Фізіологія рослин і генетика 2021, том 53, № 6, 532-549, doi: https://doi.org/10.15407/frg2021.06.532

Реакція фотосинтетичного апарату генетично модифікованих рослин пшениці, що містять дволанцюговий РНК-супресор гена проліндегідрогенази на посуху і високу температуру

Кірізій Д.А., Кедрук А.C., Соколовська-Сергієнко О.Г., Дубровна О.В., Стасик О.О.

  • Iнститут фізіології рослин і генетики Національної академії наук України 03022 Київ, вул. Васильківська, 31/17, Україна

В умовах вегетаційного досліду вивчали особливості впливу посухи на водний режим, вміст хлорофілу, активність антиоксидантних ферментів хлоропластів, асиміляцію СО2 та транспірацію за оптимальних і підвищених температур, а також зернову продуктивність трансгенних рослин селекційної лінії УК065 озимої м’якої пшениці, що містять дволанцюговий РНК-супресор гена проліндегідрогенази (pdh), порівняно з вихідним генотипом. Посуху для рослин обох генотипів створювали, знижуючи вологість ґрунту в дослідному варіанті до рівня 30 % повної вологоємності (ПВ), який підтримували впродовж семи діб в період колосіння-цвітіння. Вологість ґрунту в рослин контрольного варіанта, а також дослідних рослин за винятком періоду посухи підтримували на оптимальному рівні 60—70 % ПВ. Вимірювали фізіолого-біохімічні показники на прапорцевому листку на першу добу зниження вологості ґрунту до 30 % ПВ та на сьому добу вегетації за цього рівня вологості. Встановлено, що за семидобової посухи відносний вміст води в листках трансгенних рослин знижувався порівняно з контролем менше, ніж у рослин вихідної лінії. Водночас посуха сильніше зменшувала вміст хлорофілу в трансгенних рослин, ніж у нетрансгенних. Нестача вологи в ґрунті інгібувала інтенсивність асиміляції СО2 і транспірації, проте в трансгенних рослин, на відміну від нетрансгенних, ступінь зниження в кінці періоду посухи був істотно меншим, ніж на початку, що свідчить про поліпшену адаптивну здатність фотосинтетичного апарату в транс­генних рослин зі зниженою експресією гена проліндегідрогенази. Це підтверджує також формування крос-толерантності — ослаблення інгібувального впливу високої температури (прогрів при 42 °C) на інтенсивність асиміляції СО2 підданих дії водного стресу рослин після семидобової посухи, порівняно з її початком. Зниження негативного впливу високої температури на фотосинтез за тривалої посухи було сильнішим у трансгенних рослин. Наявність дволанцюгового РНК-супресора  гена pdh у трансгенних рослин стабільно підвищувала активність хлоропластної супероксиддисмутази на відміну від активності хлоропластної аскорбатпероксидази за оптимального режиму поливу і модифікувала зміни активностей цих ферментів за дії посухи, що може бути однією з причин відмінностей трансгенної і нетрансгенної ліній за адаптивною здатністю. За оптимального поливу досліджені лінії не відрізнялися за зерновою продуктивністю рослин, проте посуха значно менше знижувала масу зерна з колоса головного пагона (на 21 %) і цілої рослини (на 33 %) в трансгенних рослин, ніж у рослин вихідної лінії (на 40 і 52 % відповідно). Отже, включення гена супресора проліндегідрогенази в геном рослин озимої пшениці поліпшує адаптивні властивості фотосинтетичного апарату і зменшує втрати зернової продуктивності за умов посухи.

Ключові слова: Triticum aestivum L., трансгенні рослини, пролін, посуха, високотемпературний стрес, фотосинтез, крос-адаптація, антиоксидантні ферменти (супероксиддисмутаза, аскорбатпероксидаза), продуктивність

Фізіологія рослин і генетика
2021, том 53, № 6, 532-549

Повний текст та додаткові матеріали

У вільному доступі: PDF  

Цитована література

1. Kaur, V. & Behl, R.K. (2010). Grain yield in wheat as affected by short periods of high temperature, drought and their interaction during pre- and post-anthesis stages. Cereal Research Communications, 38, No. 4, pp. 514-520. https://doi.org/10.1556/CRC.38.2010.4.8

2. Lesk, C., Rowhani, P. & Ramankutty, N. (2016). Influence of extreme weather disasters on global crop production. Nature, 529, No. 7584, pp. 84-87. https://doi.org/10.1038/nature16467

3. Morgun, V.V., Kiriziy, D.A. & Shadchina, T.M. (2010). Ecophysiological and genetic aspects of adaptation of cultivated plants to global climate changes. Physiol. biochem. cult. plants, 42, No. 1, pp. 3-22 [in Russian].

4. Morgun, V.V. (2017). Contribution of plant physiology and genetics to food security of our country. In: Plant Physiology: Achievements and new directions of development, Vol. 1, (pp. 9-13), Logos, Kyiv [in Ukrainian].

5. Senapati, N., Stratonovitch, P., Paul, M.J. & Semenov, M.A. (2019). Drought tolerance during reproductive development is important for increasing wheat yield potential under climate change in Europe. J. Exp. Bot., 70, No. 9, pp. 2549-2560. https://doi.org/10.1093/jxb/ery226

6. Sadras, V.O. & Richards R.A. (2014). Improvement of crop yield in dry environments: benchmarks, levels of organization and the role of nitrogen. J. Exp. Bot., 65, No. 8, pp. 1981-1995. https://doi.org/10.1093/jxb/eru061

7. Abid, M., Ali, S., Qi, L.K., Zahoor, R., Tian, Z., Jiang, D., Snider, J.L. & Dai, T. (2018). Physiological and biochemical changes during drought and recovery periods at tillering and jointing stages in wheat (Triticum aestivum L.). Sci. Rep., 8, pp. 1-15. https://doi.org/10.1038/s41598-018-21441-7

8. Feller, U. (2016). Drought stress and carbon assimilation in a warming climate: Reversible and irreversible impacts. J. Plant Physiol., 203, pp. 84-94. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2016.04.002

9. Ghodke, P.H., Ramakrishnan, S., Shirsat, D.V., Vani, G.K. & Arora, A. (2019). Morphological characterization of wheat genotypes for stay green and physiological traits by multivariate analysis under drought stress. Plant Physiol. Rep., 24, No. 3, pp. 305-315. https://doi.org/10.1007/s40502-019-00458-8

10. Pequeno, D.N.L., Hernandez-Ochoa, I.M., Reynolds, M., Sonder, K., MoleroMilan, A., Robertson, R.D., Lopes, M.S., Xiong, W., Kropff, M. & Asseng, S. (2021). Climate impact and adaptation to heat and drought stress of regional and global wheat production. Environ. Res. Lett., 16, 054070. https://doi.org/10.1088/1748-9326/abd970

11. Caverzan, A., Casassola, A. & Brammer, S.P. (2016). Antioxidant responses of wheat plants under stress. Genet. Mol. Biol., 39, No. 1, pp. 1-6. https://doi.org/10.1590/1678-4685-GMB-2015-0109

12. Morales, F., Ancin, M., Fakhet, D., Gonzalez-Torralba, J., Gamez, A.L., Seminario, A., Soba, D., Mariem, S.B., Garriga, M. & Aranjuelo, I. (2020). Photosynthetic metabolism under stressful growth conditions as a bases for crop breeding and yield improvement. Plants, 9, No. 1, p. 88. https://doi.org/10.3390/plants9010088

13. Krieger-Liszkay, A., Krupinska, K. & Shimakawa, G. (2019). The impact of photosynthesis on initiation of leaf senescence. Physiologia Plantarum, 166, pp. 148-164. doi:10.1111/ppl.12921 https://doi.org/10.1111/ppl.12921

14. Moore, C.E., Meacham-Hensold, K., Lemonnier, P., Slattery, R.A., Benjamin, C., Bernacchi, C.J., Lawson, T. & Cavanagh, A.P. (2021). The effect of increasing temperature on crop photosynthesis: from enzymes to ecosystems. J. Exp. Bot., 72, No. 8, pp. 2822-2844. https://doi.org/10.1093/jxb/erab090

15. Riaz, M.W., Yang, L., Yousaf, M.I., Sami, A., Mei, X.D., Shah, L., Rehman, S., Xue, L., Si, H. & Ma, C. (2021). Effects of heat stress on growth, physiology of plants, yield and grain quality of different spring wheat (Triticum aestivum L.) genotypes. Sustainability, 13, p. 2972. https://doi.org/10.3390/su13052972

16. Cohen, I., Zandalinas, S.I., Huck, C., Fritschi, F.B. & Mittler, R. (2021). Meta-analysis of drought and heat stress combination impact on crop yield and yield components. Physiol. Plant., 171, No. 1, pp. 66-76. https://doi.org/10.1111/ppl.13203

17. Abdelhakim, L.O.A., Rosenqvist, E., Wollenweber, B., Spyroglou, I., Ottosen, C.-O. & Panzarova, K. (2021). Investigating combined drought- and heat stress effects in wheat under controlled conditions by dynamic image-based phenotyping. Agronomy, 11, p. 364. https://doi.org/10.3390/agronomy11020364

18. Hiei, Y., Ishida, Y., Komari, T. (2014). Progress of cereal transformation technology mediated by Agrobacterium tumefaciens. Frontiers in Plant Sci., 5, pp. 1-11. https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00628

19. Morgun, V.V., Dubrovna, O.V. & Morgun, B.V. (2016) The modern biotechnologies of producing wheat plants resistant to stresses. Fiziol. rast. genet., 48, No. 3, pp. 196-213. doi: 10.15407/frg2016.03.196 [in Ukrainian] https://doi.org/10.15407/frg2016.03.196

20. Alsamman, A.M., Bousba, R., Baum, M., Hamwieh, A. & Fouad, N. (2021). Comprehensive analysis of the gene expression profile of wheat at the crossroads of heat, drought and combined stress. Highlights in BioScience, 4. doi:10.36462/H.BioSci.202104 https://doi.org/10.36462/H.BioSci.202104

21. Szabados. L. & Savoure. A. (2010). Proline: a multifunctional amino acid. Trends in Plant Sci., 15, No. 2, pp. 89-97. doi: 10.1016/j.tplants.2009.11.009 https://doi.org/10.1016/j.tplants.2009.11.009

22. Kolupaev, Yu. E., Vainer, A.A. & Yastreb T.O. (2014). Proline: physiological functions and regulation of the content in plants under stress conditions. Visn. Hark. nac. agrar. univ., Ser. Biol., Iss. 2, pp. 6-22 [In Russian].

23. Tischenko, E.N. (2013). Genetic engineering using L-proline metabolism genes to increase plant osmotolerance. Physiology and biochemistry. cult. plants, 45, No. 6, pp. 488-500 [in Russian].

24. Manavalan, L., Chen, H., Clarke, J., Salmeron, J. & Nguyen, H. (2012). RNAi-mediated disruption squalen synthase improves drought tolerance and yield in rice. J. Exp. Bot., 63, pp. 163-175. https://doi.org/10.1093/jxb/err258

25. Dubrovna, O.V., Stasik, O.O., Priadkina, G.O., Zborivska, O.V. & Sokolovska-Sergienko, O.G. (2020). Resistance of genetically modified wheat plants, containing a double-stranded RNA suppressor of the proline dehydrogenase gene, to soil moisture deficiency. Agricultural Science and Practice, 7, No. 2, pp. 24-34. https://doi.org/10.15407/agrisp7.02.024

26. Dubrovna, O.V. & Slivka, L.V. Optimization of Agrobacterium-mediated transformation conditions of prospective genotypes of winter bread wheat by in planta method. Factors in experimental evolution of organisms, 2021, 28, pp. 66-71 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.7124/FEEO.v28.1377

27. Laysk, A.H. (1977). Kinetics of photosynthesis and photorespiration of C3 plants. M.: Nauka [in Russian]

28. Mokronosov, A.T. & Kovalev, A.G. (Eds.). (1989). Photosynthesis and Bioproductivity: Methods of Determination. Agropromizdat, Moskow [in Russian].

29. Kedruk, A.C., Kiriziy, D.A., Sokolovska-Sergienko, O.G. & Stasik O.O. (2021). Response of the photosynthetic apparatus of winter wheat varieties to the combined action of drought and high temperature. Fiziol. rast. genet., 53, No. 5, pp. 387-405 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2021.05.387

30. Shmatko, I.G., Grigoryuk, I.A., Shvedova, O.E. & Petrenko, N.I. (1985). Determination of the physiological reaction of cereals to deterioration of water availability and temperature increase. IPPG, Kiev [in Russian].

31. Wellburn, A.R. (1994). The spectral determination of chlorophylls a and b, as well as total carotenoids, using various solvents with spectrophotometers of different resolution. J. Plant Physiol., 144, pp. 307-313. https://doi.org/10.1016/S0176-1617(11)81192-2

32. Chen, G.-X. & Asada, K. (1989). Ascorbate peroxidase in tea leaves: occurrence of two isozymes and the differences in their enzymatic and molecular properties. Plant Cell Physiol., 30, No. 7, pp. 987-998. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.pcp.a077844

33. Giannopolitis, C.N. & Ries, S.K. (1977). Superoxide dismutase. Occurrence in higher plants. Plant Physiol., 59, No. 2, pp. 309-314. https://doi.org/10.1104/pp.59.2.309

34. Arnon, D.I. (1949). Copper enzyme in isolated chloroplasts. Polyphenolooxidase in Beta vulgaris. Plant. Physiol., 24, No. 1, pp. 1-5. https://doi.org/10.1104/pp.24.1.1

35. Lopes, M.S., Rebetzke, G.J. & Reynolds, M. (2014). Integration of phenotyping and genetic platforms for a better understanding of wheat performance under drought. J. Exp. Bot., 65, No. 21, pp. 6167-6177. https://doi.org/10.1093/jxb/eru384

36. Zandalinas, S.I., Mittler, R., Balfagon, D., Arbona, V. & Gomez-Cadenas, A. (2018). Plant adaptations to the combination of drought and high temperatures. Physiol. Plant., 162, pp. 2-12. https://doi.org/10.1111/ppl.12540

37. Zandalinas, S.I., Sengupta, S., Fritschi, F.B., Azad, R.K., Nechushtai, R. Mittler, R. (2021). The impact of multifactorial stress combination on plant growth and survival. New Phytologist, 230, pp. 1034-1048. https://doi.org/10.1111/nph.17232

38. Lawson, T. & Matthews, J. (2020). Guard cell metabolism and stomatal function. Annu. Rev. Plant Biol., 71, pp. 273-302. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-050718-100251

39. Zhang, X. & Huang, B. (2020). Drought priming-induced heat tolerance: Metabolic pathways and molecular mechanisms. In: Priming-Mediated Stress and Cross-Stress Tolerance in Crop Plants, (pp. 149-160), Elsevier Inc. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817892-8.00009-X

40. Wang, X., Liu, F. & Jiang, D. (2017) Priming: a promising strategy for crop production in response to future climate. J. Integr. Agric., 16, No. 12, pp. 2709-2716. https://doi.org/10.1016/S2095-3119(17)61786-6

41. Llorens, E., Gonzalez-Hernandez, A.I., Scalschi, L., Fernandez-Crespo, E., Camanes, G., Vicedo, B. & Garcia-Agustin, P. (2020). Priming mediated stress and cross-stress tolerance in plants: concepts and opportunities. In: Priming-Mediated Stress and Cross-Stress Tolerance in Crop Plants (pp. 1-20), New York: Acad. Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817892-8.00001-5

42. Zhang, X., Xu, Y. & Huang, B. (2019). Lipidomic reprogramming associated with drought stress priming-enhanced heat tolerance in tall fescue (Festuca rundinacea). Plant, Cell & Envir., 42, Iss. 3, pp. 947-958. https://doi.org/10.1111/pce.13405

43. Wani, S.H., Kumar, V., Shriram, V. & Sah, S.K. (2016). Phytohormones and their metabolic engineering for abiotic stress tolerance in crop plants. Crop J., 4, No. 3, pp.162-176. https://doi.org/10.1016/j.cj.2016.01.010

44. Kolupaev, Yu.E. & Oboznyi, A.I. (2013). Reactive oxygen species and antioxidative system at cross adaptation of plants to activity of abiotic stressors. 3, pp. 18-31 [in Ukrainian].

45. Perez, I.B. & Brown, P.J. (2014). The role of ROS signaling in cross-tolerance: from model to crop. Frontiers in Plant Science, 5, p. 754. https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00754

46. Radchenko, M., Sychuk, A. & Morderer, Ye. (2014). Decrease of the herbicide fenoxaprop phytotoxicity in the drought condition: the role of antioxidant enzymatic system. Journal of Plant Protection Research, 54, No. 4, pp. 390-394. https://doi.org/10.2478/jppr-2014-0058

47. Taran, N.Yu., Okanenko, O.A., Batsmanova, L.M. & Musienko, M.M. (2004). Secondary oxidative stress as an element of the general adaptive response to unfavourable environment action. Physiol. biochem. cult. plants, 36, No. 1, pp. 3-14 [in Ukrainian].

48. Zandalinas, S.I., Fichman, Y., Devireddy, A.R., Sengupta, S., Azad, R.K. & Mittler, R. (2020). Systemic signaling during abiotic stress combination in plants. Proc. Natl. Acad. Sci., 117, No. 24, pp. 13810-13820. https://doi.org/10.1073/pnas.2005077117

49. Morgun, V.V., Stasik, O.O., Kiriziy, D.A. & Sokolovska-Sergiienko, O.G. (2019). Effect of drought on photosynthetic apparatus, activity of antioxidant enzymes, and productivity of modern winter wheat varieties. Regulatory Mechanisms in Biosystems, 10, No. 1, pp. 16-25. https://doi.org/10.15421/021903

50. Kerchev, P., van der Meer, T., Sujeeth, N., Verlee, A., Stevens, Ch.V., Van Breusegem, F. & Gechev T. (2020). Molecular priming as an approach to induce tolerance against abiotic and oxidative stresses in crop plants. Biotechnology Advances, 40, 107503. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2019.107503