribosomal RNA display significant congruence. This suggests that this enzyme evolved together with cyanobacteria when they diversified over 2 billion years ago. However, cyanobacteria can be ruled out as direct progenitors of the SSIII/SSIV ancestral gene found in Archaeplastida. Hence, both cyanobacteria and plants recruited similar enzymes independently to perform analogous tasks, further emphasizing the importance of convergent evolution in the appearance of starch from a preexisting glycogen metabolism network.
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Affiliation(s)
- Derifa Kadouche
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Mathieu Ducatez
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Ugo Cenci
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Catherine Tirtiaux
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Eiji Suzuki
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Yasunori Nakamura
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Jean-Luc Putaux
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Amandine Durand Terrasson
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Sandra Diaz-Troya
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Francisco Javier Florencio
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Maria Cecilia Arias
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Alexander Striebeck
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Monica Palcic
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Steven G Ball
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
| | - Christophe Colleoni
- Université Lille, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut National de la Recherche Agronomique, Unité Mixte de Recherche 8576, Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle, F-59000 Lille, France (D.K., M.D., U.C., C.T., M.C.A., S.G.B., C.C.);Department of Biological Production, Akita Prefectural University, Akita 010-0195 Japan (E.S., Y.N.);Centre de Recherches sur Les Macromolécules Végétales, Centre National de la Recherche Scientifique, Université Grenoble Alpes, F-38041 Grenoble cedex 9, France (J.-L.P., A.D.T.);Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis cic Cartuja, Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Universidad de Sevilla, 41092 Seville, Spain (S.D.-T., F.J.F.);Raw Materials Group, Carlsberg Laboratory, 1799 Copenhagen V, Denmark (A.S.); andDepartment of Biochemistry and Microbiology, University of Victoria, Victoria, British Columbia, Canada V8W 3P6 (M.P.)
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