Влияние мутации в гене гороха (Pisum sativum L.) cdt (cadmium tolerance) на гистологическую и ультраструктурную организацию клубеньков

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Был проведен сравнительный анализ структурной организации симбиотических клубеньков исходной линии гороха SGE и мутантной линии SGECdt, характеризующейся повышенной устойчивостью к кадмию и увеличенной его аккумуляцией. Было показано, что не обработанные CdCl2 клубеньки SGE и SGECdt имели сходную гистологическую и ультраструктурную организацию. При действии 100 мкМ CdCl2 в клубеньках SGE в инфицированных клетках наблюдались следующие аномалии: расширение перибактероидного пространства, разрушение симбиосомной мембраны, слияние симбиосом и, как следствие, образование симбиосом, содержащих несколько бактероидов. В клубеньках SGECdt инфицированные клетки в зонах инфекции и азотфиксации не были подвержены сильным изменениям. При действии 1 мМ CdCl2 в основании клубеньков SGE появлялись стареющие инфицированные клетки с полностью разрушенной цитоплазмой и деградирующими бактероидами. Присутствовали также клетки, в которых содержимое симбиосом лизировалось, и в них оставались лишь «тени» бактероидов. У SGECdt в некоторых инфицированных клетках аномалии проявлялись в увеличении перибактероидного пространства, частичном разрушении симбиосомных мембран, слиянии симбиосом и высвобождении бактероидов в вакуоль. Таким образом, устойчивость клубеньков гороха к кадмию может быть повышена благодаря единичной рецессивной мутации cdt.

Об авторах

Анна Викторовна Цыганова

ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии»

Email: isaakij@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3505-4298

канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник, лаборатория молекулярной и клеточной биологии

Россия, 196608, г. Санкт-Петербург, Пушкин 8, ш. Подбельского, д.3

Елена Валентиновна Селивёрстова

ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии»; ФГБУН «Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова» РАН

Email: elena306@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2096-693X

канд. биол. наук, старший научный сотрудник, лаборатория молекулярной и клеточной биологии; старший научный сотрудник, лаборатория физиологии почки и водно-солевого обмена

Россия, 196608, г. Санкт-Петербург, Пушкин 8, ш. Подбельского, д.3; 194223, г. С.-Петербург, пр. Тореза, 44

Виктор Евгеньевич Цыганов

ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии»

Автор, ответственный за переписку.
Email: tsyganov@arriam.spb.ru
ORCID iD: 0000-0003-3105-8689
SPIN-код: 6532-1332
Scopus Author ID: 7006136325
ResearcherId: Q-5634-2016
http://arriam.ru/departments/laboratoriya-molekulyarnoj-i-kletochnoj-biologii/

д-р биол. наук, заведующий лабораторией молекулярной и клеточной биологии

Россия, 196608, г. Санкт-Петербург, Пушкин 8, ш. Подбельского, д.3

Список литературы

  1. Singh OV, Labana S, Pandey G, et al. Phytoremediation: an overview of metallic ion decontamination from soil. Appl Microbiol Biotechnol. 2003;61(5-6):405-412. https://doi.org/10.1007/s00253-003-1244-4.
  2. Sanità di Toppi L, Gabbrielli R. Response to cadmium in higher plants. Environ Exp Bot. 1999;41(2): 105-130. https://doi.org/10.1016/s0098-8472(98) 00058-6.
  3. He S, Yang X, He Z, Baligar VC. Morphological and physiological responses of plants to cadmium toxicity: A review. Pedosphere. 2017;27(3):421-438. https://doi.org/10.1016/s1002-0160(17)60339-4.
  4. Clemens S. Molecular mechanisms of plant me tal tolerance and homeostasis. Planta. 2001;212(4): 475-486. https://doi.org/10.1007/s004250000458.
  5. Clemens S. Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie. 2006;88(11):1707-1719. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2006.07.003.
  6. Kulaeva OA, Tsyganov VE. Molecular-genetic basis of cadmium tolerance and accumulation in higher plants. Russ J Genet Appl Res. 2011;1(5):349-360. https://doi.org/10.1134/s2079059711050108.
  7. Chen YX, He YF, Yang Y, et al. Effect of cadmium on nodulation and N2-fixation of soybean in contaminated soils. Chemosphere. 2003;50(6):781-787. https://doi.org/10.1016/s0045-6535(02)00219-9.
  8. Carpena RO, Vázquez S, Esteban E, et al. Cadmium-stress in white lupin: effects on nodule structure and functioning. Plant Physiol Biochem. 2003;41(10):911-919. https://doi.org/10.1016/s0981-9428(03)00136-0.
  9. Shvaleva A, Coba de la Peña T, Rincón A, et al. Flavodoxin overexpression reduces cadmium-indu ced damage in alfalfa root nodules. Plant Soil. 2010;326(1-2):109-121. https://doi.org/10.1007/s11104-009-9985-1.
  10. Garg N, Bhandari P. Influence of cadmium stress and arbuscular mycorrhizal fungi on nodule senescence in Cajanus cajan (L.) Millsp. Int J Phytoremediation. 2012;14(1):62-74. https://doi.org/10.1080/15226514.2011.573822.
  11. Chubukova OV, Postrigan’ BN, Baimiev AK, Che meris AV. The effect of cadmium on the efficiency of development of legume-rhizobium symbiosis. Biol Bull. 2015;42(5):458-462. https://doi.org/10.1134/s1062359015050040.
  12. Rivera-Becerril F, Calantzis C, Turnau K, et al. Cadmium accumulation and buffering of cadmium-induced stress by arbuscular mycorrhiza in three Pisum sativum L. genotypes. J Exp Bot. 2002;53(371):1177-1185. https://doi.org/10.1093/jexbot/53.371.1177.
  13. Belimov AA, Puhalsky IV, Safronova VI, et al. Role of plant genotype and soil conditions in symbiotic plant-microbe interactions for adaptation of plants to cadmium-polluted soils. Water Air Soil Pollut. 2015;226(8):264. https://doi.org/10.1007/s11270-015-2537-9.
  14. Tsyganov VE, Belimov AA, Borisov AY, et al. A che mically induced new pea (Pisum sativum) mutant SGECdt with increased tolerance to, and accumulation of, cadmium. Ann Bot. 2007;99(2):227-237. https://doi.org/10.1093/aob/mcl261.
  15. Tsyganov VE, Kulaeva OA, Knox MR, et al. Using of SSAP analysis for primary localization of mutation cdt (cadmium tolerance) in pea linkage group VI. Russ J Genet Appl Res. 2013;3(2):152-155. https://doi.org/10.1134/s2079059713020081.
  16. Kulaeva OA, Tsyganov BE. Fine mapping of a cdt locus mutation that leads to an increase in the tolerance of pea (Pisum sativum L.) to cadmium. Russ J Genet Appl Res. 2013;3(2):120-126. https://doi.org/10.1134/s2079059713020020.
  17. Belimov AA, Malkov NV, Puhalsky JV, et al. The crucial role of roots in increased cadmium-tolerance and Cd-accumulation in the pea mutant SGECdt. Biol Plant. 2018;62(3):543-550. https://doi.org/10.1007/s10535-018-0789-0.
  18. Tsyganov VE, Zhernakov AI, Khodorenko AV, et al. Mutational analysis to study the role of genetic factors in pea adaptation to stresses during development its symbioses with Rhizobium and mycorrhizal fungi. In: Biological Nitrogen Fixation, Sustainable Agriculture and the Environment. Ed. by Y.P. Wang, M. Lin, Z.X. Tian, et al. Dordrecht: Springer; 2005. P. 279-281.
  19. Kosterin OE, Rozov SM. Mapping of the new mutation blb and the problem of integrity of linkage group I. Pisum Genet. 1993;25:27-31.
  20. Safronova VI, Novikova NI. Comparison of two me thods for root nodule bacteria preservation: Lyophilization and liquid nitrogen freezing. J Microbiol Methods. 1996;24(3):231-237. https://doi.org/10.1016/0167-7012(95)00042-9.
  21. Hernández-Jiménez MJ, Mercedes Lucas M, de Felipe MR. Antioxidant defence and damage in senescing lupin nodules. Plant Physiol Biochem. 2002;40 (6-8): 645-657.
  22. van Doorn WG. Classes of programmed cell death in plants, compared to those in animals. J Exp Bot. 2011;62(14):4749-4761. https://doi.org/10.1093/jxb/err196.
  23. Banba M, Siddique AB, Kouchi H, et al. Lotus japonicus forms early senescent root nodules with Rhizobium etli. Mol Plant Microbe Interact. 2001;14(2):173-180. https://doi.org/10.1094/MPMI.2001.14.2.173.
  24. Serova TA, Tsyganova AV, Tsyganov VE. Early nodule senescence is activated in symbiotic mutants of pea (Pisum sativum L.) forming ineffective nodules blocked at different nodule developmental stages. Protoplasma. 2018;255(5):1443-1459. https://doi.org/10.1007/s00709-018-1246-9.
  25. Belimov AA, Safronova VI, Tsyganov VE, et al. Genetic variability in tolerance to cadmium and accumulation of heavy metals in pea (Pisum sativum L.). Euphytica. 2003;131(1):25-35. https://doi.org/10.1023/a:1023048408148.
  26. Ausili P, Borisov A, Lindblad P, Mårtensson A. Cadmium affects the interaction between peas and root nodule bacteria. Acta Agric Scand B Soil Plant Sci. 2002;52(1):8-17. https://doi.org/10.1080/090647102320259992.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Гистологическая организация клубеньков гороха исходной линии SGE и мутантной линии SGECdt, не обработанных и обработанных 100 мкМ CdCl2, и ультраструктурная организация необработанных клубеньков SGECdt: а — гистологическая организация необработанных клубеньков SGE; б — гистологическая организация необработанных клубеньков SGECdt; в, д — гистологическая организация клубеньков SGE, обработанных 100 мкМ CdCl2; г, е — гистологическая организация клубеньков SGECdt, обработанных 100 мкМ CdCl2; ж — инфицированная клетка SGECdt из зоны инфекции с инфекционной нитью и ювенильными бактероидами; з — инфицированная клетка SGECdt из зоны азотфиксации с плейоморф ными бактероидами. I — меристема, II — зона инфекции, II–III — переходная зона между зонами инфекции и азотфиксации, III — зона азотфиксации, ИК — инфицированная клетка, НИК — неинфицированная клетка, ДИК — деградирующая инфицированная клетка, ИН — инфекционная нить, КС — клеточная стенка, Б — бактерия, Ба — бактероид, ЮБа — ювенильный бактероид; стрелки указывают на симбио сомную мембрану. Масштабная линейка: а–г — 100 мкм, д, е — 20 мкм, ж, з — 1 мкм

Скачать (419KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Ультраструктурная организация клубеньков гороха исходной линии SGE, обработанных 100 мкМ CdCl2: а, б — инфицированные клетки из зоны азотфиксации с плейоморфными бактероидами; в, г — инфицированные клетки из зоны азотфиксации с первичными признаками старения (деградация цитоплазмы и нарушения строения инфекционных нитей); д, е — деградирующие инфицированные клетки из зоны старения. ИК — инфицированная клетка, ДИК — деградирующая инфицированная клетка, Я — ядро, А — амилопласт, ИН — инфекционная нить, Ба — бактероид, МС — «множественная» симбиосома, образующаяся в результате слияния симбиосом и содержащая несколько бактероидов; стрелки указывают на симбиосомную мембрану, наконечники стрелок — на разрушающиеся симбиосомные мембраны, звездочки — на выросты инфекционной нити, содержащие матрикс без бактерий. Масштабная линейка: а, в, д — 5 мкм; б, г, е — 1 мкм

Скачать (380KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Ультраструктурная организация клубеньков гороха мутантной линии SGECdt, обработанных 100 мкМ CdCl2: а — инфицированная клетка из зоны азотфиксации с инфекционной нитью и инфекционной каплей; б — инфицированная клетка из зоны инфекции с инфекционной нитью и ювенильными бактероидами; в — инфицированные клетки из зоны азотфиксации, заполненные симбиосомами с расширенными перибактероидными пространствами; г — плейоморфные бактероиды из зоны азотфиксации. ИК — инфицированная клетка, Я — ядро, КС — клеточная стенка, ИН — инфекционная нить, Ика — инфекционная капля, Ба — бактероид, МС — «множественная» симбиосома, образующаяся в результате слияния симбиосом и содержащая несколько бактероидов; стрелки указывают на симбиосомную мембрану, наконечники стрелок — на разрушение симбиосомных мембран. Масштабная линейка: а — 5 мкм; б, г — 1 мкм; в — 2 мкм

Скачать (563KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Ультраструктурная организация клубеньков гороха исходной линии SGE, обработанных 1 мМ CdCl2: а — инфицированные клетки из зоны азотфиксации с начальными признаками деградации; б — плейоморфные бактероиды из зоны азотфиксации; в — деградирующая инфицированная клетка из зоны старения с инфекционной нитью и инфекционной каплей; г — бактероиды нерегулярной формы и со складчатой поверхностью в деградирующей инфицированной клетке из зоны старения; д — деградирующая инфицированная клетка из зоны старения, заполненная «тенями» бактероидов; е — деградирующие бактероиды с частично просветленным матриксом и разрушенной симбиосомной мембраной. ИК — инфицированная клетка, ДИК — деградирующая инфицированная клетка, Я — ядро, В — вакуоль, КС — клеточная стенка, ИН — инфекционная нить, Ика — инфекционная капля, Ба — бактероид, ДБа — деградирующий бактероид, МС — «множественная» симбиосома, образующаяся в результате слияния симбиосом и содержащая несколько бактероидов; стрелки указывают на симбиосомную мембрану, наконечники стрелок — на разрушение симбиосомных мембран, треугольники — на «тени» бактероидов. Масштабная линейка: а, в, д — 5 мкм; б, г, е — 1 мкм

Скачать (384KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Ультраструктурная организация клубеньков гороха мутантной линии SGECdt, обработанных 1 мМ CdCl2: а — инфицированная клетка из зоны инфекции с ювенильными бактероидами; б — плейоморфные бактероиды в инфицированной клетке из зоны азотфиксации; в — инфицированная клетка из зоны азотфиксации с начальными признаками деградации симбиосом: расширением перибактероидного пространства, разрушением симбиосомной мембраны и слиянием симбиосом; г — деградирующая инфицированная клетка из зоны старения. ИК — инфицированная клетка, В — вакуоль, КС — клеточная стенка, А — амилопласт, Ба — бактероид, ЮБа — ювенильный бактероид, МС — «множественная» симбиосома, образующаяся в результате слияния симбиосом и содержащая несколько бактероидов, стрелки указывают на симбиосомную мембрану, наконечники стрелок — на разрушение симбиосомных мембран. Масштабная линейка: а, б — 1 мкм; в — 2 мкм; г — 5 мкм

Скачать (485KB)
Метаданные

© Цыганова А.В., Селивёрстова Е.В., Цыганов В.Е., 2019

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах