Identification and Functional Characterization of Glutamate Decarboxylase (GAD) Genes in Potato (Solanum tuberosum L.) and Analysis of Their Expression under Drought and Salt Stress Conditions

Abstract

Gamma-aminobutyric acid (GABA) plays a critical role in plant stress responses and development by regulating osmotic balance, mitigating oxidative stress, and maintaining cellular homeostasis. Glutamate decarboxylase (GAD) is the first and key enzyme in the GABA biosynthesis pathway. In this study, three distinct GAD genes in potato—StGAD1, StGAD2, and StGAD3—were identified, each distributed on separate chromosomes, indicating non-redundant functional roles. Expression profiling revealed that StGAD1 is the primary stress-responsive gene, with significant upregulation in both roots and leaves under stress, promoting GABA accumulation to enhance water-use efficiency and reduce oxidative damage. Protein-protein interaction analysis highlights functional relationships among the GAD proteins, with StGAD1 and StGAD2 sharing significant homology. The findings suggest that GABA metabolism, primarily driven by StGAD1, plays a more prominent role in drought tolerance than salt stress adaptation, where other regulatory mechanisms such as ion homeostasis may be more critical. This study provides foundational insights into the molecular mechanisms of GAD-mediated stress responses in potatoes, offering potential avenues for enhancing crop resilience through targeted genetic strategies.

Gamma-aminobutirik asit (GABA), bitkilerin stres tepkileri ve gelişiminde osmotik dengeyi düzenleyerek, oksidatif stresi azaltarak ve hücresel homeostazı koruyarak kritik bir rol oynar. Glutamat dekarboksilaz (GAD), GABA biyosentez yolunda yer alan ilk ve temel enzimdir. Bu çalışmayla üç farklı patates GAD geni—StGAD1, StGAD2 ve StGAD3—belirlenmiştir. İfade profili analizi, StGAD1’in stres yanıtı veren ana gen olduğunu göstermiştir. StGAD1 hem kök hem de yapraklarda stres altında önemli ölçüde yukarı yönlü düzenlenerek, GABA birikimini artırmakta ve su kullanım verimliliğini iyileştirmekte ve oksidatif hasarı azaltmaktadır. Protein-protein etkileşim analizleri, GAD proteinleri arasında işlevsel ilişkiler olduğunu ve StGAD1 ile StGAD2 arasında önemli ölçüde benzerlik bulunduğunu ortaya koymaktadır. Bulgular, GABA metabolizmasının, özellikle StGAD1 tarafından yönlendirilen süreçlerin, kuraklık toleransında daha belirgin bir rol oynadığını, tuz stresi adaptasyonunda ise iyon homeostazı gibi diğer düzenleyici mekanizmaların daha kritik olabileceğini düşündürmektedir. Bu çalışma, GAD aracılı stres tepkilerinin moleküler mekanizmalarına ilişkin temel bilgiler sunmakta ve hedeflenmiş genetik stratejilerle bitki dayanıklılığının artırılmasına yönelik potansiyel yollar önermektedir.