Allele and isozyme patterns of UDP-glucose pyrophosphorylase as a marker for cold-sweetening resistance in potatoes

Abstract

Uridine-5-’diphosphoglucose pyrophosphorylase (UTP α-D-glucose-l-phosphate uridylyltransferase, E.C. 2.7.7.9) (UGPase) was cloned from 16 potato cultivars(Solanum tuberosum L.) that differed in their ability to accumulate reducing sugars in cold storage (3 C) using RT-PCR. Two UGPase-alleles designatedas UgpA (minus a BamHl site) and UgpB (containing oneBamHl site), were present in most cultivars. Cultivars that were cold-resistant (CR) to sweetening demonstrated an UgpA:UgpB ratio favoring the UgpA allele (4:0 or 3:1), while cultivars that were cold-sensitive (CS) exhibited a predominance for the UgpB allele (1:3 or 0:4). Following cold-storage at 3 C for two months, the CR and CS clones accumulated 10.3 ± 2.1 and 31.2 ± 2.2 umol glucose/g FW, respectively. The glucose content and chip color between the CR and CS clones were significantly different at the 99% level of confidence. Staining for UGPase activity in nondenaturing polyacrylamide gels of proteins extracted from CS potatoes revealed up to three acidic isozymes of UGPase (i.e., UGP1, UGP2, UGP3) with UGP3 being the most abundant. Activity staining using CR cultivars demonstrated two additional isozymes of UGPase with greater electrophoretic mobility (more basic in charge) which were designated UGP4 and UGP5. The potential for using UGPase allelic ratios and/or UGPase isozymic patterns as a selective tool to screen segregating progeny in a potato breeding program for cold-sweetening-resistant germplasm is discussed.

Resumen

El Uridin-5-difosfoglucosa pirofosforilasa (UTP a-D-glucosa-1-fosfato uridililtransferasa, E.C. 2.7.7.9) (UGPasa) proveniente de dieciseis cultivares de papa (Solanum tuberosum L.) que difieren en su habilidad para acumular azúcares reductores en almacenamiento refrigerado (3C) fue clonado usando RT-PCR.Dos alelos de UGPasa, designados como UgpA (menos un sitio BamH1) y UgpB (conteniendo un sitio BamH1), estuvieron presentes en la mayoría de los cultivares. Los cultivares que fueron resistentes al endulzamiento en frío (RF), demostraron una relatión UgpA:UgpB que favoreció al alelo UgpA (4:0 or 3:1), mientras que los cultivares sensibles al frío (SF) mostraron predominancia del alelo UgpB (1:3 or 0:4). Luego de un período de almacenamiento refrigerado a 3C por dos meses, los clones RF y SF acumularon 10.3 ± 2.1 y 31.2 ± 2.2 umol de glucosa/g de peso fresco, respectivamente. El contenido de glucosa y el color de las hojuelas entre los clones RF y SF fueron significativamente diferentes al 99% de confianza. La tinción para determinar la actividad de UGPasa en gels no alterados de poliacrilamida de proteína extraída de papas SF, reveló la presencia de hasta tres isoenzimas ácidas de UGPasa (p.e., UGP1, UGP2, UGP3), siendo la UGP3 la más abundante. La tinciín para actividad usando cultivares RF mostrí dos isoenzimas adicionales de UGPasa con una gran movilidad electroforética (más básica en carga), las que fueron designadas UGP4 y UGP5. Se discute el uso potencial de las relaciones alélicas de UGPasa y/o los patrones de isoenzimas de UGPasa como una herramienta selectiva para tamizar progenies segregantes en un programa de mejoramiento de papa para resistencia al endulzamiento en frío.