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

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

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.

全文:

受限制的访问

作者简介

Д. Швец

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

编辑信件的主要联系方式.
Email: shvetsdasha99@yandex.ru
俄罗斯联邦, Уфа; Уфа

З. Бережнева

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

Email: shvetsdasha99@yandex.ru
俄罗斯联邦, Уфа

Х. Мусин

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

Email: shvetsdasha99@yandex.ru
俄罗斯联邦, Уфа

Б. 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
俄罗斯联邦, Уфа; Уфа

参考

  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

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Results of transformation of tobacco leaf explants by rol genes of the K599 strain A. rhizogenes: (a) - formation of regeneration points on the surface of explants on the 7th day after inoculation, (b) – regeneration of shoots on the 14th day after inoculation, (c) - formation of hair–like roots on the 25th the day after inoculation (marked with an arrow), (d), (e) – regeneration of roots from shoots in a hormone–free environment, (e) - acclimatization of the regenerant to soil conditions.

下载 (545KB)
索引源数据
3. Fig. 2. The results of the transformation of tobacco leaf explants by rol genes of the A4 strain A. rhizogenes: (a) - the appearance of the hair–like roots on day 14 of cultivation on a medium without phytohormones, (b), (c) – regeneration of the shoot from the hair-like root on a medium with the addition of BAP and NUC, (d) – cultivation regenerants on the medium with the addition of BAP and NUC.

下载 (1MB)
索引源数据
4. Fig. 3. Electrophoregram of the results of PCR analysis of regenerant shoots with primers RolAB1, RolAB2 and rolC1: (a), (d) – K599, (b) – 15834, (c) – A4. M is a marker of DNA lengths of 1kb DNA Ladder. K – negative PCR control. K+ is a positive PCR control. The sizes of PCR products are 1112 bp (RolAB1), 1127 bp (RolAB2), 267 bp (rolC1).

下载 (870KB)
索引源数据
5. Fig. 4. The change in the root length of transgenic tobacco plants when grown on vertically oriented Petri dishes: (a) – normal conditions, (b) – 50 mM NaCl, (c) – 100 mM NaCl, (d) – +12 C, (e) – 100 microns CdAc, (e) - 200 microns CdAc. Asterisks (*) indicate significantly different results of changes in root length between DT and transgenic plants (P ≤ 0.05).

下载 (464KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Analysis of the antioxidant system and determination of the total soluble protein of tobacco DT and transgenic plants under normal conditions and under salinity at a concentration of 50 mM NaCl: (a) – the content of water–soluble sugars, (b) – the content of proline, (c) - the content of total soluble protein, (d) – catalase activity, (e) is the activity of guaiacol peroxidase, (e) is the activity of ascorbate peroxidase. Asterisks (*) indicate significantly different results between DT and transgenic plants (P ≤ 0.05).

下载 (536KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Analysis of the antioxidant system of tobacco DT and transgenic plants under normal conditions and under the influence of salinization at a concentration of 50 mM NaCl: (a) – malondialdehyde content, (b) – superoxide dismutase activity, (c) – total antioxidant capacity, (d) – glutathione-S-transferase activity, (e) – the content of reduced glutathione, (e) – the content of oxidized glutathione. Asterisks (*) indicate significantly different results between DT and transgenic plants (P ≤ 0.05).

下载 (541KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».