Agrobacterium-mediated transformation of potato Solanum tuberosum L. with constructs carrying the strong plant-derived promoter pro-SmAMP1 from Stellaria media L.

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The effectiveness of plant genetic transformation is determined by the choice of genetic structures and their regulatory sequences that cause a high and stable expression level of heterologous genes. In this regard, the actual task of biotechnology is the use of highly effective plant promoters. The choice of promoter determines not only the level of the expression gene, but also the effectiveness of genetic transformation. The purpose of our study was to evaluate the influence of explant type and 5´-deletion variants of the plant strong pro-SmAMP1 promoter, on the Agrobacterium -mediated transformation efficiency of potato ( Solanum tuberosum L.) cv. Udacha. To analyze the regenerative capacity of potato stem and leaf explants, AGL0 strain carrying constructs containing the 5’-deletion variants of the promoter fragment of gene encoding antimicrobial peptide from Stellaria media L. ( pro-SmAMP1 ) was carried out. Four genetic constructs based on the plant expression vector pCAMBIA1381Z were used in this work, containing the selectable gene hptII and reporter gene uidA under different 5’-deletion variants of the pro-SmAMP1 promoter (-442, -675, -732 and -1196 bp relative to the transcription initiation site); as well as two binary vectors based on the expression vector pCAMBIA1302 with 5’-deletion pro-SmAMP1 promoter variants (-442 and -1196 bp), controlling the expression of gfp reporter gene. It was found that the effectiveness of Agrobacterium -mediated transformation depended on the type of genetic construction used, but not on the type of explant being cultivated. The insertion of the promoter region pro-SmAMP1 gene, hptII , as well as the absence of the bacterial Vir E gene was confirmed by PCR. Depending on the type of genetic construct, the transformation efficiency for the reporter gene varied from 2.0 to 7.2 %. The results are compared with previously conducted few studies, according to which the choice of promoter determines not only the expression level of marker genes, but also has a significant influence on the genetic transformation efficiency.

About the authors

Marat R. Khaliluev

Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology; Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: marat131084@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-7371-8900

Candidate of biological sciences, Assistant professor, head of Plant cell engineering laboratory, Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology; Assistant professor, Biotechnology Department, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy

42 Timiryazevskaya st., Moscow, 127550, Russian Federation; 49 Timiryazevskaya st., Moscow, 127550, Russian Federation

Pyotr N. Kharchenko

Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology

Email: kharchenko@iab.ac.ru
ORCID iD: 0000-0001-5074-0531

Academician of the Russian Academy of Sciences, Scientific Director

42 Timiryazevskaya st., Moscow, 127550, Russian Federation

Vera N. Ovchinnikova

Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology

Author for correspondence.
Email: vera.ovchinnikova.1957@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0839-2048

Candidate of biological sciences, Senior researcher, Plant cell engineering Laboratory

42 Timiryazevskaya st., Moscow, 127550, Russian Federation

References

  1. Permyakova NV, Shumnyi VK, Deineko EV. Agrobacterium-mediated transformation of plants: Transfer of vector DNA fragments in the plant genome. Russian Journal of Genetics. 2009; 45(3):266—275. doi: 10.1134/S 1022795409030028
  2. Gustafson V, Mallubhotla S, MacDonnell D, Sanyal-Bagchi M, Chakravarty D, Wang-Pruski G, et al. Transformation and plant regeneration from leaf explants of Solanum tuberosum L. cv. ‘Shepody’. Plant Cell Tiss Organ Cult. 2006; 85(3):361—366. doi: 10.1007/s11240–006–9085–3
  3. Vinterhaiter D, Zdraković-Korać, Mitić N, Dragićević I, Cingel A, Raspor M, et al. Protocols for Agrobacterium-mediated transformation of potato. In: Fruit, Vegetable and Cereal Science and Biotechnology. Global Science Books. 2008. p.1—15.
  4. Jin SG, Komari T, Gordon MP, Nester EW. Genes responsible for the supervirulence phenotype of Agrobacterium tumefaciens A281. J Bacteriol. 1987; 169(10):4417—4425. doi: 10.1128/jb.169.10.4417–4425.1987
  5. Horsch RB, Klee HJ, Stachel S, Winans SC, Nester EW, Rogers SG, et al. Analysis of Agrobacterium tumefaciens virulence mutants in leaf discs. Proceed Nat Acad Sci. 1986; 83(3):2571—2575. doi: 10.1073/ pnas.83.8.2571
  6. Shah SH, Jan SA, Ahmad N, Khan SU, Kumar T, Iqbal A, et al. Use of different promoters in transgenic plant development: current challenges and future perspectives. Am Eurasian J Agric Environ Sci. 2015; 15(4):664—675 doi: 10.5829/idosi.aejaes.2015.15.4.12591
  7. Prakach NS, Prasad V, Chidambram TP, Cherian S, Jayaprakash T, Dasgupta S, et al. Effect of promoter driving selectable marker on corn transformation. Transgenic Research. 2008; 17(4):695—704. doi: 10.1007/ s11248–007–9149–0
  8. Beringer J, Chen W, Garton R, Sardefai N, Wang PH, Zhou N, et al. Comparison of the impact of viral and plant-derived promoters regulating selectable marker gene on maize transformation and transgene expression. Plant Сell Rep. 2017; 36(4):519—528. doi: 10.1007/s00299–017–2099-y
  9. Grunennvaldt RL, Degenhardt-Goldbach J, Gerhardt IR, Quoirin M. Promoters used in genetic transformation of plants. Res J Biol Sci. 2015; 10(1—2):1—9.
  10. Saranya M, Kanchana M. Promoter diversity in plants — a review. Int J Appl Adv Sci Res. 2016; 1(1):209—217.
  11. Jiang P, Zhang K, Ding Z, He Q, Li W, Zhu S, et al. Characterization of a strong and constitutive promoter from the Arabidopsis serine carboxypeptidase-like gene AtSCPL30 as a potential tool for crop transgenic breeding. BMC Biotechnol. 2018; 18(1):59. doi: 10.1186/s12896–018–0470-x
  12. Smirnova OG, Ibragimova SS, Kochetov AV. Simple database to select promoters for plant transgenesis. Transgenic Res. 2012; 21(2):429—437. doi: 10.1007/s11248–011–9538–2
  13. Smirnova OG, Kochetov AV. Choice of the promoter for tissue and developmental stage-specific gene expression. In: Rustgi S, Luo H. (eds.) Biolistic DNA Delivery in Plants. Methods in Molecular Biology, vol 2124. Humana, New York; 2020. p.69—106. doi: 10.1007/978–1–0716–0356–7_4
  14. Vetchinkina EM, Komakhina VV, Vysotskii DA, Babakov AV, Komakhin RA, Zaitsev DV, et al. Expression of plant antimicrobial peptide pro-SmAMP2 gene increases resistance of transgenic potato plants to Alternaria and Fusarium pathogens. Russian Journal of Genetics. 2016; 52(9):939—951. doi: 10.1134/S 1022795416080147
  15. Vysotskii DA, Strelnikova SR, Efremova LN, Vetchinkina EM, Babakov AV, Komakhin RA. Structural and functional analysis of new plant promoter pro-SmAMP1 from Stellaria media. Russian J Plant Physiol. 2016; 63(5):663—672. doi: 10.1134/S 1021443716050174
  16. Komakhin RA, Vysotskii DA, Shukurov RR, Voblikova VD, Komakhina VV, Strelnikova SR, et al. Novel strong promoter of antimicrobial peptides gene pro-SmAMP2 from chickweed (Stellaria media). BMC Biotechnology. 2016; 16(1):43. doi: 10.1186/s12896–016–0273-x
  17. Madzharova NV, Kazakova KA, Strelnikova SR, Snycheva OA, Vetchinkina EM, Efremova LN, et al. Promoters pro-SmAMP1 and pro-SmAMP2 from Wild Plant Stellaria media for the Biotechnology of Dicotyledons. Russian J Plant Physiol. 2018; 65(5):750—761. doi: 10.1134/S 1021443718040040
  18. Murashige T, Skoog F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue culture. Phys Plantar. 1962; 15:473—497.
  19. Weigel D, Glazebrook J. Transformation of Agrobacterium using electroporation. CSH protocols. 2006; 7:1—17. doi: 10.1101/pdb.prot4665
  20. Danilova SA, Kuznetsov VV, Dolgikh YI. A novel efficient method for maize genetic transformation: usage of agrobacterial monolayer. Russian J Plant Phisiol. 2009; 56(2):258—263. doi: 10.1134/S 1021443709020150
  21. Khatun A, Hasan MM, Bachchu MAA, Moniruzzaman M, Nasiruddin RM. Agrobacterium-mediated genetic transformation of potato (Solanum tuberosum L.) var. Cardinal and Heera. The Agriculturists. 2012; 10(1):81—86. doi: 10.3329/AGRIC.V10I1.11068
  22. Yadav NR, Stiklen MB. Direct and efficient plant regeneration from leaf explants of Solanum tuberosum L. cv. Bintje. Plant Cell Rep. 1995; 14(10):645—647. doi: 10.1007/BF00232730
  23. Trujillo C, Rodrigez-Arango E, Jaramillo S, Hoyos R, Orduz S, Arango R. One-step transformation of two Andean potato cultivars (Solanum tuberosum L. subsp. andigena). Plant Cell Rep. 2001; 20(7):637—641. doi: 10.1007/s002990100381
  24. Kamrani M, Ebadi A, Shiri M. Effect of explant, genotype and plant growth regulators on regeneration and Agrobacterium-mediated transformation of potato. J Agronomy. 2015; 14(4):227—233. doi: 10.3923/ ja.2015.227.233
  25. Beaujean A, Sangwan RS, Lecardonnel A, Sangwan-Norreel BS. Agrobacterium-mediated transformation of three economically important potato cultivars using sliced internodal explants: an efficient protocol of transformation. J Exper Bot. 1998; 49(326):1589—1595. doi: 10.1093/jxb/49.326.1589
  26. Ahmad MZ, Hussain I, Muhammad A, Ali S, Ali GM, Roomi S, et al. Factors affecting Agrobacteriummediated transformation of rice chitinase gene in Solanum tuberosum L. African J of Biotechnol. 2012; 11(41):9716—9723. doi: 10.5897/AJB 11.1961
  27. Varlamova NV, Rodionova MA, Efremova LN, Kharchenko PN, Vysotskii DA, Khaliluev MR. Indirect shoot organogenesis of soybean Glycine max (L.) Merr. from stem segments and use of the explants for Agrobacterium-mediated transformation. Agricultural Biology. 2018; 53(3):521—530. doi: 10.15389/ agrobiology.2018.3.521rus

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 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».