Комплексний аналіз фізіолого-біохімічних параметрів насіннєвого покоління Т2 трансгенних рослин озимої пшениці (Triticum aestivum L.) з інтродукованими елементами, що утворюють дволанцюговий РНК супресор гена проліндегідрогенази (pdh), засвідчив їх підвищену толерантність до водного дефіциту та сульфатно-хлоридного засолення. Генетично змінені рослини з частковою супресією гена pdh порівняно з вихідними генотипами характеризувалися зниженою активністю ферменту і підвищеним рівнем вільного проліну (Pro). Виявлено закономірності його акумуляції/витрачання як за нормальних умов вирощування, так і за дії осмотичних стресів. Показано, що на 10-ту добу зневоднення вміст Pro у Т2-рослин збільшувався і не змінювався у перші години після регідратації, що сприяло підтриманню балансу вуглеводів, який у рослин вихідної форми істотно знижувався в умовах зневоднення та нормалізувався за регідратації. У трансгенних рослин цей показник майже не змінювався незалежно від умов культивування. Встановлено динамічні зміни вмісту білка в листках в умовах норма ® стрес ® норма. За оптимальних умов його кількість у Т2-рослин та їх вихідних генотипах достовірно не відрізнялась, тоді як за дії водного стресу зафіксовано підвищення у контрольних рослин, що може свідчити про синтез білків стресової відповіді. Визначено, що за достатнього водозабезпечення вміст основного фотосинтетичного пігменту — хлорофілу — в прапорцевих листках рослин вихідних генотипів та їх трансгенних лініях коливався у близьких межах. Посуха знижувала кількість сумарного хлорофілу в прапорцевих листках усіх досліджуваних рослин, причому різниця між вихідними генотипами і трансгенними варіантами була на користь генетично модифікованих форм. Порівняльний аналіз морфометричних показників у фазу повної стиглості показав, що Т2-рослини після дії водного стресу переважали вихідні генотипи за висотою головного стебла і довжиною його колоса.
Ключові слова: Triticum aestivum L., трансгенні рослини, водний дефіцит, проліндегідрогеназа, вміст проліну, фотосинтетичні пігменти, вуглеводи, морфометричні параметри
Повний текст та додаткові матеріали
У вільному доступі: PDFЦитована література
1. Akpinar, B.A., Avsar, B., Lucas, S.J. & Budak, H. (2012). Plant abiotic stress signaling. Plant Signaling Behavior, 7, pp. 1450-1455. https://doi.org/10.4161/psb.21894
2. Morgun, V.V., Dubrovna, O.V. & Morgun, B.V. (2016). Modern biotechnologies for stress-resistant wheat plants. Fiziol. rast. genet., 48, No. 3, pp. 196-213 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2016.03.196
3. Ahmed, H.G.M.-D., Li, M.-j., Khan, S.H. & Kashif, M. (2019). Early selection of bread wheat genotypes using morphological and photosynthetic attributes conferring drought tolerance. Journal of Integrative Agriculture, 18, No. 11, pp. 2483-2491. https://doi.org/10.1016/S2095-3119(18)62083-0
4. Khan, H. (2019). Genetic improvement for end-use quality in wheat. Springer Nature Switzerland. https://doi.org/10.1007/978-3-030-04609-5_12
5. Zhang, Y., Bai, Y., Wu, G., Zou, S., Chen, Y., Gao, C. & Tang D. (2017). Simultaneous modification of three homoeologs of TaEDR1 by genome editing enhances powdery mildew resistance in wheat. Plant Journal, 91, No. 4, pp. 714-724. https://doi.org/10.1111/tpj.13599
6. Morgun, B.V. & Tishchenko, E.N. (2014). Molecular biotechnology to improve the resistance of cultivated cereals to osmotic stress. Kyiv: Logos [in Russian].
7. Shrawat, A.K. & Armstrong, C.L. (2018). Development and application of genetic engineering for wheat improvement. Critical Reviews in Plant Sciences, 37, No. 1, pp. 1-87. https://doi.org/10.1080/07352689.2018.1514718
8. Dubrovna, O.V. & Morgun, B.V. (2018). Modern Agrobacterium-mediated transformation of wheat. Fiziol. rast. genet., 50, No. 3, pp. 187-217 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.11144/Javeriana.SC23-1.amto
9. Sergeeva, L.E., Mykhalska, S.I. & Komisarenko, A.G. (2019). Modern biotechnologies for increasing plant resistance to osmotic stresses. Kyiv: Kondor [in Russian].
10. 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 ahrarnoho universytetu. Seriia Biolohiia, 2, No. 32, pp. 6-22. [in Russian]. https://repo.btu.kharkov.ua//handle/123456789/9047
11. Liang, X., Zhang, L., Natarajan, S.K. & Becker, D.F. (2013). Proline mechanisms of stress survival. Antioxid Redox Signal, 19, pp. 998-1011. https://doi.org/10.1089/ars.2012.5074
12. Sharma, S., Villamor, J.G. & Verslues, P.E. (2011). Essential role of tissue-specific proline synthesis and catabolism in growth and redox balance at low water potential. Plant Physiology, 157, pp. 292-304. https://doi.org/10.1104/pp.111.183210
13. Dubrovna, O.V., Mykhalska, S.I. & Komisarenko, A.G. (2022). Using Proline Metabolism Genes in Plant Genetic Engineering. Cytology and Genetics, 56, No. 4, pp. 361-378. https://doi.org/10.3103/S009545272204003X
14. Meena, M., Divyanshu, K., Kumar, S., Swapnil, P., Zehra, A., Shukla, V., Yadav, M. & Upadhyay, R.S. (2019). Regulation of L-proline biosynthesis, signal transduction, transport, accumulation and its vital role in plants during variable environmental conditions. Heliyon, 5, No. 12. e02952 https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e02952
15. Barro, J.C., Iehisa, M.J. & Gimѕnez, M.J. (2016). Targeting of prolamins by RNAi in bread wheat: effectiveness of seven silencing-fragment combinations for obtaining lines devoid of coeliac disease epitopes from highly immunogenic gliadins. Plant Biotechnology Journal, 14, No. 3, pp. 986-996. https://doi.org/10.1111/pbi.12455
16. Mykhalska, S.I., Komisarenko, A.G. & Kurchii, V.M. (2021). Genes of proline metabolism in biotechnology of increasing wheat osmostability. Factory eksperymentalnoy evolyutsiyi organizmiv, 28, pp. 94-99 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.7124/FEEO.v28.1382
17. Dubrovna, O.V., Pryadkina, G.A., Mykhalska, S.I. & Komisarenko, A.G. (2023). Physiologicaland biochemical characteristic of transgenic winter wheat plants with overexpression of ornithine-D-aminotransferase gene. Fiziol. rast. genet., 55, No. 1, pp. 58-73 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2023.01.058
18. Sergeeva, L.E., Mykhalskaya, S.I., Kurchii, V.M. & Tishchenko, E.N. (2014). The changer of the free proline contents in the differential tissues of corn shoots under initial stages of osmotic stresses. Factory eksperymentalnoy evolyutsiyi organizmiv, 15, pp. 133-136 [in Russian].
19. Szabados, L. & Savoure, A. (2009). Proline: A multifunctional amino acid. Trends Plant Sciences, 15, pp. 89-97. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2009.11.009
20. Ahmad, M., Zaffar, G., Razvi, S.M., Dar, Z.A., Mir, S.D., Bukhari, S.A. & Habib, M. (2014). Resilience of cereal crops to abiotic stress: a review. African Journal Biotechnology, 13, No. 29, pp. 2908-2921. https://doi.org/10.5897/AJB2013.13532
21. Andriushchenko, V.K., Sayanova, V.V., Zhuchenko, A.A., Diyachenko, N.I., Chilikina, L.A., Drozdov, V.V., Korochkina, S.K., Cherep, G.I., Medvedev, V.V. & Niutin, Yu.I. (1981). The modification of proline estimation method for detection drought tolerant forms of genus Lycopersicon Tourn. Izvestyia AN MSSR, No. 4, pp. 55-60 [in Russian].
22. Mattioni, C., Lacerenza, N.G., Troccoli, A., de Leonardis, A.M. & di Fonzo, N. (1997). Water and salt stress-induced alterations in proline metabolism of Triticum durum seedlings. Physiology Plant, 101, pp. 787-792. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1997.tb01064.x
23. Lowry, O.N., Rosebrough, N.J., Farr, A.J. & Rondall, A.J. (1951). Protein measurement with the Folin phenol reagent. Journal Biology Chemistry, 192, No. 2, pp. 265-275. https://doi.org/10.1016/S0021-9258(19)52451-6
24. Sakalo, V.D., Larchenko, K.A., & Kurchii, V.M. (2009). Synthesis and metabolism of sucrose in leaves of corn seedlings under conditions of water deficit. Fyzyolohyia y byokhymyia kulturnukh rastenyi, 41, No. 4, pp. 305-313 [in Ukrainian].
25. Wellburn, A.P. (1994). The spectral determination of chlorophyll a and b, as well as carotenoids using various solvents with spectrophotometers of different resolution. Journal Plant Physiology, 144, No. 3, pp. 307-313. https://doi.org/10.1016/S0176-1617(11)81192-2
26. Tishchenko, E.N., Komisarenko, A.G., Mykhalskaya, 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 strain LBA4404 carrying the pBi2E plasmid with a double-stranded RNA suppressor of the proline dehydrogenase gene. Tsitologiya i genetika, 48, No. 4, pp. 19-30 [in Russian]. https://doi.org/10.3103/S0095452714040094
27. Komisarenko, A.G., Mykhalskaya, S.I., Kurchii, V.M. & Sergeeva, L.E. (2015). The analysis of transcenic corn and sunflover plants levels resistance to water stress. Factory eksperymentalnoy evolyutsiyi organizmiv, 17, pp. 189-192 [in Ukrainian]. https://nbuv.gov.ua/UJRN/feeo_2015_17_42
28. Maggio, A., Miyazaki, S., Veronese, P., Fujita, T., Ibeas, J., Damsz, B., Narasimhan, M., Hasegawa, P., Joly, R. & Bressan, R. (2002). Does proline accumulation play an active role in stress-induced growth reduction? The Plant Journal, 31, No. 6, pp. 699-712. https://doi.org/10.1046/j.1365-313X.2002.01389.x
29. Anwar, A., She, M., Wang, K. & Ye, X. (2018). Biological roles of ornithine aminotransferase (OAT) in plant stress tolerance: present progress and future perspectives. International Journal Molecular Sciences, 19, pp. 3681. https://doi.org/10.3390/ijms19113681
30. Stein, H., Honig, A., Miller, G., Erster, O., Eilerberg, H. & Csonka, L.N. (2011). Elevation of free proline and proline-rich protein levels by simultaneous manipulations of proline biosynthesis and degradation in plants. Plant Sciences, 181, No. 2, pp. 140-150. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2011.04.013
31. Kolupaev, Yu.E. & Karpets, Yu.V. (2010). Formation of adaptive reactions of plants to the action of abiotic stressors. Kiev: Basis [in Russian].
32. Kosakovskaya, I.V. (2008). Stress proteins of plants. Kiev: Fitosotsiotsentr [in Russian].
33. Proels, R.K. & Huckelhoven, R. (2014). Cell-wall invertases, key enzymes in the modulation of plant metabolism during defence responses. Molecular Plant Pathology, 15, No. 8, pp. 858-864. https://doi.org/10.1111/mpp.12139
34. Kiriziy, D.A., Stasik, O.O., Pryadkina, G.A., & Shadchina, T.M. (2014). Assimilation of CO2 and the mechanisms of its regulation. Photosynthesis. Vol. 2. Kiev: Logos [in Russian].
35. Morgun, V.V., Stasyk, O.O., Kiriziy, D.A. & Pryadkina, G.O. (2016). The relationship between the response of photosynthetic parameters and grain productivity to soil drought in winter wheat plants contrasting in terms of resistance. Fiziol. rast. genet., 48, No. 5, pp. 371-381 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2016.05.371