Получение и первичная оценка фенотипа тополя берлинского, трансформированного геном AtGA20ox1

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Увеличение скорости набора биомассы является одним из важнейших направлений в селекции древесных растений. Тем не менее, применение классических подходов селекции к древесным растениям существенно ограничено из-за длительных циклов размножения многих видов. Развитие технологий генетической инженерии и редактирования генома позволило проводить улучшение признаков деревьев за относительно короткое время. Объектом для генетических манипуляций, целью которых является ускорение роста растений, часто являются гены биосинтеза фитогормонов. Гиббереллин-20-оксидаза является ключевым ферментом, определяющим активное производство гиббереллинов в растениях и, следовательно, предпочтительной мишенью для генетических манипуляций, направленных на увеличение скорости роста. В данной работе представлено оригинальное исследование по получению тополя берлинского Populus × berolinensis K. Koch, трансформированного геном, кодирующим гиббереллин-20-оксидазу из Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. (AtGA20ox1), и первичной оценке фенотипических эффектов проведенной трансформации. Основными фенотипическими проявлениями трансформации явились выраженное удлинение стебля за счет увеличения размера междоузлий, незначительное его истончение, а также удлинение и заужение листьев. Наши результаты показали, что гиперэкспрессия гена AtGA20ox1 у тополя берлинского приводит к ускорению его роста как минимум в три раза в условиях in vitro по сравнению с контрольными значениями. Негативные эффекты трансформации, выражающиеся в слабом укоренении или высокой частоте апикальных некрозов и наблюдавшиеся у некоторых трансгенных линий на начальных этапах отбора, не проявляются у трех финально отобранных линий.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. В. Павличенко

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: vpavlichenko@gmail.com
Россия, Иркутск

М. В. Протопопова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук

Email: marina.v.protopopova@gmail.com
Россия, Иркутск

Список литературы

  1. Bömke C., Tudzynski B. Diversity, regulation, and evolution of the gibberellin biosynthetic pathway in fungi compared to plants and bacteria // Phytochem. 2009. V. 70. P. 1876. https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2009.05.020
  2. Yamaguchi S. Gibberellin metabolism and its regulation // Annu. Rev. Plant Biol. 2008. V. 59. P. 225. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.59.032607.092804
  3. Ashikari M., Sasaki A., Ueguchi-Tanaka M., Itoh H., Nishimura A., Datta S., Ishiyama K., Saito T., Kobayashi M., Khush G.S., Kitano H., Matsuoka M. Loss-of-function of a rice gibberellin biosynthetic gene, GA20 oxidase (GA20ox-2), led to the rice “Green revolution” // Breed. Sci. 2002. V. 52. P. 143. https://doi.org/10.1270/jsbbs.52.143
  4. Eriksson M.E., Israelsson M., Olsson O., Moritz T. Increased gibberellin biosynthesis in transgenic trees promotes growth, biomass production and xylem fiber length // Nat. Biotechnol. 2000. V. 18. 7. P. 784. http://dx.doi.org/10.1038/77355
  5. Peng X., Tong B., Lee J., Wang K., Yu X., Huang X., Wen J., Makarem M., Pang H., Hinjan S., Yan X., Yao S., Lu F., Wang B., Peng F., et al. Overexpression of a gibberellin 20-oxidase gene in poplar xylem led to an increase in the size of nanocellulose fibrils and improved paper properties // Carbohydr. Polym. 2023. V. 314. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120959
  6. Park E.-J., Kim H.-T., Choi Y.-I., Lee C., Nguyen V.P., Jeon H.-W., Cho J.-S., Funada R., Pharis R.P., Kurepin L.V., Ko J.-H. Overexpression of gibberellin 20-oxidase1 from Pinus densiflora results in enhanced wood formation with gelatinous fiber development in a transgenic hybrid poplar // Tree Physiol. 2015. V. 35. P. 1264. https://doi.org/10.1093/treephys/tpv099
  7. Dünisch O., Fladung M., Nakaba S., Watanabe Y., Funada R. Influence of overexpression of a gibberellin 20-oxidase gene on the kinetics of xylem cell development in hybrid poplar (Populus tremula L. and P. tremuloides Michx.) // Holzforschung. 2006. V. 60. P. 608. https://doi.org/10.1515/HF.2006.10
  8. Han K.M., Dharmawardhana P., Arias R.S., Ma C., Busov V., Strauss S.H. Gibberellin-associated cisgenes modify growth, stature and wood properties in Populus // Plant Biotechnol. J. 2011. V. 9. P. 162. https://doi.org/10.1111/j.1467-7652.2010.00537.x
  9. Fladung M. Growth of mixoploid GIBBERELLIC ACID 20 OXIDASE (GA20-OXIDASE) overexpressing transgenic Populus // Gesunde Pflanz. 2018. V. 70. P. 91. https://doi.org/10.1007/s10343-018-0418-z
  10. Fagoaga C., Tadeo F.R., Iglesias D.J., Huerta L., Lliso I., Vidal A.M., Talon M., Navarro L., García-Martínez J.L., Peña L. Engineering of gibberellin levels in citrus by sense and antisense overexpression of a GA 20-oxidase gene modifies plant architecture // J. Exp. Bot. 2007. V. 58. P. 1407. https://doi.org/10.1093/jxb/erm004
  11. Murashige T., Skoog F. A Revised medium for rapid growth and bio assays with tobacco tissue cultures // Physiol. Plant. 1962. V. 15. P. 473. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x
  12. Pavlichenko V.V., Protopopova M.V., Voinikov V.K. A comparative study of various light source influences on the plants regenerative potential using Populus berolinensis root explants as an example // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020. V. 548. P. 062093. https://doi.org/10.1088/1755-1315/548/6/062093
  13. Protopopova M.V., Pavlichenko V.V., Menzel R., Putschew A., Luckenbach T., Steinberg C.E. Contrasting cellular stress responses of Baikalian and Palearctic amphipods upon exposure to humic substances: environmental implications // Environ. Sci. Pollut. Res. 2014. V. 21. P. 14124. https://doi.org/10.1007/s11356-014-3323-8.
  14. Chen P.-Y., Wang C.-K., Soong S.-C., To K.-Y. Complete sequence of the binary vector pBI121 and its application in cloning T-DNA insertion from transgenic plants // Mol. Breed. 2003. V. 11. P. 287. https://doi.org/10.1023/A:1023475710642
  15. Holsters M., de Waele D., Depicker A., Messens E., van Montagu M., Schell J. Transfection and transformation of Agrobacterium tumefaciens // Mol. Gen. Genet. 1978. V. 163. P. 181. https://doi.org/10.1007/BF00267408
  16. Doyle J.J., Doyle J.L. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue // Phytochem. Bull. 1987. V. 19. P. 11.
  17. Protopopova M., Pavlichenko V. Eranthis Salisb. (Ranunculaceae) in South Siberia: insights into phylogeography and taxonomy // Diversity. 2022. V. 14. P. 1. https://doi.org/10.3390/d14100779
  18. Xu Y.-L., Li L., Wu K., Peeters A.J.M., Gage D.A., Zeevaart J.A.D. The GA5 locus of Arabidopsis thaliana encodes a multifunctional gibberellin 20-oxidase: molecular cloning and functional expression // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1995. V. 92. P. 6640. https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.92.14.6640
  19. Shukor N.A.A., Lok Y.C.Y., Kumar S.M., Abiri R., Abdullah M.P. Molecular dissection and an in-silico approach of a novel gibberellin 20-oxidase gene of Hibiscus cannabinus L. // Pak. J. Bot. 2023. V. 55. P. 1. http://dx.doi.org/10.30848/PJB2023-2(11)
  20. Brian P.W. Morphogenetic effects of the gibberellins // Bot. J. Linn. Soc. 1959. V. 56. P. 237. https://doi.org/10.1111/j.1095-8339.1959.tb02498.x
  21. Sata S.J., Gokani S.J., Thaker V.S. Influence of gibberellic acid on auxin biosynthesis and their effects on coleoptile elongation in garlic // Acta Physiol. Plant. 2002. V. 24. P. 393. https://doi.org/10.1007/s11738-002-0035-3
  22. Weiss D., Ori N. Mechanisms of cross talk between gibberellin and other hormones // Plant Physiol. 2007. V. 144. P. 1240. https://doi.org/10.1104%2Fpp.107.100370
  23. Mauriat M., Petterle A., Bellini C., Moritz T. Gibberellins inhibit adventitious rooting in hybrid aspen and Arabidopsis by affecting auxin transport // Plant J. 2014. V. 78. P. 372. https://doi.org/10.1111/tpj.12478
  24. Kataeva N.V., Alexandrova I.G., Butenko R.G., Dragavtceva E.V. Effect of applied and internal hormones on vitrification and apical necrosis of different plants cultured in vitro // Plant Cell Tissue Organ Cult. 1991. V. 27. P. 149. https://doi.org/10.1007/BF00041283
  25. Teixeira da Silva J.A., Nezami-Alanagh E., Barreal M.E., Kher M.M., Wicaksono A., Gulyás A., Hidvégi N., Magyar-Tábori K., Mendler-Drienyovszki N., Márton L., Landín M., Gallego P.P., Driver J.A., Dobránszki J. Shoot tip necrosis of in vitro plant cultures: a reappraisal of possible causes and solutions // Planta. 2020. V. 252. P. 1. https://doi.org/10.1007/s00425-020-03449-4

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) – Основные элементы и сайты посадки праймеров на участке AtGA20ox1/pBI121 между левой и правой границами Т-ДНК; (б) – Участки выравнивания (общая длина – 1134 п.н.) кодирующих последовательностей гена AtGA20ox1: верхняя – референтная (GenBank NM_118674.4), нижняя – использованная в текущей работе. Точками обозначены позиции, совпадающие с референтом, жирным шрифтом обозначены нуклеотидные замены, цифры указывают на позиции в нуклеотидном выравнивании. Звездочка указывает на синонимичные замены или на аминокислотные замены, не связанные с изменением характера полярности боковых радикалов. LPWKET (синий) – сайт связывания субстрата [18, 19]; FE2OG_0XY (зеленый) – Fe2+-2-оксоглутарат зависимый диоксигеназный каталитический домен; Fe2+ (фиолетовый) – предположительные сайты связывания соответствующих ионов (по данным ScanProsite).

Скачать (728KB)
Метаданные
3. Рис. 2. (а) – Общая схема эксперимента; (б) – Регенерация растений тополя берлинского с контрольных эксплантов и после агробактериальной трансформации. Стрелкой отмечен регенерант, полученный в результате селективного отбора в присутствии антибиотиков: Kan – канамицина (50 мг/л) и Cef – цефотаксима (250 мг/л).

Скачать (586KB)
Метаданные
4. Рис. 3. ПЦР-скрининг 19 линий регенерантов тополя берлинского на присутствие генов nptII (а) и AtGA20ox1 (б). М – размерный стандарт GeneRuler 1 kb Plus DNA Ladder (“ThermoFisher Scientific”, США), К – ДНК из контрольного растения, “+” – положительный контроль ПЦР (AtGA20ox1/pBI121), “–” – отрицательный контроль ПЦР (без ДНК), ✗ – линии регенерантов, исключенные из дальнейшего анализа.

Скачать (664KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Сравнение трансгенных линий тополя берлинского (AtGA20ox) с контрольными растениями (WT) после 2 мес. роста на среде с ИМК (0.15 мг/л). Линия № 6 была повреждена при микроклональном размножении и утеряна. Высота пробирок 15 см.

Скачать (255KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Примеры некрозов некоторых линий трансгенных тополей на питательной среде с ИМК (0.15 мг/л). (а) – Некроз апикальной меристемы у линий № 1–7 после укоренения; (б) – Некроз листьев и апикальной меристемы без укоренения у линии № 8; (в) – Апикальный некроз у линий №№ 9, 12, 13 и 15 после укоренения и 30 дней роста.

Скачать (385KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Трансгенные линии тополя берлинского по гену AtGA20ox1 в сравнении с контролем на питательной среде без ИМК. Возраст растений – 2 мес. Высота пробирок 15 и 20 см.

Скачать (200KB)
Метаданные
8. Рис. 7. ПЦР-скрининг регенерантов тополя берлинского на присутствие полнотекстовых последовательностей генов с использованием праймеров: (а) – p35_F + TNOS_R; (б) – nptII_F + М13_F. М – размерный стандарт GeneRuler 1 kb Plus DNA Ladder (“ThermoFisher Scientific”, США), К – ДНК из контрольного растения, “+” – положительный контроль (AtGA20ox1/pBI121), “–” – отрицательный контроль (без ДНК).

Скачать (367KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024