Получение и первичная оценка фенотипа тополя берлинского, трансформированного геном AtGA20ox1

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Увеличение скорости набора биомассы является одним из важнейших направлений в селекции древесных растений. Тем не менее, применение классических подходов селекции к древесным растениям существенно ограничено из-за длительных циклов размножения многих видов. Развитие технологий генетической инженерии и редактирования генома позволило проводить улучшение признаков деревьев за относительно короткое время. Объектом для генетических манипуляций, целью которых является ускорение роста растений, часто являются гены биосинтеза фитогормонов. Гиббереллин-20-оксидаза является ключевым ферментом, определяющим активное производство гиббереллинов в растениях и, следовательно, предпочтительной мишенью для генетических манипуляций, направленных на увеличение скорости роста. В данной работе представлено оригинальное исследование по получению тополя берлинского Populus × berolinensis K. Koch, трансформированного геном, кодирующим гиббереллин-20-оксидазу из Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. (AtGA20ox1), и первичной оценке фенотипических эффектов проведенной трансформации. Основными фенотипическими проявлениями трансформации явились выраженное удлинение стебля за счет увеличения размера междоузлий, незначительное его истончение, а также удлинение и заужение листьев. Наши результаты показали, что гиперэкспрессия гена AtGA20ox1 у тополя берлинского приводит к ускорению его роста как минимум в три раза в условиях in vitro по сравнению с контрольными значениями. Негативные эффекты трансформации, выражающиеся в слабом укоренении или высокой частоте апикальных некрозов и наблюдавшиеся у некоторых трансгенных линий на начальных этапах отбора, не проявляются у трех финально отобранных линий.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. В. Павличенко

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: vpavlichenko@gmail.com
Russian Federation, Иркутск

М. В. Протопопова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук

Email: marina.v.protopopova@gmail.com
Russian Federation, Иркутск

References

  1. Bömke C., Tudzynski B. Diversity, regulation, and evolution of the gibberellin biosynthetic pathway in fungi compared to plants and bacteria // Phytochem. 2009. V. 70. P. 1876. https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2009.05.020
  2. Yamaguchi S. Gibberellin metabolism and its regulation // Annu. Rev. Plant Biol. 2008. V. 59. P. 225. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.59.032607.092804
  3. Ashikari M., Sasaki A., Ueguchi-Tanaka M., Itoh H., Nishimura A., Datta S., Ishiyama K., Saito T., Kobayashi M., Khush G.S., Kitano H., Matsuoka M. Loss-of-function of a rice gibberellin biosynthetic gene, GA20 oxidase (GA20ox-2), led to the rice “Green revolution” // Breed. Sci. 2002. V. 52. P. 143. https://doi.org/10.1270/jsbbs.52.143
  4. Eriksson M.E., Israelsson M., Olsson O., Moritz T. Increased gibberellin biosynthesis in transgenic trees promotes growth, biomass production and xylem fiber length // Nat. Biotechnol. 2000. V. 18. 7. P. 784. http://dx.doi.org/10.1038/77355
  5. Peng X., Tong B., Lee J., Wang K., Yu X., Huang X., Wen J., Makarem M., Pang H., Hinjan S., Yan X., Yao S., Lu F., Wang B., Peng F., et al. Overexpression of a gibberellin 20-oxidase gene in poplar xylem led to an increase in the size of nanocellulose fibrils and improved paper properties // Carbohydr. Polym. 2023. V. 314. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120959
  6. Park E.-J., Kim H.-T., Choi Y.-I., Lee C., Nguyen V.P., Jeon H.-W., Cho J.-S., Funada R., Pharis R.P., Kurepin L.V., Ko J.-H. Overexpression of gibberellin 20-oxidase1 from Pinus densiflora results in enhanced wood formation with gelatinous fiber development in a transgenic hybrid poplar // Tree Physiol. 2015. V. 35. P. 1264. https://doi.org/10.1093/treephys/tpv099
  7. Dünisch O., Fladung M., Nakaba S., Watanabe Y., Funada R. Influence of overexpression of a gibberellin 20-oxidase gene on the kinetics of xylem cell development in hybrid poplar (Populus tremula L. and P. tremuloides Michx.) // Holzforschung. 2006. V. 60. P. 608. https://doi.org/10.1515/HF.2006.10
  8. Han K.M., Dharmawardhana P., Arias R.S., Ma C., Busov V., Strauss S.H. Gibberellin-associated cisgenes modify growth, stature and wood properties in Populus // Plant Biotechnol. J. 2011. V. 9. P. 162. https://doi.org/10.1111/j.1467-7652.2010.00537.x
  9. Fladung M. Growth of mixoploid GIBBERELLIC ACID 20 OXIDASE (GA20-OXIDASE) overexpressing transgenic Populus // Gesunde Pflanz. 2018. V. 70. P. 91. https://doi.org/10.1007/s10343-018-0418-z
  10. Fagoaga C., Tadeo F.R., Iglesias D.J., Huerta L., Lliso I., Vidal A.M., Talon M., Navarro L., García-Martínez J.L., Peña L. Engineering of gibberellin levels in citrus by sense and antisense overexpression of a GA 20-oxidase gene modifies plant architecture // J. Exp. Bot. 2007. V. 58. P. 1407. https://doi.org/10.1093/jxb/erm004
  11. 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
  12. Pavlichenko V.V., Protopopova M.V., Voinikov V.K. A comparative study of various light source influences on the plants regenerative potential using Populus berolinensis root explants as an example // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020. V. 548. P. 062093. https://doi.org/10.1088/1755-1315/548/6/062093
  13. Protopopova M.V., Pavlichenko V.V., Menzel R., Putschew A., Luckenbach T., Steinberg C.E. Contrasting cellular stress responses of Baikalian and Palearctic amphipods upon exposure to humic substances: environmental implications // Environ. Sci. Pollut. Res. 2014. V. 21. P. 14124. https://doi.org/10.1007/s11356-014-3323-8.
  14. Chen P.-Y., Wang C.-K., Soong S.-C., To K.-Y. Complete sequence of the binary vector pBI121 and its application in cloning T-DNA insertion from transgenic plants // Mol. Breed. 2003. V. 11. P. 287. https://doi.org/10.1023/A:1023475710642
  15. Holsters M., de Waele D., Depicker A., Messens E., van Montagu M., Schell J. Transfection and transformation of Agrobacterium tumefaciens // Mol. Gen. Genet. 1978. V. 163. P. 181. https://doi.org/10.1007/BF00267408
  16. 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.
  17. Protopopova M., Pavlichenko V. Eranthis Salisb. (Ranunculaceae) in South Siberia: insights into phylogeography and taxonomy // Diversity. 2022. V. 14. P. 1. https://doi.org/10.3390/d14100779
  18. Xu Y.-L., Li L., Wu K., Peeters A.J.M., Gage D.A., Zeevaart J.A.D. The GA5 locus of Arabidopsis thaliana encodes a multifunctional gibberellin 20-oxidase: molecular cloning and functional expression // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1995. V. 92. P. 6640. https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.92.14.6640
  19. Shukor N.A.A., Lok Y.C.Y., Kumar S.M., Abiri R., Abdullah M.P. Molecular dissection and an in-silico approach of a novel gibberellin 20-oxidase gene of Hibiscus cannabinus L. // Pak. J. Bot. 2023. V. 55. P. 1. http://dx.doi.org/10.30848/PJB2023-2(11)
  20. Brian P.W. Morphogenetic effects of the gibberellins // Bot. J. Linn. Soc. 1959. V. 56. P. 237. https://doi.org/10.1111/j.1095-8339.1959.tb02498.x
  21. Sata S.J., Gokani S.J., Thaker V.S. Influence of gibberellic acid on auxin biosynthesis and their effects on coleoptile elongation in garlic // Acta Physiol. Plant. 2002. V. 24. P. 393. https://doi.org/10.1007/s11738-002-0035-3
  22. Weiss D., Ori N. Mechanisms of cross talk between gibberellin and other hormones // Plant Physiol. 2007. V. 144. P. 1240. https://doi.org/10.1104%2Fpp.107.100370
  23. Mauriat M., Petterle A., Bellini C., Moritz T. Gibberellins inhibit adventitious rooting in hybrid aspen and Arabidopsis by affecting auxin transport // Plant J. 2014. V. 78. P. 372. https://doi.org/10.1111/tpj.12478
  24. Kataeva N.V., Alexandrova I.G., Butenko R.G., Dragavtceva E.V. Effect of applied and internal hormones on vitrification and apical necrosis of different plants cultured in vitro // Plant Cell Tissue Organ Cult. 1991. V. 27. P. 149. https://doi.org/10.1007/BF00041283
  25. Teixeira da Silva J.A., Nezami-Alanagh E., Barreal M.E., Kher M.M., Wicaksono A., Gulyás A., Hidvégi N., Magyar-Tábori K., Mendler-Drienyovszki N., Márton L., Landín M., Gallego P.P., Driver J.A., Dobránszki J. Shoot tip necrosis of in vitro plant cultures: a reappraisal of possible causes and solutions // Planta. 2020. V. 252. P. 1. https://doi.org/10.1007/s00425-020-03449-4

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. (a) – Main elements and primer landing sites in the AtGA20ox1/pBI121 region between the left and right T-DNA borders; (b) – Alignment sites (total length – 1134 bp) of the coding sequences of the AtGA20ox1 gene: upper – reference (GenBank NM_118674.4), lower – used in the current work. Dots indicate positions coinciding with the reference, nucleotide substitutions are indicated in bold, numbers indicate positions in the nucleotide alignment. An asterisk indicates synonymous substitutions or amino acid substitutions not associated with a change in the polarity of the side chains. LPWKET (blue) – substrate binding site [18, 19]; FE2OG_0XY (green) – Fe2+-2-oxoglutarate dependent dioxygenase catalytic domain; Fe2+ ​​(purple) – putative binding sites of the corresponding ions (according to ScanProsite data).

Download (728KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. (a) – General scheme of the experiment; (b) – Regeneration of Berlin poplar plants from control explants and after agrobacterium-mediated transformation. The arrow indicates the regenerant obtained as a result of selective selection in the presence of antibiotics: Kan – kanamycin (50 mg/l) and Cef – cefotaxime (250 mg/l).

Download (586KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. PCR screening of 19 lines of Berlin poplar regenerants for the presence of nptII (a) and AtGA20ox1 (b) genes. M – size standard GeneRuler 1 kb Plus DNA Ladder (“ThermoFisher Scientific”, USA), K – DNA from the control plant, “+” – positive PCR control (AtGA20ox1/pBI121), “–” – negative PCR control (without DNA), ✗ – regenerant lines excluded from further analysis.

Download (664KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Comparison of transgenic lines of Berlin poplar (AtGA20ox) with control plants (WT) after 2 months of growth on a medium with IMC (0.15 mg/l). Line No. 6 was damaged during micropropagation and lost. The height of the test tubes is 15 cm.

Download (255KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Examples of necrosis of some transgenic poplar lines on a nutrient medium with IMC (0.15 mg/l). (a) – Necrosis of the apical meristem in lines No. 1–7 after rooting; (b) – Necrosis of leaves and apical meristem without rooting in line No. 8; (c) – Apical necrosis in lines No. 9, 12, 13 and 15 after rooting and 30 days of growth.

Download (385KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Transgenic lines of Berlin poplar for the AtGA20ox1 gene in comparison with the control on a nutrient medium without IMC. Plant age is 2 months. Test tube height is 15 and 20 cm.

Download (200KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. PCR screening of Berlin poplar regenerants for the presence of full-text gene sequences using primers: (a) – p35_F + TNOS_R; (b) – nptII_F + М13_F. M – size standard GeneRuler 1 kb Plus DNA Ladder (“ThermoFisher Scientific”, USA), K – DNA from the control plant, “+” – positive control (AtGA20ox1/pBI121), “–” – negative control (without DNA).

Download (367KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies