Advances in Chemical PhysicsAdvances in Chemical PhysicsФизиология растений0015-33033034-624XThe Russian Academy of Sciences26188810.31857/S0015330324020092OAWLUEЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticleПолучение и первичная оценка фенотипа тополя берлинского, трансформированного геном AtGA20ox1Получение и первичная оценка фенотипа тополя берлинского, трансформированного геном AtGA20ox1ПавличенкоВ. В.
Russian Federation
vpavlichenko@gmail.comПротопоповаМ. В.
Russian Federation
marina.v.protopopova@gmail.comФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук150320247122282421608202416082024Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.rcsi.science/0015-3303/article/view/261888

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.

Populus × berolinensisбыстрорастущие растениягенно-модифицированные организмыгиббереллиныгиббереллин-20-оксидазатопольтрансгенные древесные растенияпродуктивность растенийфитогормоныРоссийский научный фондRussian Science Foundation22-24-01113Bömke 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.2009.05.020Yamaguchi S. Gibberellin metabolism and its regulation // Annu. Rev. Plant Biol. 2008. V. 59. P. 225. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.59.032607.092804Ashikari 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.52.143Eriksson 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/10.1038/77355Peng 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.2023.120959Park 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/tpv099Dünisch 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.2006.10Han 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.xFladung 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-zFagoaga 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/erm004Murashige 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.xPavlichenko 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/10.1088/1755-1315/548/6/062093Protopopova 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.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:1023475710642Holsters 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/BF00267408Doyle J.J., Doyle J.L. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue // Phytochem. Bull. 1987. V. 19. P. 11.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/d14100779Xu 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.92.14.6640Shukor 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)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.xSata 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/s11738-002-0035-3Weiss 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.107.100370Mauriat 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.12478Kataeva 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/BF00041283Teixeira 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