Advances in Chemical PhysicsAdvances in Chemical PhysicsФизиология растений0015-33033034-624XThe Russian Academy of Sciences26950110.31857/S0015330324050111MLUDPVЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticleВлияние rol-Генов Agrobacterium rhizogenes штаммов А4, 15834 и K599 на рост корней трансгенных растений табака и состояние антиоксидантной системы в условиях абиотического стрессаВлияние rol-Генов Agrobacterium rhizogenes штаммов А4, 15834 и K599 на рост корней трансгенных растений табака и состояние антиоксидантной системы в условиях абиотического стрессаШвецД. Ю.
Russian Federation
shvetsdasha99@yandex.ruБережневаЗ. А.
Russian Federation
shvetsdasha99@yandex.ruМусинХ. Г.
Russian Federation
shvetsdasha99@yandex.ruКулуевБ. Р.
Russian Federation
shvetsdasha99@yandex.ruИнститут биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наукБашкирский государственный медицинский университетИнститут биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наукУфимский университет науки и технологий15092024715Генетическая инженерия растений – достижения и перспективы6326451111202411112024Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.rcsi.science/0015-3303/article/view/269501

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.

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.

Agrobacterium rhizogenesNicotiana tabacumагробактериальная трансформацияантиоксидантная системастрессоустойчивостьrol-геныRiker 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.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/10.1099/00207713–51–1–89Павлова О.А., Матвеева Т. В., Лутова Л. А. Rol-гены Agrobacterium rhizogenes // Экологическая генетика. 2013. Т. 11. С. 59.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/10.1038/301348a0Sarkar 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.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/S004213242305006XBulgakov 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_179Bulgakov 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-21–12–1561Ganesan 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/ers135Alcalde 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.2022.1001023White 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.144.2.710–720.1980Nemoto 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.2008.09.006Кулуев 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.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/s13007–018–0315–6Foti 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/agronomy10081170Murashige 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.xDoyle J.J., Doyle J. L. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue // Phytochem. Bull. 1987. V. 19. P. 11.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.2022.2.249–262Чевари С., Чаба И., Секей И. Роль супероксиддисмутазы в окислительных процессах клетки и метод определения ее в биологических материалах // Лабораторное дело. 1985. № 11. С. 578.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)00022–0Ермаков 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.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.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_28Khedr 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/erg277Dubois 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/ac60111a017Boestfleisch 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/plu046Habig 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)42083–8Hissin 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)90326–2Бережнева 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.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.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/s10725–022–00812–1Shkryl 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/s00425–010–1237–3Bulgakov 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.111.191494Trovato 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.231320398Kafi 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:1022956727141Bulgakov 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_179Katsuhara 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.2005.03.030Bernstein 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