Влияние rol-Генов Agrobacterium rhizogenes штаммов А4, 15834 и K599 на рост корней трансгенных растений табака и состояние антиоксидантной системы в условиях абиотического стресса

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Генетическая трансформация rol-генами Agrobacterium rhizogenes приводит к многочисленным фенотипическим изменениям, в том числе к повышению стрессоустойчивости трансгенных растений. Механизмы стрессоустойчивости у растений, экспрессирующих rol-гены, остаются малоизученными, кроме того, фенотипические эффекты этих трансгенов зависят от того, из какого штамма агробактерий они происходят. Целью работы было создание трансгенных растений табака Nicotiana tabacum L., несущих rol-гены штаммов A4, 15834 и K599 A. rhizogenes, анализ их стрессоустойчивости и состояния антиоксидантной системы. Трансгенные растения с rol-генами штаммов A4 и 15834 характеризовались увеличением скорости роста корней, как при нормальных условиях, так и при воздействии повышенных концентраций хлорида натрия и ацетата кадмия по сравнению с диким типом. Экспрессия rol-генов штамма К599 оказывала негативное действие на рост корней трансгенных растений табака как в норме, так и в стрессовых условиях засоления, гипотермии и повышенных концентрациях ацетата кадмия. В корнях трансгенных растений табака в оптимальных условиях и при засолении экспрессия rol-генов штаммов A4 и 15834 способствовала повышению количества общего растворимого белка, пролина, общего пула глутатиона и активности супероксиддисмутазы. В корнях трансгенных растений с rol-генами штамма К599 в условиях засоления обнаруживалось повышение активности супероксиддисмутазы, гваяколпероксидазы и глутатион-S-трансферазы. Таким образом, показано, что положительный эффект экспрессии rol-генов на рост корней трансгенных растений может быть связан с влиянием на различные компоненты антиоксидантной системы. Полученные нами результаты говорят о перспективности использования rol-генов штаммов А4 и 15834 A. rhizogenes для создания новых сортов и линий растений с улучшенными параметрами роста корней и повышенной стрессоустойчивостью, тогда как rol-гены штамма К599 не подходят для таких целей.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. Ю. Швец

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наук; Башкирский государственный медицинский университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: shvetsdasha99@yandex.ru
Россия, Уфа; Уфа

З. А. Бережнева

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наук

Email: shvetsdasha99@yandex.ru
Россия, Уфа

Х. Г. Мусин

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наук

Email: shvetsdasha99@yandex.ru
Россия, Уфа

Б. Р. Кулуев

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наук; Уфимский университет науки и технологий

Email: shvetsdasha99@yandex.ru
Россия, Уфа; Уфа

Список литературы

  1. Riker A.J., Banfield W. M., Wright W. H., Keitt G. W., Sagen H. E. Studies on infectious hairy root of nursery apple trees // J. Agr. Res. 1930. V. 41. P. 507.
  2. Young J.M., Kuykendall L. D., Martínez-Romero E., Kerr A., Sawada H. A revision of Rhizobium Frank 1889, with an emended description of the genus, and the inclusion of all species of Agrobacterium Conn 1942 and Allorhizobium undicola de Lajudie et al. 1998 as new combinations: Rhizobium radiobacter, R. rhizogenes, R. rubi, R. undicola and R. vitis // Inter. J. System. Evolut. Microbiol. 2001. V. 51. P. 89. https:doi.org/10.1099/00207713–51–1–89
  3. Павлова О.А., Матвеева Т. В., Лутова Л. А. Rol-гены Agrobacterium rhizogenes // Экологическая генетика. 2013. Т. 11. С. 59.
  4. White F.F., Garfinkel D. J., Huffman G. A., Gordon M. P., Nester E. W. Sequences homologous to Agrobacterium rhizogenes T-DNA in the genomes of uninfected plants // Nature. 1983. V. 301. P. 348. https:doi.org/10.1038/301348a0
  5. Sarkar S., Ghosh I., Roychowdhury D., Jha S. The effects of rol genes of Agrobacterium rhizogenes on morphogenesis and secondary metabolite accumulation in medicinal plants // Biotechnological approaches for medicinal and aromatic plants. Chapter 2 / Ed. N. Kumar. Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2018. P. 27.
  6. Швец Д.Ю., Бережнева З. А., Мусин Х. Г., Баймухаметова Э. А., Кулуев Б. Р. rol-гены агробактерий: возможные биологические функции // Успехи современной биологии. 2023. Т. 143. С. 487. https:doi.org/10.31857/S004213242305006X
  7. Bulgakov V.P., Shkryl Y. N., Veremeichik G. N., Gorpenchenko T. Y., Vereshchagina Y. V. Recent advances in the understanding of Agrobacterium rhizogenes-derived genes and their effects on stress resistance and plant metabolism // Adv. Biochem. Eng. Biotech. 2013. V. 134. P. 1. https:doi.org/10.1007/10_2013_179
  8. Bulgakov V.P., Aminin D. L., Shkryl Y. N., Gorpenchenko T. Y., Veremeichik G. N., Dmitrenok P. S., Zhuravlev Y. N. Suppression of reactive oxygen species and enhanced stress tolerance in Rubia cordifolia cells expressing the rolC oncogene // Molec. Plant Microbe Interact. 2008. V. 21. P. 1561. https:doi.org/10.1094/MPMI-21–12–1561
  9. Ganesan G., Sankararamasubramanian H. M., Harikrishnan M., Ganpudi A., Parida A. A MYB transcription factor from the grey mangrove is induced by stress and confers NaCl tolerance in tobacco // J. Exp. Bot. 2012. V. 63. P. 4549. https:doi.org/10.1093/jxb/ers135
  10. Alcalde M.A., Müller M., Munné-Bosch S., Landín M., Gallego P. P., Bonfill M., Palazon J., Hidalgo-Martinez D. Using machine learning to link the influence of transferred Agrobacterium rhizogenes genes to the hormone profile and morphological traits in Centella asiatica hairy roots // Front. Plant Sci. 2022. V. 13. P. 1. https:doi.org/10.3389/fpls.2022.1001023
  11. White F.F., Nester E. W. Relationship of plasmids responsible for hairy root and crown gall tumorigenicity // J. Bacteriol. 1980. V. 144. P. 710. https:doi.org/10.1128/jb.144.2.710–720.1980
  12. Nemoto K., Hara M., Goto S., Kasai K., Seki H., Suzuki M., Oka A., Muranaka T., Mano Y. The aux1 gene of the Ri plasmid is sufficient to confer auxin autotrophy in tobacco BY-2 cells // J. Plant Physiol. 2009. V. 166. P. 729. https:doi.org/10.1016/j.jplph.2008.09.006
  13. Кулуев Б.Р., Вершинина З. Р., Князев А. В., Чемерис Д.А, Баймиев Ан.Х., Чумаков М. И., Баймиев Ал.Х., Чемерис А. В. “Косматые” корни растений – важный инструментарий для исследователей и мощная фитохимбиофабрика для производственников // Биомика. 2015. Т. 7. С. 70.
  14. Aggarwal P.R., Nag P., Choudhary P., Chakraborty N., Chakraborty S. Genotype-independent Agrobacterium rhizogenes-mediated root transformation of chickpea: A rapid and efficient method for reverse genetics studies // Plant Methods. 2018. V. 14. P. 1. https:doi.org/10.1186/s13007–018–0315–6
  15. Foti C., Pavli O. I. High-efficiency Agrobacterium rhizogenes-mediated transgenic hairy root induction of Lens culinaris // Agronomy. 2020. V. 10. P. 1. https:doi.org/10.3390/agronomy10081170
  16. Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bio assays with tobacco tissue cultures // Physiol. Plant. 1962. V. 15. P. 473. https:doi.org/10.1111/j.1399–3054.1962.tb08052.x
  17. Doyle J.J., Doyle J. L. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue // Phytochem. Bull. 1987. V. 19. P. 11.
  18. Баймухаметова Э.А., Бережнева З. А., Мусин Х. Г., Швец Д. Ю., Князев А. В. Кулуев Б. Р. Индукция прямой регенерации побегов при генетической трансформации табака штаммом К599 Agrobacterium rhizogenes // Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки. 2022. Т. 164. С. 249. https:doi.org/10.26907/2542–064X.2022.2.249–262
  19. Чевари С., Чаба И., Секей И. Роль супероксиддисмутазы в окислительных процессах клетки и метод определения ее в биологических материалах // Лабораторное дело. 1985. № 11. С. 578.
  20. Verma S., Dubey R. S. Lead toxicity induces lipid peroxidation and alert the activities of antioxidant enzymes in grooving rice plants // Plant Sci. 2003. V. 64. P. 645. http://dx.doi.org/10.1016/S0168–9452(03)00022–0
  21. Ермаков А.И., Арисимович В. В., Ярош Н. П., Перуански Ю. В., Луковникова Г. А. Иконникова М. И. Методы биохимического исследования растений // Ленинград: Агропромиздат, 1987. 430 с.
  22. Panchuck I. I. Volkov R. A., Schoff F. Heat stress and heat shock transcription factor-depend expression and activity of ascorbate peroxidase in Arabidopsis // Plant Physiol. 2002. V. 129. P. 838.
  23. Taylor N.L., Millar A. H. Oxidative stress and plant mitochondria// Meth. Mol. Biol. 2007. V. 372. P. 389. https:doi.org/10.1007/978–1–59745–365–3_28
  24. Khedr A.H.A., Abbas M. A., Abdel W. A.A., Quick W. P., Abogadallah G. M. Proline induces the expression of salt‐stress‐responsive proteins and may improve the adaptation of Pancratium maritimum L. to salt‐stress // J. Exp. Bot. 2003. V. 54. P. 2553. https:doi.org/10.1093/jxb/erg277
  25. Dubois M., Gilles K. A., Hamilton J., Robers P. A., Smith F. Colorimetric method for determination of sugars and related substances // Anal. Chem. 1956. V. 28. P. 350. http://dx.doi.org/10.1021/ac60111a017
  26. Boestfleisch C., Wagenseil N. B., Buhmann A. K., Seal C. E., Wade E. M., Muscolo A., Papenbrock J. Manipulating the antioxidant capacity of halophytes to increase their cultural and economic value through saline cultivation // AoB Plants. 2014. V. 13. P. 6. https:doi.org/10.1093/aobpla/plu046
  27. Habig W.H., Pabst M. S., Jakoby W. B. Glutathione-S-transferase. The first enzymatic step in mercapturic acid formation // J. Biol. Chem. 1974. V. 246. P. 7130. https:doi.org/10.1016/S0021–9258(19)42083–8
  28. Hissin P.J., Hilf R. A fluorometric method for determination of oxidized and reduced glutathione in tissues // Anal. Biochem. 1976. V. 74. P. 214. https:doi.org/10.1016/0003–2697(76)90326–2
  29. Бережнева З.А., Кашафутдинова А. Р., Кулуев Б. Р. Рост корней трансгенных растений Nicotiana tabacum L. с конститутивной экспрессией гена глутатионсинтетазы рапса BnGSH при действии стрессовых факторов // Вестник защиты растений. 2017. Т. 3. С. 55.
  30. Кузовкина И.Н., Вдовитченко М. Ю. Генетически трансформированные корни как модель изучения физиологических и биохимических процессов корневой системы целого растения // Физиология растений. 2011. Т. 58. С. 787.
  31. Shkryl Y., Veremeichik G., Avramenko T., Gorpenchenko T., Tchernoded G., Bulgakov V. Transcriptional regulation of enzymes involved in ROS metabolism and abiotic stress resistance in rolC-transformed cell cultures // Plant Growth Regul. 2022. V. 97. P. 485. https:doi.org/10.1007/s10725–022–00812–1
  32. Shkryl Y.N., Veremeichik G. N., Bulgakov V. P., Gorpenchenko T. Y., Aminin D. L., Zhuravlev Y. N. Decreased ROS level and activation ofanti-oxidant gene expression in Agrobacterium rhizogenes pRiA4-transformed calli of Rubia cordifolia // Planta. 2010. V. 232. P. 1023. https:doi.org/10.1007/s00425–010–1237–3
  33. Bulgakov V.P., Gorpenchenko T. Y., Veremeichik G. N., Shkryl Y. N., Tchernoded G. K., Bulgakov D. V., Aminin D. L., Zhuravlev Y. N. The rolB gene suppresses reactive oxygen species in transformed plant cells through the sustained activation of antioxidant defense // Plant Physiol. 2012. V. 158. P. 1371. https:doi.org/10.1104/pp.111.191494
  34. Trovato M., Maras B., Linhares F., Costantino P. The plant oncogene rolD encodes a functional ornithine cyclodeaminase // Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 2001. V. 98. P. 13449. https:doi.org/10.1073/pnas.231320398
  35. Kafi M., Stewart W. S., Borland A. M. Carbohydrate and proline contents in leaves, roots, and apices of salt-tolerant and salt-sensitive wheat cultivars // Russ. J. Plant Physiol. 2003. V. 50. P. 155. https:doi.org/10.1023/A:1022956727141
  36. Bulgakov V.P., Shkryl Y. N., Veremeichik G. N., Gorpenchenko T. Y., Vereshchagina Y. V. Recent advances in the understanding of Agrobacterium rhizogenes-derived genes and their effects on stress resistance and plant metabolism // Adv. Biochem. Eng. Biotech. 2013. V. 34. P. 11. https:doi.org/10.1007/10_2013_179
  37. Katsuhara M., Otsuka T., Ezaki B. Salt stress-induced lipid peroxidation is reduced by glutathione S-transferase, but this reduction of lipid peroxides is not enough for a recovery of root growth in Arabidopsis // Plant Sci. 2005. V. 169. P. 369. https:doi.org/ 10.1016/j.plantsci.2005.03.030
  38. Bernstein N., Shoresh M., Xu Y., Huang B. Involvement of the plant antioxidative response in the differential growth sensitivity to salinity of leaves vs roots during cell development // Free Radic. Biol. Med. 2010. V. 49. P. 1161. https:doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2010.06.032

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Результаты трансформации листовых эксплантов табака rol-генами штамма К599 A. rhizogenes: (а) – образование на поверхности эксплантов точек регенерации на 7-й день после инокуляции, (б) – регенерация побегов на 14-й день после инокуляции, (в) – образование волосовидных корней на 25-й день после инокуляции (отмечено стрелкой), (г), (д) – регенерация корней из побегов на безгормональной среде, (е) – акклиматизация регенеранта к условиям почвы.

Скачать (545KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Результаты трансформации листовых эксплантов табака rol-генами штамма А4 A. rhizogenes: (а) – внешний вид волосовидных корней на 14 день культивирования на среде без фитогормонов, (б), (в) – регенерация побега из волосовидного корня на среде с добавление БАП и НУК, (г) – культивирование регенерантов на среде с добавление БАП и НУК.

Скачать (1MB)
Метаданные
4. Рис. 3. Электрофореграмма результатов ПЦР-анализа побегов-регенерантов с праймерами RolAB1, RolAB2 и rolC1: (а), (г) – К599, (б) – 15834, (в) – А4. М – маркер длин ДНК 1kb DNA Ladder. К – отрицательный контроль ПЦР. К+ – положительный контроль ПЦР. Размеры ПЦР-продуктов: 1112 п.н. (RolAB1), 1127 п.н. (RolAB2), 267 п.н. (rolC1).

Скачать (870KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменение длины корней трансгенных растений табака при выращивании на вертикально-ориентированных чашках Петри: (а) – нормальные условия, (б) – 50 мМ NaCl, (в) – 100 мМ NaCl, (г) – +12С, (д) – 100 мкМ CdAc, (е) – 200 мкМ CdAc. Звездочками (*) обозначены достоверно различающиеся результаты изменения длины корней между ДТ и трансгенными растениями (P ≤ 0.05).

Скачать (464KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Анализ антиоксидантной системы и определение общего растворимого белка табака ДТ и трансгенных растений в нормальных условиях и при засолении в концентрации 50 мМ NaCl: (а) – содержание водорастворимых сахаров, (б) – содержание пролина, (в) – содержание общего растворимого белка, (г) – активность каталазы, (д) – активность гваяколпероксидазы, (е) – активность аскорбатпероксидазы. Звездочками (*) обозначены достоверно различающиеся результаты между ДТ и трансгенными растениями (P ≤ 0.05).

Скачать (536KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Анализ антиоксидантной системы табака ДТ и трансгенных растений в нормальных условиях и при воздействии засоления в концентрации 50 мМ NaCl: (а) – содержание малонового диальдегида, (б) – активность супероксиддисмутазы, (в) – общая антиоксидантная способность, (г) – активность глутатион-S-трансферазы, (д) – содержание восстановленного глутатиона, (е) – содержание окисленного глутатиона. Звездочками (*) обозначены достоверно различающиеся результаты между ДТ и трансгенными растениями (P ≤ 0.05).

Скачать (541KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024