Effect of Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus on endogenous hydrogen peroxide levels and peroxidase activity in transgenic potato plants (Solanum tuberosum L.) expressing the gox gene

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Higher levels of hydrogen peroxide (H2O2) in plant tissues improve resistance to a variety of biotic and abiotic stressors. One of the key enzymes involved in the regulation of H2O2 levels in plants is peroxidase. The present study was aimed at analyzing the level of endogenous H2O2, peroxidase activity, and its isoenzyme spectrum in the roots of in vitro Skarb cultivar and its transgenic lines expressing the Penicillium funiculosum glucose oxidase (gox) gene under normal conditions and with exposure to the phytopathogen Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus. The H2O2 level of transgenic lines carrying the modified gox gene was shown to be significantly higher compared to the original cultivar and to increase further due to exposure to the phytopathogen. Under normal growth conditions, differences were observed in the spectrum of peroxidase isoforms in the transgenic lines and the original Skarb cultivar. Upon exposure to the phytopathogen, the spectrum of isoforms was significantly altered in the original Skarb cultivar and in the transgenic lines compared with the Skarb cultivar. The obtained data prove that the product of gox gene expression causes a high H2O2 level due to glucose oxidation. High H2O2 levels in transgenic lines presumably inactivate peroxidase. Exposure to the phytopathogen Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus is shown to increase peroxidase activity and change the isoenzyme composition in both control and transgenic lines.

About the authors

N. V. Filinova

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: filinova_nv@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0328-6716

A. A. Ishchenko

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: aspt25@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0003-4963-3917

T. V. Kopytina

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: kopytina@sifibr.irk.ru
ORCID iD: 0000-0002-3788-0895

L. E. Makarova

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: makarova@sifibr.irk.ru
ORCID iD: 0000-0002-4582-8245

References

  1. Савчин Д.В., Панюш А.С., Картель Н.А., Генетическая трансформация растений векторными конструкциями с геном GOX Penicillium funiculosum // Молекулярная и прикладная генетика. 2011. Т. 12. С. 49–55. EDN: ZYHRUD.
  2. Савчин Д.В., Вересова Т.Н., Межнина О.А., Панюш А.С., Вячеслвова А.О., Голденкова-Павлова И.В. Оптимизация кодонового состава грибного гена gox Penicillium funiculosum для эффективной экспрессии в растениях Solanum tuberosum // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия биологических наук. 2015. N 1. С. 50–55. EDN: TKSWKP.
  3. Wu G., Shortt B.J., Lawrence E.B., Levine E.B., Fitzsimmons K.C., Shah D.M. Disease resistance conferred by expression of a gene encoding H2O2-generating glucose oxidase in transgenic potato plants // The Plant Cell. 1995. Vol. 7, no. 9. P. 1357–1368. doi: 10.1105/tpc.7.9.1357.
  4. Jaspers P., Kangasjarvi J. Reactive oxygen species in abiotic stress signaling // Physiologia Plantarum. 2010. Vol. 138, no. 4. P. 405–413. doi: 10.1111/j.1399-3054.2009.01321.x.
  5. Киргизова И.В., Гаджимурадов А.М., Омаров Р.Т. Особенности накопления антиоксидантных ферментов у картофеля в условиях биотического и абиотического стресса // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8. N 4. С. 42–54. doi: 10.21285/2227-2925-2018-8-4-42-54. EDN: YTDWDJ.
  6. Граскова И.А., Боровский Г.Б., Владимирова С.В., Романенко А.С., Войников В.К. Изоферментные спектры пероксидаз картофеля при патогенезе кольцевой гнили // Доклады Академии наук. 2002. Т. 384. N 6. С. 844–847. EDN: LCYKXD.
  7. Рогожин В.В., Верхотуров В.В. Стационарная кинетика совместного окисления гидрохинонов и о-дианизидина перекисью водорода в присутствии пероксидазы хрена // Биохимия. 1999. Т. 64. N 2. С. 219–224.
  8. Акимова Г.П., Верхотуров В.В, Соколова М.Г. Влияние Azotobacter на активность пероксидазы и содержание перекиси водорода в корнях проростков гороха, инокулированных Rhizobium // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. N 4. С. 126–131. doi: 10.21285/2227-2925-2017-7-4-126-131. EDN: YMQFSN.
  9. Акимова Г.П., Соколова М.Г., Нечаева Л.В., Лузова Г.Б., Сидорова К.К. Роль пероксидазы во взаимодействиях растений гороха с Rhizobium // Агрохимия. 2002. N 12. С. 37–41.
  10. Bradford M.M. A rapid and sensitive method for quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Analytical Biochemistry. 1976. Vol. 72. P. 248–254. doi: 10.1016/0003-2697(76)90527-3.
  11. Попов В.Н., Антипина А.В., Астахова Н.В. Изме нения ультраструктуры хлоропластов растений табака в процессе защиты от окислительного стресса при гипотермии // Физиология растений. 2016. Т. 63. N 3. С. 319–326. doi: 10.7868/S0015330316030118. EDN: VTQCER.
  12. Побежимова Т.П., Колесниченко А.В., Грабельных О.И. Методы изучения митохондрий растений. Полярография и электрофорез / отв. ред. Р.К. Саляев. М.: Изд-во ООО «НПК «ПРОМЭКОБЕЗОПАСНОСТЬ»», 2004. 98 с.
  13. Лойда З., Госсрау Р., Шиблер Т. Гистохимия ферментов: лабораторные методы / пер. с англ.; под ред. Н.Т. Райхлина. М.: Мир, 1982. 272 с.
  14. Еникеев А.Г., Копытина Т.В., Семенова Л.А., Натяганова А.В., Гаманец Л.В., Волкова О.Д. Агробактериальная трансформация как комплексный биотический стрессирующий фактор // Журнал стресс-физиологии и биохимии. 2008. Т. 4. N 1. С. 11–19. EDN: IUINPP.
  15. Креславский В.Д., Лось Д.А., Аллахвердиев С.И., Кузнецов В.В. Сигнальная роль активных форм кислорода при стрессе у растений // Физиология растений. 2012. Т. 59. N 2. С. 163–178. EDN: OWEOSH.
  16. Chen Z., Silva H., Klessig D.F. Active oxygen species in the induction of plant systemic acquired resistance by salicylic acid // Science. 1993. Vol. 262, no. 5141. P. 1883–1886. doi: 10.1126/science.8266079.
  17. Pei Z.-M., Murata Y., Benning G., Thomine S., Klusener B., Allen G.J., et al. Calcium channels activated by hydrogen peroxide mediate abscisic acid signalling in guard cells // Nature. 2000. Vol. 406, no. 6797. P. 731–734. doi: 10.1038/35021067.
  18. Galvez-Valdivieso G., Mullineaux P.M. The role of reactive oxygen species in signalling from chloroplasts to the nucleus // Physiologia Plantarum. 2010. Vol. 138, no. 4. P. 430–439. doi: 10.1111/j.1399-3054.2009.01331.x.
  19. Pandey S., Fartyal D., Agarwal A., Shukla T., James D., Kaul T., et al. Abiotic stress tolerance in plants: myriad roles of ascorbate peroxidase // Frontiers in Plant Science. 2017. Vol. 8. P. 581. doi: 10.3389/fpls.2017.00581.
  20. Андреева В.А. Фермент пероксидаза: участие в защитном механизме растений / отв. ред. Ю.Н. Журавлев. М.: Наука, 1988. 128 с.
  21. Campo S., Manrique S., García-Martínez J., San Segundo B. Production of cecropin A in transgenic rice plants has an impact on host gene expression // Plant Biotechnology Journal. 2008. Vol. 6, no. 6. P. 585–608. doi: 10.1111/j.1467-7652.2008.00339.x.
  22. Arnao M.B., Acosta M., del Rio J.A., García-Cánovas F. Inactivation of peroxidase by hydrogen peroxide and its protection by a reductant agent // Biochimica et Biophysica Acta. 1990. Vol. 1038, no. 1. P. 85–89. doi: 10.1016/0167-4838(90)90014-7.
  23. Valderrama B., Ayala M., Vazquez-Duhalt R. Suicide inactivation of peroxidases review and the challenge of engineering more robust enzymes // Chemistry & Biology. 2002. Vol. 9, no. 5. P. 555–565. doi: 10.1016/s1074-5521(02)00149-7.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).