Plant plastoquinol oxidase (PTOX) is a chloroplast oxidoreductase involved in carotenoid biosynthesis, chlororespiration, and response to environmental stresses. The present study aimed to gain insight of the potential role of nucleotide/amino acid changes linked to environmental adaptation in PTOX gene/protein from Arabidopsis thaliana accessions. SNPs in the single-copy PTOX gene were identified in 1190 accessions of Arabidopsis using the Columbia-0 PTOX as a reference. The identified SNPs were correlated with geographical distribution of the accessions according to altitude, climate, and rainfall. Among the 32 identified SNPs in the coding region of the PTOX gene, 16 of these were characterized as non-synonymous SNPs (in which an AA is altered). A higher incidence of AA changes occurred in the mature protein at positions 78 (31%), 81 (31.4%), and 323 (49.9%). Three-dimensional structure prediction indicated that the AA change at position 323 (D323N) leads to a PTOX structure with the most favorable interaction with the substrate plastoquinol, when compared with the reference PTOX structure (Columbia-0). Molecular docking analysis suggested that the most favorable D323N PTOX-plastoquinol interaction is due to a better enzyme-substrate binding affinity. The molecular dynamics revealed that plastoquinol should be more stable in complex with D323N PTOX, likely due a restraint mechanism in this structure that stabilize plastoquinol inside of the reaction center. The integrated analysis made from accession geographical distribution and PTOX SNPs indicated that AA changes in PTOX are related to altitude and rainfall, potentially due to an adaptive positive environmental selection.

中文翻译：

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拟南芥种质体对苯二酚氧化酶（PTOX）的多态性表明SNP诱导的与海拔和降雨相关的结构变异。

植物质体喹喔啉氧化酶（PTOX）是一种叶绿体氧化还原酶，参与类胡萝卜素的生物合成，氯呼吸作用和对环境压力的响应。本研究旨在深入了解拟南芥登录号中PTOX基因/蛋白质中与环境适应性相关的核苷酸/氨基酸变化的潜在作用。使用Columbia-0 PTOX作为参照，在拟南芥的1190份保藏物中鉴定了单拷贝PTOX基因中的SNP。根据海拔高度，气候和降雨情况，确定的SNP与种质的地理分布相关。在PTOX基因编码区的32个已识别SNP中，其中16个被表征为非同义SNP（其中AA发生了改变）。成熟蛋白在78位（31％），81位（31.4％），和323（49.9％）。三维结构预测表明，与参考PTOX结构（哥伦比亚-0）相比，位置323（D323N）处的AA改变导致PTOX结构与底物质体喹诺醇的相互作用最有利。分子对接分析表明，最有利的D323N PTOX-质体喹诺醇相互作用是由于更好的酶-底物结合亲和力所致。分子动力学表明，与D323N PTOX配合使用时，质体喹诺醇应更稳定，这可能是由于该结构中的一种抑制机制稳定了反应中心内部的质体喹诺醇。根据登录地理分布和PTOX SNP进行的综合分析表明，PTOX中AA的变化与海拔高度和降雨有关，这可能是由于对环境的积极适应。9％）。三维结构预测表明，与参考PTOX结构（哥伦比亚-0）相比，位置323（D323N）处的AA变化导致PTOX结构与底物质体喹诺醇的相互作用最有利。分子对接分析表明，最有利的D323N PTOX-质体喹诺醇相互作用是由于更好的酶-底物结合亲和力所致。分子动力学表明，与D323N PTOX配合使用时，质体喹诺醇应更稳定，这可能是由于该结构中的一种抑制机制稳定了反应中心内部的质体喹诺醇。根据登录地理分布和PTOX SNP进行的综合分析表明，PTOX中AA的变化与海拔高度和降雨有关，这可能是由于对环境的积极适应。9％）。三维结构预测表明，与参考PTOX结构（哥伦比亚-0）相比，位置323（D323N）处的AA改变导致PTOX结构与底物质体喹诺醇的相互作用最有利。分子对接分析表明，最有利的D323N PTOX-质体喹诺醇相互作用是由于更好的酶-底物结合亲和力所致。分子动力学表明，与D323N PTOX配合使用时，质体喹诺醇应更稳定，这可能是由于该结构中的一种抑制机制稳定了反应中心内部的质体喹诺醇。根据登录地理分布和PTOX SNP进行的综合分析表明，PTOX中AA的变化与海拔高度和降雨有关，这可能是由于对环境的积极适应。三维结构预测表明，与参考PTOX结构（哥伦比亚-0）相比，位置323（D323N）处的AA改变导致PTOX结构与底物质体喹诺醇的相互作用最有利。分子对接分析表明，最有利的D323N PTOX-质体喹诺醇相互作用是由于更好的酶-底物结合亲和力所致。分子动力学表明，与D323N PTOX配合使用时，质体喹诺醇应更稳定，这可能是由于该结构中的一种抑制机制稳定了反应中心内部的质体喹诺醇。根据登录地理分布和PTOX SNP进行的综合分析表明，PTOX中AA的变化与海拔高度和降雨有关，这可能是由于对环境的积极适应。三维结构预测表明，与参考PTOX结构（哥伦比亚-0）相比，位置323（D323N）处的AA变化导致PTOX结构与底物质体喹诺醇的相互作用最有利。分子对接分析表明，最有利的D323N PTOX-质体喹诺醇相互作用是由于更好的酶-底物结合亲和力所致。分子动力学表明，与D323N PTOX配合使用时，质体喹诺醇应更稳定，这可能是由于该结构中的一种抑制机制稳定了反应中心内部的质体喹诺醇。根据登录地理分布和PTOX SNP进行的综合分析表明，PTOX中AA的变化与海拔高度和降雨有关，这可能是由于对环境的积极适应。