Индуцированная экспрессия rolC для изучения его влияния на экспрессию генов, связанных с синтезом никотина в табаке

Обложка
  • Авторы: Амини Г.1, Сокорнова С.В.2, Мохаджел-Шожа Х.1, Ставрианиди А.Н.3, Родин И.А.3, Матвеева Т.В.4
  • Учреждения:
    1. Тебризский университет
    2. Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений»
    3. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»
    4. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет»
  • Выпуск: Том 18, № 4 (2020)
  • Страницы: 413-422
  • Раздел: Генетические основы эволюции экосистем
  • URL: https://journals.rcsi.science/ecolgenet/article/view/33768
  • DOI: https://doi.org/10.17816/ecogen33768
  • ID: 33768

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Гены rol Agrobacterium rhizogenes вызывают не только синдром волосистых корней у растений, но и влияют на их вторичный метаболизм. Описаны случаи увеличения содержания никотина в трансгенных корнях табака, экспрессирующих rolC отдельно или в комбинации с другими rol-генами. В этой работе мы оценили изменение экспрессии генов синтеза никотина и их регуляторов в ответ на индукцию экспрессии rolC. Растительный материал был представлен тремя генотипами Nicotiana tabacum: сорт Samsun и две трансгенные линии, полученные на основе этого сорта, и содержащие rolC под индуцируемым дексаметазоном промотором A rhizogenes rolC (Pdex-A4rolC) и N. tabacum rolC (Pdex-NtrolC) соответственно. Систему ПЦР в реальном времени Fluidigm Biomark использовали для оценки экспрессии QPT1, QPT2, A622, ODC, ADC, PMT1, PMT2, PMT3, PMT4, MPO1, MPO2, BBL, MATE1, MATE2, ARF6, ERF168, ERF189, A4rolC, NtrolC и контрольного гена gapdh. Анализ ВЭЖХ-МС/МС использовали для определения содержания никотина и его производных в растительных тканях. Экспрессия генов синтеза пирролидинового кольца РМТ, а также генов, контролирующих фермент конечной стадии синтеза никотина, была выше в трансгенных линиях без индукции экспрессии rolC. Регуляторные гены были активированы дексаметазоном как в трансгенных, так и в контрольных линиях, что указывает на неприменимость индукции rolC дексаметазоном для их исследования. В то же время уровень экспрессии генов PMT и MPO со временем повышался в трансгенных дексаметазон-индуцированных растениях, а содержание никотина снижалось. Таким образом, ген rolC не играет первостепенной роли в регуляции генов синтеза никотина. Механизм регуляции изученных генов неодинаков.

Об авторах

Гита Амини

Тебризский университет

Email: gita.amini85@gmail.com

канд. биол. наук, факультет естествознания, кафедра наук о растениях

Иран, Тебриз

Софья Валерьевна Сокорнова

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт
защиты растений»

Email: svsokornova@vizr.spb.ru
ORCID iD: 0000-0001-6718-4818
SPIN-код: 3223-0513
Scopus Author ID: 57204448871

канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории фитотоксикологии и биотехнологии

Россия, Пушкин, Санкт-Петербург

Хани Мохаджел-Шожа

Тебризский университет

Email: mohajelh@yahoo.com

доктор биологии растений, доцент, факультет естественных наук, кафедра наук о растениях

Иран, Тебриз

Андрей Николаевич Ставрианиди

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»

Email: stavrianidi.andrey@gmail.com
SPIN-код: 3214-0907

канд. хим. наук, доцент кафедры аналитической химии, химический факультет

Россия, Москва

Игорь Александрович Родин

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»

Email: igorrodin@yandex.ru
SPIN-код: 2434-5903

д-р хим. наук, ведущий научный сотрудник кафедры аналитической химии, химический факультет

Россия, Москва

Татьяна Валерьевна Матвеева

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: radishlet@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8569-6665

д-р биол. наук, профессор кафедры генетики и биотехнологии

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. White FF, Garfinkel DJ, Huffman GA, et al. Sequence homologous to Agrobacterium rhizogenes T-DNA in the genomes of uninfected plants. Nature. 1983;301(5898):348-350. https://doi.org/10.1038/301348a0.
  2. Chen K, de Borne DF, Szegedi E, Otten L. Deep sequencing of the ancestral tobacco species Nicotiana tomentosiformis reveals multiple T-DNA inserts and a complex evolutionary history of natural transformation in the genus Nicotiana. Plant J. 2014;80(4):669-682. https://doi.org/10.1111/tpj.12661.
  3. Chen K, Otten L. Natural Agrobacterium transformants: recent results and some theoretical considerations. Front Plant Sci. 2017;8: e1600. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01600.
  4. Matveeva TV. Agrobacterium-mediated transformation in the evolution of plants. Curr Top Microbiol Immunol. 2018;418:421-441. https://doi.org/10.1007/82_2018_80.
  5. Flores H, Pickard J, Hoy M. Production of polyacetylenes and thiophenes in heterotrophic and photosynthetic root cultures of Asteraceae. In: Lam J, Breheler H, Arnason T, Hansen L, eds. Chemistry and biology of naturally occurring acetylenes and related compounds (NOARC) bioactive molecules. Vol. 7. Elsevier, Amsterdam; 1988. Р. 233-254.
  6. Hamill JD, Parr AJ, Rhodes MJ, et al. New routes to plant secondary products. Nat Biotechnol. 1987;5(8):800-804. https://doi.org/10.1038/nbt0887-800.
  7. Rhodes MJ, Robins RJ, Hamill JD, et al. Secondary product formation using Agrobacterium rhizogenes-transformed hairy root cultures. IAPTC Newsletter. 1987;53:2-15.
  8. Matveeva TV, Sokornova SV, Lutova LA. Influence of Agrobacterium oncogenes on secondary metabolism of plants. Phytochem Rev. 2015;14(3):541-556. https://doi.org/10.1007/s11101-015-9409-1.
  9. Saitoh F, Kawasima N. The alkaloid contents of sixty Nicotiana species. Phytochemistry. 1985;24:477. https://doi.org/10.1016/S0031-9422(00)80751-7.
  10. Palazon J, Cusido RM, Roig C, et al. Expression of the rolC gene and nicotine production in transgenic roots and their regenerated plants. Plant Cell Rep. 1998;17(5):384-390. https://doi.org/10.1007/s002990050411.
  11. Zenkner FF, Margis-Pinheiro M, Cagliari A. Nicotine biosynthesis in Nicotiana: a metabolic overview. Tobacco Science. 2019;56(1):1-9. https://doi.org/10.3381/18-063.
  12. Aoyama T, Chua NH. A glucocorticoid-mediated transcriptional induction system in transgenic plants. Plant J. 1997;11(3):605-612. https://doi.org/10.1046/j.1365-313X.1997.11030605.x.
  13. Mohajjel-Shoja H, Clément B, Perot J, et al. Biological activity of the Agrobacterium rhizogenes-derived trolC gene of Nicotiana tabacum and its functional relation to other plast genes. Mol Plant Microbe Interact. 2011;24(1):44-53. https://doi.org/10.1094/MPMI-06-10-0139.
  14. Dewey R, Xie J. Molecular genetics of alkaloid biosynthesis in Nicotiana tabacum. Phytochemistry. 2013;94:10-27. https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2013.06.002.
  15. Shoji T, Kajikawa M, Hashimoto T. Clustered transcription factor genes regulate nicotine biosynthesis in tobacco. Plant Cell. 2010;22(10): 3390-3409. https://doi.org/10.1105/tpc.110. 078543.
  16. Qin Y, Bai S, Li W, et al. Transcriptome analysis reveals key genes involved in the regulation of nicotine biosynthesis at early time points after topping in tobacco (Nicotiana tabacum L.). BMC Plant Biol. 2020;20(1):30. https://doi.org/10.1186/s12870-020-2241-9.
  17. Murashige T, Skoog F. A revised medium for rapid growth and bio assays with tobacco tissue cultures. Physiologia Plantarum. 1962;15(3): 473-497. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1962. tb08052.x.
  18. Matveeva T, Amini G. Fluidigm BioMark diagnostic panel for analysis of the expression of Nicotiana tabacum genes, associated with alkaloid synthesis. Hairy root cultures (HRCs) based applications. Methods and Protocols. Srivastava V, Mehrotra S, Mishra S, eds. Springer; 2020. Р. 229-237.
  19. Ruprecht C, Tohge T, Fernie A, et al. Transcript and metabolite profiling for the evaluation of tobacco tree and poplar as feedstock for the bio-based industry. J Vis Exp. 2014;(87):51393. https://doi.org/10.3791/51393.
  20. Smyth TJ, Ramachandran VN, McGuigan A, et al. Characterisation of nicotine and related compounds using electrospray ionisation with ion trap mass spectrometry and with quadrupole time-of-flight mass spectrometry and their detection by liquid chromatography/electrospray ionisation mass spectrometry. Rapid Commun Mass Spectrom. 2007;21(4):557-566. https://doi.org/10.1002/rcm.2871.
  21. Analysis of variance (ANOVA). Available from: http://statsoft.ru/products/STATISTICA_Base/analysis-of-variance.php/. Active on: 01.10.2020.
  22. Li C, Teng W, Shi Q, Zhang F. Multiple signals regulate nicotine synthesis in tobacco plant. Plant Signal Behav. 2007;2(4):280-281. https://doi.org/10.4161/psb.2.4.4008.
  23. Moore I, Samalova M, Kurup S. Transactivated and chemically inducible gene expression in plants. The Plant J. 2006;45(4):651-683. https://doi.org/10.1111/j.1365-313x.2006.02660.x.
  24. Meyer AD, Ichikawa T, Meins FJ. Horizontal gene transfer: regulated expression of a tobacco homologue of the Agrobacterium rhizogenes rolC gene. Mol Gen Genet. 1995;249(3):265-273. https://doi.org/10.1007/BF00290526.
  25. Matveeva T, Berezina E, Isaeva I, et al. Influence of some rol genes on sugar content in Nicotiana and Vaccinium. BIO Web of Conferences. 2020;18:00020. https://doi.org/10.1051/bioconf/20201800020.
  26. Hidalgo Martinez D, Payyavula RS, Kudithipudi C, et al. Genetic attenuation of alkaloids and nicotine content in tobacco (Nicotiana tabacum). Planta. 2020;251(4):92. https://doi.org/10.1007/s00425-020-03387-1.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Биосинтез никотина: аспартатоксидаза (АО), хинолинатсинтаза (QS), хинолинатфосфорибозилтрансфераза (QPT), орнитиндекарбоксилаза (ODC), путресцин-N-метилтрансфераза (PMT), N-метилпутресциноксидаза, семейство PO-IP-дуктазы (MPO). (A622), фермент-подобный бербериновый мостик (BBL)

Скачать (106KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Относительный уровень экспрессии генов A622, PMT1, PMT3 в корнях неиндуцированных линий табака.

Скачать (43KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Динамика экспрессии генов A4rolC и NtrolC. На графике показаны уровни экспрессии исследуемых генов относительно эталонного гена gapdh.

Скачать (20KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Динамика экспрессии генов факторов транскрипции ARF6, ERF168 и генов ADS и ODS, кодирующих ферменты начальных стадий синтеза пирролидинового кольца. Уровни экспрессии интересующих генов сорта Самсун в начале эксперимента были приняты равными 1

Скачать (115KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Динамика экспрессии генов ферментов синтеза пирролидинового кольца. Уровень экспрессии генов или интереса сорта Самсун в начале эксперимента принимали за 1

Скачать (120KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Содержание алкалоидов в экстрактах листьев линий табака после обработки дексаметазоном (MS-dex - растения, культивируемые на среде MS с дексаметазоном; MSO - контрольные растения, культивируемые на среде MS без дексаметазона)

Скачать (30KB)
Метаданные

© ООО "Эко-вектор", 2021

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