Зачем растениям агробактериальные гены?

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Агробактериальная трансформация в природе является причиной развития заболеваний: корончатых галлов и косматых корней. Эти новообразования представляют собой трансгенные ткани на нетрансгенном растении. Однако в природе возникают полноценные генетически модифицированные организмы, содержащие агробактериальные трансгены во всех клетках и передающие их в ряду половых поколений. Эти растения называют природно-трансгенными или природными генетически модифицированными организмами. За последние 3 года список видов природных генетически модифицированных организмов был существенно расширен. Благодаря этому стало возможным сделать определенные обобщения и более предметно обсуждать возможную эволюционную роль данного явления. Представленный мини-обзор посвящен обобщению данных относительно возможных функций генов агробактериального происхождения в геномах растений.

Об авторах

Татьяна Валерьевна Матвеева

Санкт-Петербургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: radishlet@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8569-6665
SPIN-код: 3877-6598
Scopus Author ID: 7006494611
ResearcherId: J-6000-2013

д-р биол. наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Ormeno-Orrillo E., Servín-Garciduenas L.E., Rogel M.A., et al. Taxonomy of rhizobia and agrobacteria from the Rhizobiaceae family in light of genomics // Syst Appl Microbiol. 2015. Vol. 38. No. 4. P. 287–291. doi: 10.1016/j.syapm.2014.12.002
  2. Chilton M.D. Agrobacterium Ti plasmids as a tool for genetic engineering in plants. In: Rains D.W., Valentine R.C., Hollaender A., editors. Genetic Engineering of Osmoregulation, Basic Life Sciences. Boston: Springer, MA, 1980. Vol. 14. P. 23–31. doi: 10.1007/978-1-4684-3725-6_3
  3. Nester E.W. Agrobacterium: nature’s genetic engineer // Front Plant Sci. 2014. Vol. 5. ID730. doi: 10.3389/fpls.2014.00730
  4. Matveeva T.V. Agrobacterium-mediated transformation in the evolution of plants // Curr Top Microbiol Immunol. 2018. Vol. 418. P. 421–441. doi: 10.1007/82_2018_ 80
  5. Aubin E., El Baidouri M., Panaud O. Horizontal Gene Transfers in Plants // Life (Basel). 2021. Vol. 11. No. 8. ID857. doi: 10.3390/life11080857
  6. Koonin E.V., Wolf Y.I. Evolution of microbes and viruses: a paradigm shift in evolutionary biology? // Front Cell Infect Microbiol. 2012. Vol. 13. No. 2. ID119. doi: 10.3389/fcimb.2012.00119
  7. Richardson A.O., Palmer J.D. Horizontal gene transfer in plants // J Exp Bot. 2007. Vol. 58. No. 1. P. 1–9. doi: 10.1093/jxb/erl148
  8. Husnik F., McCutcheon J.P. Functional horizontal gene transfer from bacteria to eukaryotes // Nat Rev Microbiol. 2018. Vol. 16. No. 2. P. 67–79. doi: 10.1038/nrmicro.2017.137
  9. White F.F., Garfinkel D.J., Huffman G.A., et al. Sequences homologous to Agrobacterium rhizogenes T-DNA in the genomes of uninfected plants // Nature. 1983. Vol. 3012. P. 348–350. doi: 10.1038/301348a0
  10. Kyndt T., Quispe D., Zhai H., et al. The genome of cultivated sweet potato contains Agrobacterium T-DNAs with expressed genes: an example of a naturally transgenic food crop // PNAS. 2015. Vol. 112. No. 18. P. 5844–5849. doi: 10.1073/pnas.1419685112
  11. Matveeva T.V., Bogomaz D.I., Pavlova O.A., et al. Horizontal gene transfer from genus Agrobacterium to the plant Linaria in nature // Mol Plant Microbe Interact. 2012. Vol. 25. No. 12. P. 1542–1551. doi: 10.1094/MPMI-07-12-0169-R
  12. Matveeva T.V., Kosachev P.A. Sequences homologous to Agrobacterium rhizogenes rolC in the genome of Linaria acutiloba // Proceedings of 2013 International Conference on Frontiers of Environment, Energy and Bioscience (ICFEEB2013). China, Beijing: 2013. Р. 541–546.
  13. Матвеева Т.В., Сокорнова С.В. Биологические особенности природно-трансгенных растений и их роль в эволюции // Физиология растений. 2017. Т. 64, № 5. C. 323–336. doi: 10.1134/S1021443717050089
  14. Matveeva T.V., Otten L. Widespread occurrence of natural genetic transformation of plants by Agrobacterium // Plant Mol Biol. 2019. Vol. 101. P. 415–437. doi: 10.1007/s11103-019-00913-y
  15. Matveeva T.V. New naturally transgenic plants: 2020 update // Biol Commun. 2021. Vol. 66. No. 1. P. 36–46. doi: 10.21638/spbu03.2021.105
  16. Лутова Л.А., Матвеева Т.В. Генная и клеточная инженерия в биотехнологии высших растений: учебник / под ред. И.А. Тихоновича. Санкт-Петербург: Эко-Вектор, 2016. 167 с.
  17. https://www.plantarium.ru/ [интернет]. Плантариум. Растения и лишайники России и сопредельных стран: открытый онлайн- атлас и определитель растений [дата обращения 1.11.2021]. Доступ по ссылке: https://www.plantarium.ru/.
  18. Morton J. Surinam cherry. In: Fruits of warm climates. Miami, 1987. P. 386–388.
  19. Муравьева Д.А. Тропические и субтропические лекарственные растения: 2-е изд. перераб. и доп. Москва: Медицина, 1983. 336 с.
  20. Еленевский А.Г. Ботаника. Систематика высших, или наземных, растений. Москва: Академия, 2004.
  21. Владимиров И.А., Матвеева Т.В., Лутова Л.А. Гены биосинтеза и катаболизма опинов // Генетика. 2015. Т. 51, № 2. С. 137–146. doi: 10.1134/S1022795415020167
  22. Chen K., Dorlhac de Borne F., Sierro N., et al. Organization of the TC and TE cellular T-DNA regions in Nicotiana otophora and functional analysis of three diverged TE-6b genes // Plant J. 2018. Vol. 94. No. 2. P. 274–287. doi: 10.1111/tpj.13853
  23. Chen K., Otten L. Natural Agrobacterium transformants: recent results and some theoretical considerations // Front Plant Sci. 2017. Vol. 8. ID1600. doi: 10.3389/fpls.2017.01600
  24. Matveeva T.V., Otten L. Opine biosynthesis in naturally transgenic plants: Genes and products // Phytochemistry. 2021. Vol. 189. ID112813. doi: 10.1016/j.phytochem.2021.112813
  25. Chen K., Dorlhac de Borne F., 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. Vol. 80. No. 4. P. 669–682. doi: 10.1111/tpj.12661
  26. Otten L. Natural agrobacterium-mediated transformation in the genus Nicotiana. In: Ivanov N., Sierro N., Peitsch M.C., editors. The Tobacco Plant Genome. Springer: 2020. Р. 195–209. doi: 10.1007/978-3-030-29493-9_12
  27. Levesque H., Delepelaire P., Rouze P., et al. Common evolutionary origin of the central portions of the Ri TL-DNA of Agrobacterium rhizogenes and the Ti T-DNAs of Agrobacterium tumefaciens // Plant Mol Biol. 1988. Vol. 11. P. 731–744. doi: 10.1007/BF00019514
  28. Altamura M.M., Capitani F., Gazza L., et al. The plant oncogene rolB stimulates the formation of flower and root meristemoids in tobacco thin cell layers // New Phytol. 1994. Vol. 126. No. 2. P. 283–293. doi: 10.1111/j.1469-8137.1994.tb03947.x
  29. Koltunow A.M., Johnson S.D., Lynch M., et al. Expression of rolB in apomictic Hieracium piloselloides Vill. causes ectopic meristems in planta and changes in ovule formation, where apomixis initiates at higher frequency // Planta. 2001. Vol. 214. P. 196–205. doi: 10.1007/s004250100612
  30. Schmülling T., Schell J., Spena A. Single genes from Agrobacterium rhizogenes influence plant development // EMBO J. 1988. Vol. 7. No. 9. P. 2621–2629. doi: 10.1002/j.1460-2075.1988.tb03114.x
  31. Casanova E., Trillas M.I., Moysset L., Vainstein A. Influence of rol genes in floriculture // Biotechnol Adv. 2005. Vol. 23. No. 1. P. 3–39. doi: 10.1016/j.biotechadv.2004.06.002
  32. Gorpenchenko T.Y., Kiselev K.V., Bulgakov V.P., et al. The Agrobacterium rhizogenes rolC-gene induced somatic embryogenesis and shoot organogenesis in Panax ginseng transformed calluses // Planta. 2006. Vol. 223. P. 457–467. doi: 10.1007/s00425-005-0102-2
  33. Hansen G., Vaubert D., Heron J.H., et al. Phenotypic effects of overexpression of Agrobacterium rhizogenes T-DNA ORF13 in transgenic tobacco plants are mediated by diffusible factor(s) // Plant J. 1993. Vol. 4. No. 3. P. 581–585. doi: 10.1046/j.1365-313X.1993.04030581.x
  34. Lemcke K., Schmülling T. Gain of function assays identify non-rol genes from Agrobacterium rhizogenes TL-DNA that alter plant morphogenesis or hormone sensitivity // Plant J. 1998. Vol. 15. No. 3. P. 423–433. doi: 10.1046/j.1365-313X.1998.00223.x
  35. Stieger P.A., Meyer A.D., Kathmann P., et al. The orf13 T-DNA gene of Agrobacterium rhizogenes confers meristematic competence to differentiated cells // Plant Physiol. 2004. Vol. 135. No. 3. P. 1798–1808. doi: 10.1104/pp.104.040899
  36. Kodahl N., Müller R., Lütken H. The Agrobacterium rhizogenes oncogenes rolB and ORF13 increase formation of generative shoots and induce dwarfism in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh // Plant Sci. 2016. Vol. 252. P. 22–29. doi: 10.1016/j.plantsci.2016.06.020
  37. Matveeva T.V., Lutova L.A. Horizontal gene transfer from Agrobacterium to plants // Front Plant Sci. 2014. Vol. 5. ID326. doi: 10.3389/fpls.2014.00326
  38. Aoki S., Kawaoka A., Sekine M., et al. Sequence of the cellular T-DNA in the untransformed genome of Nicotiana glauca that is homologous to ORFs 13 and 14 of the Ri plasmid and analysis of its expression in genetic tumours of N. glauca × N. langsdorffii. Mol Gen Genet. 1994;243(6):706–710. doi: 10.1007/BF00279581.
  39. Матвеева Т.В., Богомаз О.Д., Голованова Л.А., и др. Гомологи гена rolC природно-трансгенных льнянок Linaria vulgaris и Linaria creticola экспрессируются in vitro // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018. Т. 22, № 2. С. 273–278. doi: 10.18699/VJ18.359
  40. Quispe-Huamanquispe D.G., Gheysen G., Yang J., et al. The horizontal gene transfer of Agrobacterium T-DNAs into the series Batatas (Genus Ipomoea) genome is not confined to hexaploid sweetpotato // Sci Rep. 2019. Vol. 9. ID12584. doi: 10.1038/s41598-019-48691-3
  41. Aoki S., Syono K. Function of ngrol genes in the evolution of Nicotiana glauca: conservation of the function of NgORF13 and NgORF14 after ancient infection by an Agrobacterium rhizogenes-like ancestor // Plant and Cell Physiol. 1999. Vol. 40. No. 2. P. 222–230. doi: 10.1093/oxfordjournals.pcp.a029531
  42. Aoki S., Syono K. Horizontal gene transfer and mutation: ngrol genes in the genome of Nicotiana glauca // PNAS. 1999. Vol. 96. No. 23. P. 13229–13234. doi: 10.1073/pnas.96.23.13229
  43. Mohajjel-Shoja H., Clément B., Perot J., et al. Biological acti¬vity of the Agrobacterium rhizogenes-derived trolC gene of Nicotiana tabacum and its functional relationship to other plast genes // Mol Plant Microbe Interact. 2011. Vol. 24. No. 1. P. 44–53. doi: 10.1094/MPMI-06-10-0139
  44. Fründt C., Meyer A.D., Ichikawa T., Meins F. A tobacco homologue of the Ri-plasmid orf13 gene causes cell proliferation in carrot root discs // Mol Gen Genet. 1998. Vol. 259. P. 559–568. doi: 10.1007/s004380050849
  45. Matveeva T.V., Sokornova S.V., Lutova L.A. Influence of Agrobacterium oncogenes on secondary metabolism of plants // Phytochem Rev. 2015. Vol. 14. P. 541–554. doi: 10.1007/s11101-015-9409-1
  46. Matveeva T., Sokornova S. Agrobacterium rhizogenes Mediated Transformation of Plants for Improvement of Yields of Secondary Metabolites. In: Pavlov A., Bley T., editors. Reference Series in Phytochemistry. Bioprocessing of Plant in vitro Systems. Springer: 2016. P. 1–42. doi: 10.1007/978-3-319-32004-5_18-1
  47. Palazon J., Cusido R.M., Gonzalo J., et al. Relation between the amount the rolC gene product and indole alkaloid accumulation in Ca¬tharanthus roseus transformed root cultures // J Plant Physiol. 1998a. Vol. 153. No. 5–6. P. 712–718. doi: 10.1016/S0176-1617(98)80225-3
  48. Palazon J., Cusido R.M., Roig C., Pino M.T. Expression of the rolC gene and nicotine production in transgenic roots and their regenerated plants // Plant Cell Rep. 1998b. Vol. 17. P. 384–390. doi: 10.1007/s002990050411
  49. Amini G., Sokornova S.V., Mohajjel-Shoja H., et al. Induced expression of rolC for study of its effect on the expression of genes associated with nicotine synthesis in tobacco // Ecological genetics. 2020. Vol. 18. No. 4. P. 413–422. doi: 10.17816/ecogen33768
  50. Clément B., Perot J., Geoffroy P., et al Abnormal accumulation of sugars and phenolics in tobacco roots expressing the Agrobacterium T-6b oncogene and the role of these compounds in 6b-induced growth // Mol Plant Microbe Interact. 2007. Vol. 20. No. 1. P. 53–62. doi: 10.1094/MPMI-20-0053
  51. 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. Vol. 18. ID00020. doi: 10.1051/bioconf/20201800020
  52. Chen K., Dorlhac de Borne F., Julio E., et al. Root-specific expression of opine genes and opine accumulation in some cultivars of the naturally occurring GMO Nicotiana tabacum // Plant J. 2016. Vol. 87. No. 3. P. 258–269. doi: 10.1111/tpj.13196
  53. Zhang Y., Wang D., Wang Y., et al. Parasitic plant dodder (Cuscuta spp.): a new natural Agrobacterium-to-plant horizontal gene transfer species // Sci China Life Sci. 2020. Vol. 63. P. 312–316. doi: 10.1007/s11427-019-1588-x
  54. Beauchamp C.J., Chilton W.S., Dion P., Antoun H. Fungal catabolism of crown gall opines // Appl Environ Microbiol. 1990. Vol. 56. No. 1. P. 150–155. doi: 10.1128/aem.56.1.150-155.1990
  55. Sokornova S.V., Matveeva T.V. Phylogenetic Relationships of Ascomycetes Opine Synthases // BMC Bioinformatics. (accepted for publication).
  56. Geddes B.A., Paramasivan P., Joffrin A., et al. Engineering transkingdom signalling in plants to control gene expression in rhizosphere bacteria // Nat Commun. 2019. Vol. 10. ID3430. doi: 10.1038/s41467-019-10882-x

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Количество родов природных ГМО с различными по структуре клТ-ДНК (а) и типы структур протяженных клТ-ДНК (b)

Скачать (102KB)
Метаданные
3. Рис. 1. Количество родов природных ГМО с различными по структуре клТ-ДНК (а) и типы структур протяженных клТ-ДНК (b)

Скачать (101KB)
Метаданные

© Матвеева Т.В., 2021

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 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