Фізіологія рослин і генетика 2023, том 55, № 3, 209-224, doi: https://doi.org/10.15407/frg2023.03.209

Agrobacterium-опосередкована трансформа­ція перспективних генотипів озимої пшениці в культурі in vitro

Дубровна О.В.1, Сливка Л.В.2, Вели­кожон Л.Г., Кулеш С.С.

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

Ген проліндегідрогенази (ProDH), пов’язаний з катаболізмом проліну, має практичне значення для генетичної інженерії, оскільки часткове пригнічення його експресії може приводити до підвищення вмісту вільного проліну і, як наслідок, рівня толерантності рослин до абіотичних стресів, зокрема посухи. Мета нашої роботи полягала у проведенні Agrobacterium-опосередкованої трансформації морфогенних калюсів нових перспективних генотипів озимої м’якої пшениці та отриманні генетично модифікованих рослин з частковою супресією гена проліндегідрогенази. Показано порівняно ви­щу ефективність використання штаму AGL0 для отримання трансгенних рослин різних генотипів озимої пшениці з частковою супресією гена проліндегідрогенази в культурі in vitro. Частота вбудовування послідовностей цільового гена ProDH арабідопсису за використання штаму LBA4404 у досліджених генотипів становила 0,7—1,7 %, штаму AGL0 — 1,0—2,0 %. Трансгенний статус отриманих рослин-регенерантів підтверджено методом ПЛР-аналізу. Полімеразна ланцюгова реакція зворотних транскриптів (ЗТ-ПЛР) з викори­станням сумарної РНК засвідчила експресію послідовностей введеного гена проліндегідрогенази арабідопсису на рівні транскрипції у трансгенних рослинах пшениці, отриманих Agrobacterium-опосередкованою трансформацією. Встановлено, що рослини зі зниженою активністю проліндегідрогенази характеризуються достовірно вищим вмістом вільного L-проліну порівняно з нетрансгенним контролем.

Ключові слова: Triticum aestivum L., Agrobacterium-опосередкована трансформація, калюсні культури, ген проліндегідрогенази

Фізіологія рослин і генетика
2023, том 55, № 3, 209-224

Повний текст та додаткові матеріали

У вільному доступі: PDF  

Цитована література

1. Shewry, P.R. (2009). Wheat. Journal of Experimental Botany, 60, No. 6, pp. 1537-1553. https://doi.org/10.1093/jxb/erp058

2. Shiferaw, B., Smale, M., Braun, H., Duveiller, E., Reynolds, M. & Muricho, G. (2013). Crops that feed the world 10. Past successes and future challenges to the role played by wheat in global food security. Food Security, 5, pp. 291-317. https://doi.org/10.1007/s12571-013-0263-y

3. Kapoor, D., Bhardwaj, S., Landi, M., Sharma, A., Ramakrishnan, M. & Sharma, A. (2020). The impact of drought in plant metabolism: how to exploit tolerance mechanisms to increase crop production. Applied Science, 10, No. 16, pp. 5692. https://doi.org/10.3390/app10165692

4. Kiriziy, D.A. & Stasik, O.O. (2022). Effects of drought and high temperature on physiological and biochemical processes, and productivity of plants. Fyzyolohyia rastenyi i henetyka, 54, No. 2, pp. 95-122 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2022.02.095

5. Cattivelli, L., Rizza, F., Badeck, F.-W., Mazzucotelli, E., Mastrangelo, A.M., Francia, E., Mare, C., Tondelli, A. & Stanca, A.M. (2008). Drought tolerance improvement in crop plants: An integrated view from breeding to genomics. Field Crop Research, 105, No. 1, pp. 1-14. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2007.07.004

6. Khan, S., Anwar, S., Yu, S., Sun, M., Yang, Z. & Gao, Z. (2019). Development of drought-tolerant transgenic wheat: achievements and limitations. International Journal of Molecular Sciences, 20, p. 3350. https://doi.org/10.3390/ijms20133350

7. Bapela, T., Shimelis, H., Tsilo, T.J. & Mathew, I. (2022). Genetic improvement of wheat for drought tolerance: progress, challenges and opportunities. Plants, 11, p. 1331. https://doi.org/10.3390/plants11101331

8. El-Mouhamady, A., El-Hawary, M. & Habouh, M. (2023). Transgenic wheat for drought stress tolerance: a review. Middle East Journal of Agriculture Research, 12, No. 1, pp. 77-94. https://doi.org/10.36632/mejar/2023.12.1.7

9. Wang, K., Liu, H., Du, L. & Ye, X. (2017). Generation of marker-free transgenic hexaploid wheat via an Agrobacterium-mediated co-transformation strategy in commercial Chinese wheat varieties. Plant Biotechnology Journal, 15, pp. 614-623. https://doi.org/10.1111/pbi.12660

10. Joshi, R., Anwar, K., Das, P., Singla-Pareek, S. & Pareek, A. (2017). Overview of methods for assessing salinity and drought tolerance of transgenic wheat lines. Wheat Biotechnology. Springer: New York. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-7337-8_5

11. Anwar, A., Wang, K. & Wang, J. (2021). Expression of Arabidopsis ornithine aminotransferase (AtOAT) encoded gene enhances multiple abiotic stress tolerances in wheat. Plant Cell Reports, 40, No. 7, pp. 1155-1170. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-175437/v1

12. Dubrovna, O.V., Priadkina, G.O., Mykhalska, S.I. & Komisarenko, A.G. (2021). Water deficiency tolerance of genetically modified common wheat cv. Zymoyarka, containing a heterologous ornithine-d-aminotransferase gene. Agricultural Science and Practice, 8, No. 1, pp. 25-39. https://doi.org/10.15407/agrisp8.01.014

13. Mykhalska, S.I., Komisarenko, A.G. & Kurchii, V.M. (2021). Genes of proline metabolism in biotechnology of increasing wheat osmostability. Faktory eksperymentalnoy evolyutsiyi orhanizmiv, 28, pp. 94-99 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.7124/FEEO.v28.1382

14. Hossain, M.A., Hoque, M.A., Burritt, D.J. & Fujita, M. (2014). Proline protects plants against abiotic oxidative stress: biochemical and molecular mechanisms. In Ahmad, P. (Ed.). Oxidative Damage to Plants. Antioxidant Networks and Signaling; Academic Press is an imprint of Elsevier, pp. 477-521. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-799963-0.00016-2

15. Kolupaev, Yu.E., Vainer, A.A. & Yastreb, T.O. (2014). Proline: physiological functions and regulation of its content in plants under stress conditions. Visnyk Kharkivskoho natsionalnoho ahrarnoho universytetu. Seriia Biolohiia, 2, No. 32, pp. 6-22 [in Russian]. https://repo.btu.kharkov.ua//handle/123456789/9047

16. Meena, М., Divyanshu, K., Kumar, S., Swapnil, P., Andleeb, Z., Vaishali, S., Mukesh, Y. & Upadhyay, R. (2019). Regulation of L-proline biosynthesis, signal transduction, transport, accumulation and its vital role in plants during variable environmental conditions. Heliyon, 5, No. 12, p. 02952. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e02952

17. Mansour, M.M.F. & Ali, E.F. (2017). Evaluation of proline functions in saline conditions. Phytochemistry, 140, pp. 52-68. https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2017.04.016

18. Tishchenko, E.N. (2013). Genetic engineering with use of L-proline metabolism genes for increase the of plants osmotolerance. Fiziol. rast. genet., 45, No. 6, pp. 488-500 [in Ukrainian]. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159371

19. Dubrovna, O.V., Mikhalska, S.I. & Komisarenko, A.G. (2022). Using of proline metabolism genes in plant genetic engineering. Cytology and Genetics, 56, No. 4, pp. 361-378. https://doi.org/10.3103/S009545272204003X

20. Bharathi, J., Anandan, R., Benjamin, L., Muneer, S. & Prakash, M. (2023). Recent trends and advances of RNA interference (RNAi) to improve agricultural crops and enhance their resilience to biotic and abiotic stresses. Plant Physiology and Biochemistry, 194, pp. 600-618. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2022.11.035

21. Bilir, O., Gol, D., Hong, Y., McDowell, J.M. & Tor, M. (2022). Small RNA-based plant protection against diseases. Frontiers in Plant Sciense, 13, p. 951097. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.951097

22. Halder, K., Chaudhuri, A., Abdin, M.Z. & Datta, A. (2023). Tweaking the small non-coding RNAs to improve desirable traits in plant. International Journal of Molecular Sciences, 24, No. 4, p. 3143. https://doi.org/10.3390/ijms24043143

23. Hernandez-Soto, A. & Chacon-Cerdas, R. (2021). RNAi crop protection advances. International Journal of Molecular Sciences, 22, No. 22, p. 12148. https://doi.org/10.3390/ijms222212148

24. Kaur, R., Choudhury, A., Chauhan, S., Ghosh, A., Tiwari, R. & Rajam, M. (2021). RNA interference and crop protection against biotic stresses. Physiology and Molecular Biology of Plants, 27, No. 10, pp. 2357-2377. https://doi.org/10.1007/s12298-021-01064-5

25. Rajam, M.V. (2020). RNA silencing technology: A boon for crop improvement. Journal of Bioscienses, 45, pp. 118-122. https://doi.org/10.1007/s12038-020-00082-x

26. Tateishi, Y., Nakagama, T. & Esaka, M. (2005). Osmotolerance and growth stimulation of transgenic tobacco cells accumulating free proline by dehydrogenase expression with double-stranded RNA interference technique. Physiologia Plantarum, 125, pp. 1399-3054. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.2005.00553.x

27. Tishchenko, O.M., Komisarenko, A.G., Mykhalska, S.I., Sergeeva, L.E., Adamenko, N.I., Morgun, B.V. & Kochetov, A.V. (2014). Agrobacterium-mediated transformation of sunflower (Helianthus annuus L.) in vitro and in planta using the LBA4404 strain harboring binary vector pBi2E with dsRNA-suppressor of proline dehydrogenase gene. Cytology and Genetics, 48, No. 4, pp. 218-226. https://doi.org/10.3103/S0095452714040094

28. Mykhalska, S.I., Sergeeva, L.E., Matveeva, A.Y., Kobernik, N.I., Kochetov, A.V., Tishchenko, E.N. & Morgun, V.V. (2014). The elevation of free proline content in osmotolerant transgenic corn plants with dsRNA suppressor of proline dehydrogenase gene. Fiziol. rast. genet., 46, No. 6, pp. 482-489 [in Russian]. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/ 123456789/159462

29. Komisarenko, A.G., Mykhalska, S.I., Kurchii, V.M. & Tishchenko, O.M. (2016). The characterization transgenic sunflower (Helianthus annuus L.) plants with suppressor of proline dehydrogenase gene. Faktory eksperymentalnoy evolyutsiyi orhanizmiv, 19, pp. 143-147 [in Ukrainian]. https://www.utgis.org.ua/journals/index.php/Faktory/article/ view/653

30. Sparks, C., Doherty, A. & Jones, H. (2014). Genetic transformation of wheat via Agrobacterium-mediated DNA delivery. Methods in Molecular Biology, 1099, pp. 235-250. https://doi.org/10.1007/978-1-62703-715-0_19

31. Dubrovna, O.V. & Morgun, B.V. (2018). Current status of research of Agrobacterium-mediated transformation of wheat. Fiziol. rast. genet., 50, No. 3, pp. 187-217 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2018.03.187

32. Mamrutha, H.M., Kumar, R., Venkatesh, K., Sharma, P., Kumar, R., Tiwari, V. & Sharma, I. (2014). Genetic transformation of wheat - present status and future potential. Journal Wheat Research, 6, No. 2, pр. 107-119. http://epubs.icar.org.in/ejournal/ index.php/JWRReview

33. Kumlehn, J. & Hensel, G. (2009). Genetic transformation technology in the Triticeae. Breeding Science, 59, pp. 553-560. https://doi.org/10.1270/jsbbs.59.553

34. Bavol, A.V., Dubrovna, O.V. & Lyalko, I.I. (2007). Regeneration of plants from the explants of the top of wheat seedlings shoots. Visnyk Ukrayinskoho tovarystva henetykiv i selektsioneriv, 5, No. 1-2, pp. 3-10 [in Ukrainian].

35. Sidorov, V. & Duncan, D. (2009). Agrobacterium-mediated maize transformation: immature embryos versus callus. Methods in Molecular Biology, 526, pp. 47-58. https://doi.org/10.1007/978-1-59745-494-0_4

36. Box, M., Coustham, V., Dean, C. & Mylne, J. (2011). Protocol: A simple phenol-based method for 96-well extraction of high quality RNA from Arabidopsis. Plant Methods, 7, pp. 1-10. http://www.plantmethods.com/ content/7/1/7 https://doi.org/10.1186/1746-4811-7-7

37. Dubrovna, O.V. & Slivka, L.V. (2020). Optimization of Agrobacterium-mediated transformation of perspective winter wheat genotypes in vitro. Faktory eksperymentalnoy evolyutsiyi orhanizmiv, 26, pp. 190-195 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.7124/FEEO.v26.1264

38. Bates, L.S., Waldren, R.P. & Teare, I.D. (1973). Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant and Soils, 39, pp. 205-207. https://doi.org/10.1007/BF00018060

39. Ahmad, A., Zhong, H., Wang, W. & Sticklen, M. (2002). Shoot apical meristem: in vitro regeneration and morphogenesis in wheat (Triticum aestivum L.). In vitro Cellular & Development Biological Plant, 38, No. 2, pp. 163-167. https://doi.org/10.1079/IVP2001267

40. Pat. 111284 UA. A method of increasing the regenerative capacity of callus cultures of bread wheat by Agrobacterium-mediated transformation, Dubrovna, O.V., Bavol, A.V., Goncharuk, O.M., Voronova, S.S., Publ. 10.11.2016 [in Ukrainian].