Рост и солеустойчивость волосовидных корней табака с конститутивной экспрессией гена TaNAC69

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Пшеница мягкая (Triticum aestivum L.) – одна из самых важных зерновых и основных продовольственных культур во всем мире, выращиваемая довольно часто в засушливых регионах мира, где нехватка воды и засоление вызывают серьезные потери урожая. Ген TaNAC69 мягкой пшеницы кодирует один из важнейших транскрипционных факторов, который участвует в регуляции устойчивости к дефициту влаги, вызванной засухой и гипотермией, однако роль этого гена при засолении малоизучена. Целью данной работы было клонирование гена TaNAC69 мягкой пшеницы в бинарном векторе с 35S CaMV промотором и создание волосовидных корней (ВК) Nicotiana tabacum L. с конститутивной экспрессией гена TaNAC69 для оценки эффективности целевой генно-инженерной конструкции в условиях засоления. В ходе агробактериальной трансформации листовых дисков табака при помощи Agrobacterium rhizogenes были получены 15 линий культур ВК, в шести из которых было доказано наличие и высокий уровень экспрессии целевого гена. ВК табака с конститутивной экспрессией гена TaNAC69 характеризовались более быстрыми темпами роста, большей разветвленностью и большей сырой и сухой массой при действии 150 мМ NaCl, чем контрольные ВК табака без целевого гена. Анализ антиоксидантной системы выявил повышенную активность ферментов гваяколпероксидазы и глутатион-S-трансферазы, большее содержание пролина и водорастворимых сахаров, а также более высокую общую антиоксидантную способность в ВК с геном TaNAC69 по сравнению с нетрансформированным контролем. Генно-инженерная конструкция TaNAC69 с 35S CaMV промотором может быть рекомендована для генетической трансформации культурных растений с целью увеличения их устойчивости к абиотическому стрессу.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Зарина Азадовна Ибрагимова

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук; Уфимский университет науки и технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: i.zibragimova@yandex.ru
Россия, Уфа; Уфа

Айзиля Айтугановна Галимова

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук

Email: aiz.galimova@yandex.ru
Россия, Уфа

Халит Галеевич Мусин

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук

Email: mg@khalit.ru
Россия, Уфа

Анна Александровна Ямалеева

Уфимский университет науки и технологий

Email: biohim-bioteh@yandex.ru
Россия, Уфа

Евгения Александровна Заикина

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук

Email: evisheva@yandex.ru
Россия, Уфа

Булат Разяпович Кулуев

Институт биохимии и генетики – обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук; Уфимский университет науки и технологий

Email: kuluev@bk.ru
Россия, Уфа; Уфа

Список литературы

  1. Abbasi G.H., Akhtar J., Ahmad R., Jamil M., Anwar-Ul-Haq M., Ali S., Ijaz M. Potassium application mitigates salt stress differentially at different growth stages in tolerant and sensitive maize hybrids // Plant Growth Regul. 2015. V. 76. P. 111. https:doi.org/10.1007/s10725-015-0050-1
  2. Zhang X., Liu P., Qing C., Yang C., Shen Y., Ma L. Comparative transcriptome analyses of maize seedling root responses to salt stress // Peer J. 2021. V. 9. e10765. https:doi.org/10.7717/peerj
  3. Wang M., Wang Y., Zhang Y., Li C., Gong S., Yan S., Li G., Hu G., Ren H., Yang J., Yu T., Yang K. Comparative transcriptome analysis of salt-sensitive and salt-tolerant maize reveals potential mechanisms to enhance salt resistance // Genes Genomics. 2019. V. 41. P. 781. https:doi.org/10.1007/s13258-019-00793-y
  4. Liu B., Soundararajan P., Manivannan A. Mechanisms of silicon-mediated amelioration of salt stress in plants // Plants. 2019. V. 8. Р. 307. https:doi.org/10.3390/plants8090307
  5. Luo M., Zhao Y., Wang Y., Shi Z., Zhang P., Zhang Y., Song W., Zhao J. Comparative proteomics of contrasting maize genotypes provides insights into salt-stress tolerance mechanisms // J. Proteome Res. 2018. V. 17. P. 141.
  6. Zhang Z., Zhang J., Chen Y., Li R., Wang H., Wei J. Genome-wide analysis and identification of HAK potassium transporter gene family in maize (Zea mays L.) // Mol. Biol. Rep. 2012. V. 39. P. 8465. https:doi.org/10.1007/s11033-012-1700-2
  7. Jha U.C., Bohra A., Jha R., Parida S.K. Salinity stress response and ‘omics’ approaches for improving salinity stress tolerance in major grain legumes // Plant Cell Rep. 2019. V. 38. P. 255. https:doi.org/10.1007/s00299-019-02374-5
  8. Kashyap M., Ford R., Bohra A., Kuvalekar A., Mantri N. Improving salt tolerance of chickpea using modern genomics tools and molecular breeding // Curr. Genom. 2017. V. 18. P. 557. https:doi.org/10.2174/1389202918666170705155252
  9. Senapati N., Stratonovitch P., Paul M.J., Semenov M.A. Drought tolerance during reproductive development is important for increasing wheat yield potential under climate change in Europe // J. Exp. Bot. 2018. V. 70. P. 2549. https:doi.org/10.1093/jxb/ery226
  10. Заикина Е.А., Румянцев С.Д., Сарварова Е.Р., Кулуев Б.Р. Гены транскрипционных факторов, задействованных в ответе растений на абиотические стрессовые факторы // Экологическая генетика. 2019. Т. 17. № 3. С. 47. https:doi.org/10.17816/ecogen17347-58
  11. Заикина Е.А., Мусин Х.Г., Кулуев А.Р., Никонов В.И., Дмитриев А.М., Кулуев Б.Р. Изменение активности генов транскрипционных факторов TANAC69, TADREB1, TABZIP60 у растений мягкой пшеницы при водном дефиците и гипотермии // Физиология растений. 2022. Т. 69. С. 327. https:doi: 10.31857/S0015330322030186
  12. Xue G.G., Bower N.N., McIntyre C.C., Riding G.G., Kazan K., Shorter R. TaNAC69 from the NAC superfamily of transcription factors is up-regulated by abiotic stresses in wheat and recognizes two consensus DNA-binding sequences // Funct. Plant Biol. 2006. V. 33. P. 43. https:doi.org/10.1071/FP05161
  13. Xue G.G., Way H., Richardson T., Drenth J., Joyce P.A., McIntyre C.L. Over expression of TaNAC69 leads to enhanced transcript levels of stress up-regulated genes and dehydration tolerance in bread wheat // Mol. Plant. 2011. V. 4. P. 697. https:doi.org/10.1093/mp/ssr013
  14. Вербицкая А.А., Иванова А.С., Царькова Е.А., Мишуткина Я.В., Гапоненко А.К. Агробактериальная трансформация продуктивных сортов яровой мягкой пшеницы российской селекции // Естественные и технические науки. 2022. № 1. С. 63. https:doi.org/10.25633/ETN.2022.01.04
  15. Мусин Х.Г., Гумерова Г.Р., Баймухаметова Э.А., Кулуев Б.Р. Рост и стрессоустойчивость волосовидных корней табака с конститутивной экспрессией гена ARGOS-LIKE // Физиология растений. 2022. Т. 69. С. 490. https:doi.org/10.31857/S0015330322050153
  16. Bahramnejad B., Naji M., Bose R., Jha S. A critical review on use of Agrobacterium rhizogenes and their associated binary vectors for plant transformation // Biotechnol. Adv. 2019. V. 37. P. 107405. https:doi.org/10.1016/j.biotechadv.2019.06.004
  17. Sun J., Ma L., San K.Y., Peebles C.A. Still stable after 11 years: A Catharanthus roseus hairy root line maintains inducible expression of anthranilate synthase // Biotechnol. Progr. 2017. V. 33. P. 66. https:doi.org/10.1002/btpr.2403
  18. Aljanabi S.M., Martinez I. Universal and rapid salt-extraction of high-quality genomic DNA for PCR-based techniques // Nucl. Acids Res. 1997. V. 25. P. 4692. https:doi.org/10.1093/nar/25.22.4692
  19. 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.
  20. Чевари С., Чаба И., Секей И. Роль супероксиддисмутазы в окислительных процессах клетки и метод определения ее в биологических материалах // Лабораторное дело. 1985. № 11. С. 578.
  21. Verma S., Dubey R.S. Lead toxicity induces lipid peroxidation and alert the activities of antioxidant enzymes in grooving rice plants // Plant Sci. 2003. V. 64. P. 645. http://dx.doi.org/10.1016/S0168-9452(03)00022-0
  22. Ермаков А.И., Арисимович В. В., Ярош Н.П., Перуански Ю.В., Луковникова Г.А. Иконникова М.И. Методы биохимического исследования растений // Ленинград: Агропромиздат. 1987. 430 с.
  23. Panchuck I.I., Volkov R.A., Schoff F. Heat stress and heat shock transcription factor-depend expression and activity of ascorbate peroxidase in Arabidopsis // Plant Physiol. 2002. V. 129. P. 838. https:doi.org/10.1104/pp.001362
  24. Taylor N.L., Millar A.H. Oxidative stress and plant mitochondria // Meth. Mol. Biol. 2007. V. 372. P. 389. https:doi.org/10.1007/978-1-59745-365-3_28
  25. Khedr A.H.A., Abbas M.A., Abdel W.A.A., Quick W.P., Abogadallah G.M. Proline induces the expression of salt-stress responsive proteins and may improve the adaptation of Pancratium maritimum L. to salt-stress // J. Exp. Bot. 2003. V. 54. P. 2553. https:doi.org/10.1093/jxb/erg277
  26. Minibayeva F.V., Kolesnikov O.P., Gordon L.K. Contribution of a plasma membrane redox system to the superoxide production by wheat root cells // Protoplasma. 1998. V. 205. P. 101. https:doi.org/10.1007/BF01279299
  27. Chaouch S., Queval G., Vanderauwera S., Mhamdi A., Vandorpe M., Langlois-Meurinne M., Breusegem F., Saindrenan P., Noctor G. Peroxisomal hydrogen peroxide is coupled to biotic defense responses by ISOCHORISMATE SYNTHASE1 in a daylength-related manner // Plant Physiol. 2010. V. 153. P. 1692. https:doi.org/10.1104/pp.110.153957
  28. Bindschedler L.V., Minibayeva F., Gardner S.L., Gerrish C., Davies D.R., Bolwell G.P. Early signalling events in the apoplastic oxidative burst in suspension cultured French bean cells involve cAMP and Ca2+ // New Phytol. 2001. V. 151. P. 185. https:doi.org/10.1046/j.1469-8137.2001.00170.x
  29. Boestfleisch C., Wagenseil N.B., Buhmann A.K., Seal C.E., Wade E.M., Muscolo A., Papenbrock J. Manipulating the antioxidant capacity of halophytes to increase their cultural and economic value through saline cultivation // AoB Plants. 2014. V. 13. P. 6. https:doi.org/10.1093/aobpla/plu046
  30. Habig W.H., Pabst M.S., Jakoby W.B. Glutathione-S-transferase. The first enzymatic step in mercapturic acid formation // J. Biol. Chem. 1974. V. 246. P. 7130. https:doi.org/10.1016/S0021-9258(19)42083-8
  31. Верлан Н.В. Клинико-фармакологический анализ состояния системы глутатиона при церебральной ишемии. Дис. … док. мед. наук. Москва: ЦНМБ ММА им. И.М. Сеченова 2008. 210 с.
  32. Mao X., Zhang H., Qian X., Li A., Zhao G, Jing R. TaNAC2, a NAC-type wheat transcription factor conferring enhanced multiple abiotic stress tolerances in Arabidopsis // J. Exp. Bot. 2012. V. 63. P. 2933. https:doi.org/10.1093/jxb/err462
  33. Бережнева З.А., Мусин Х.Г., Кулуев Б.Р. Рост корней трансгенных растений табака со сверхэкспрессией генов экспансинов и ксилоглюканэндотрансгликозилаз в условиях кадмиевого стресса // Физиология растений. 2022. T. 69. C. 522. https:doi.org/10.31857/S0015330322050037

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Содержание транскриптов гена TaNAC69 в волосовидных корнях табака в % к референсному гену EF-1α. Л10-Л22 – линии волосовидных корней, несущих ген TaNAC69.

Скачать (121KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Внешний вид исследуемых ВК при действии 150 мМ NaCl: контрольные ВК без гена TaNAC69 через 10 (а), 20 (г) и 30 (ж) сут. после начала опыта; трансгенные ВК с геном TaNAC69 линии 21 через 10 (б), 20 (д) и 30 (з) сут. после начала опыта; трансгенные ВК с геном TaNAC69 линии 22 через 10 (в), 20 (е) и 30 (и) сут. после начала опыта. В работе использованы чашки Петри диаметром 10 см.

Скачать (1MB)
Метаданные
4. Рис. 3. Средний прирост ВК табака при норме и действии 150 мМ NaCl: (а) – через 10 сут. после начала опыта; (б) – через 20 сут. после начала опыта; (в) – через 30 сут. после начала опыта. 1 – при нормальных условиях, 2 – при действии 150 мМ NaCl. Звездочки (*) указывают на достоверное различие данных между трансгенными и контрольной линиями ВК (P ≤ 0.05).

Скачать (66KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Сырая (а) и сухая (б) масса волосовидных корней при норме и действии 150 мМ NaCl. 1 – при нормальных условиях, 2 – при действии 150 мМ NaCl. Звездочки (*) указывают на достоверное различие данных между трансгенными и контрольной линиями ВК (P ≤ 0.05).

Скачать (101KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Состояние антиоксидантной системы анализируемых ВК: (а) – активность каталазы, (б) – активность гваяколпероксидазы, (в) – содержание перекиси водорода, (г) – активность супероксиддисмутазы, (д) – активность глутатион-S-трансферазы, (е) – общая антиоксидантная способность, (ж) – содержание пролина, (з) – содержание водорастворимых сахаров, (и) – содержание малонового диальдегида. SR1 – контроль, Л10–Л22 – линии трансгенных ВК с геном TaNAC69, 1 – нормальные условия, 2 – при действии 150 мМ NaCl. Звездочки (*) указывают на достоверное различие данных между трансгенными и контрольной линиями ВК (P ≤ 0.05).

Скачать (485KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024