Фізіологія рослин і генетика 2023, том 55, № 1, 58-73, doi: https://doi.org/10.15407/frg2023.01.058

Фiзiолого-бiохiмiчнi характеристики трансгенних рослин ози­мої пшеницi з надекспресiєю гена орнiтин-d-амiнотрансферази

Дубровна О.В., Прядкiна Г.О., Михальська С.I., Комiсаренко А.Г.

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

Орнітин-d-амінотрансфераза (OAT) — важливий регулятор клітинного метаболізму, оскільки реакція, що каталізується цим ферментом, пов’язує низку біохімічних систем. Введення екзогенного гена oрнітин-d-амінотрансферази (oat) у геном рослини є одним із перспективних методів створення стійких до абіотичних стресів генотипів пшениці. Метою нашої роботи було визначення фізіолого-біохімічних характеристик трансгенних рослин нових перспективних генотипів озимої м’якої пшениці насіннєвого покоління Т2 з надекспресією гена орнітин-d-амінотрансферази за нормальних і стресових умов. Досліджено активність ферменту, вміст вільного проліну, вміст фотосинтетичних пігментів і морфометричні показники. Показано, що наявність у трансгенних рослин додаткової копії гена oat підвищує активність ферменту орнітин-d-амінотрансферази (в 1,5—1,7 раза порівняно з вихідними рослинами), але вони істотно не відрізняються від рослин вихідних генотипів за вмістом вільного L-проліну ні за нормальних умов, ні за умов водного дефіциту. Виявлено, що у стресових умовах у період виходу в трубку—цвітіння генетично змінені рослини насіннєвого покоління Т2 зберігали вищий сумарний вміст хлорофілів (у серед­ньому на 10 %), порівняно з вихідними генотипами, тоді як за нормальних умов — різниця між ними була незначною. За посухи також встановлено збільшення співвідношення каротиноїдів і хлорофілів у вихідних генотипах, порівняно з трансгенними рослинами. Порівняльний аналіз морфометричних показників головного пагона у фазу повної стиглості показав, що за фізіологічних умов рослини трансгенних ліній не відрізнялися від рослин вихідних генотипів за довжиною ко­лоса, проте переважали їх за висотою стебла головного пагона і довжиною коренів.

Ключові слова: Triticum aestivum, трансгенні рослини, ген орнітин-d-амінотрансферази, ґрунтова посуха, пролін, фотосинтетичні пігменти, ростові параметри

Фізіологія рослин і генетика
2023, том 55, № 1, 58-73

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. 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

3. 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

4. Hiei, Y., Ishida, Y. & Komari, T. (2014). Progress of cereal transformation technology mediated by Agrobacterium tumefaciens. Frontiers in Plant Science, 7, No. 5, p. 628. https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00628

5. 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/10.1007/s00299-021-02699-0

6. Arabia, S., Shah, M., Sami, A., Ghosh, A. & Islam, T. (2021). Identification and expression profiling of proline metabolizing genes in Arabidopsis thaliana and Oryza sativa to reveal their stress-specific transcript alteration. Physiology and Molecular Biology of Plants, 27, No. 7, pp. 1469-1485. https://doi.org/10.1007/s12298-021-01023-0

7. Dubrovna, O.V., Stasik, O.O., Priadkina, G.O. Zborivska, O.V. & Sokolovska-Sergiienko, 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

8. 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

9. Ghosh, U.K., Islam, M.N., Siddiqui, M.N., Cao, X. & Khan, M.A.R. (2022). Proline, a multifaceted signalling molecule in plant responses to abiotic stress: understanding the physiological mechanisms. Plant Biology, 24, No. 2, pp. 227-239. https://doi.org/10.1111/plb.13363

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

11. 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

12. Meena, M., 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

13. 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

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

15. Carvalho, K., Campos, M.K., Domingues, D., Pereira, L. & Vieira, L. (2013). The accumulation of endogenous proline induces changes in gene expression of several antioxidant enzymes in leaves of transgenic Swingle citrumelo. Molecular Biology Reports, 40, pp. 3269-3279. https://doi.org/10.1007/s11033-012-2402-5

16. Chen, C., Cui, X., Zhang, P., Wang, Z. & Zhang, J. (2021). Expression of the pyrroline-5-carboxylate reductase (P5CR) gene from the wild grapevine Vitis yeshanensis promotes drought resistance in transgenic Arabidopsis. Plant Physiology and Biochemistry, 168, pp. 188-201. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.10.004

17. Anwar, A., She, M., Wang, K. & Ye, X. (2020). Cloning and molecular characterization of Triticum aestivum ornithine amino transferase (TaOAT) encoding genes. BMC Plant Biology, 20, pp. 187-187. https://doi.org/10.1186/s12870-020-02396-2

18. Stranska, J., Kopecny, D., Kopecna, M., Snйgaroff, J. & Sebela, M. (2010). Biochemical characterization of pea ornithine-d-aminotransferase: Substrate specificity and inhibition by di- and polyamines. Biochimie, 92, No. 8, pp. 940-948. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2010.03.026

19. 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 of Molecular Sciences, 19, p. 3681. https://doi.org/10.3390/ijms19113681

20. Szabados, L. & Savoure, A. (2009). Proline: A multifunctional amino acid. Trends in Plant Science, 15, pp. 89-97. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2009.11.009

21. Liu, C., Xue, Z., Tang, D., Shen, Y., Shi, W., Ren, L., Du, G., Li, Y. & Chenget, Z. (2018). Ornithine-d-aminotransferase is critical for floret development and seed setting through mediating nitrogen reutilization in rice. Plant Journal, 96, No. 4, pp. 842-854. https://doi.org/10.1111/tpj.14072

22. 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

23. Liang, X., Zhang, L., Natarajan, S.K. & Becker, D.F. (2013). Proline mechanisms of stress survival. Antioxidants & Redox Signaling, 19, pp. 998-1011. https://doi.org/10.1089/ars.2012.5074

24. Kalamaki, M.S., Merkouropoulos, G. & Kanellis, A.K. (2009). Can ornithine accumulation modulate abiotic stress tolerance in Arabidopsis? Plant Signal Behav, 4, No. 11, pp. 1099-1101. https://doi.org/10.4161/psb.4.11.9873

25. Kolupaev, Y.E. & Kokorev, O.I. (2019). Participation of polyamines in regulation of redox homeostasis in plants. Visnyk Kharkivskoho natsionalnoho ahrarnoho universytetu. Seriia Biolohiia, 1, No. 46, pp. 6-22 [in Russian]. https://doi.org/10.35550/vbio2019.01.006

26. Wu, L., Fan, Z., Guo, L., Li, Y., Zhang, W., Qu, L. & Chen, Z. (2003). Over-expression of an Arabidopsis d-OAT gene enhances salt and drought tolerance in transgenic rice. Chinese Science Bulletin, 48, No. 23, pp. 2594-2600. https://link.springer.com/article/10.1360/03wc0218 https://doi.org/10.1360/03wc0218

27. Roosens, N.H., Bitar, F.A. & Loenders, K. (2002). Overexpression of ornithine-aminotransferase increases proline biosynthesis and confers osmotolerance in transgenic plants. Molecular Breeding, 9, No. 2, pp. 73-80. https://doi.org/10.1023/A:1026791932238

28. Funck, D., Stadelhofer, B. & Koch, W. (2008). Ornithine-delta-aminotransferase is essential for arginine catabolism but not for proline biosynthesis. BMC Plant Biology, 8, No. 1, p. 40. https://doi.org/10.1186/1471-2229-8-40

29. Gerasimova, S.V., Kolodyazhnaya, Ya.S., Titov, S.E., Romanova, A.V., Koval', V.S., Kochetov, A.V. & Shumnyi, V.K. (2010). Tobacco transformants expressing the Medicago truncatula ornithine aminotransferase cDNA. Russkyi zhurnal henetyky, 46, No. 7, pp. 1000-1003 [in Russian]. https://doi.org/10.1134/S102279541007015X

30. Goncharuk, O.M., Bavol A.V. & Dubrovna O.V. (2015). Agrobacterium-mediated transformation of wheat with ornithine-aminotransferase gene by an in planta method. Faktory eksperymentalnoy evolyutsiyi orhanizmiv, 17, pp. 131-135 [in Ukrainian]. http://dspace.nbuv.gov.ua/ handle/123456789/177493

31. Komisarenko, A.G., Mykhalska, S.I. & Kurchii, V.M. (2019). Productivity of winter wheat plants with the additional copy of ornithine-d-aminotransferase gene under water deficit conditions. Faktory eksperymentalnoy evolyutsiyi orhanizmiv, 25, pp. 247-252 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.7124/FEEO.v25.1171

32. 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

33. Slyvka, L.V. & Dubrovna, O.V. (2021). Genetic transformation of promising genotypes of winter soft wheat by the in planta method. Faktory eksperymentalnoy evolyutsiyi orhanizmiv, 28, pp. 106-111 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.7124/FEEO.v28.1384

34. 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

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

36. Madan, S., Nainawatee, H.S., Jain, R.K. & Chowdhury, J.B. (1995). Proline and proline metabolizing enzymes in-vitro selected NaCl-tolerant. Annals of Botany, 76, No. 1, pp. 51-57. https://www.jstor.org/stable/42764614 https://doi.org/10.1006/anbo.1995.1077

37. 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

38. Barutcular, C., Yildirim, M., Koc, M., Akinci, C., Toptas, I., Albayrak, O., Tanrikulu, A. & El Sabagh, A. (2016). Evaluation of SPAD chlorophyll in spring wheat genotypes under different environments. Fresenius Environmental Bulletin, 25, No. 4, pp. 1258-1266 ref.35.

39. Yasir, T.A., Wasaya, A., Hussain, M., Ijaz, M., Farooq, M., Farooq, O., Nawaz, A. & Hu, Y.G. (2019). Evaluation of physiological markers for assessing drought tolerance and yield potential in bread wheat. Physiology and Molecular Biology of Plants, 25, No. 5, pp. 1163-1174. https://doi.org/10.1007/s12298-019-00694-0

40. Javed, A., Ahmad, N., Ahmed, J., Hameed, A., Ashraf, M.A., Zafar, S.A., Maqbool, A., Al-Amrah, H., Alatawi, H.A., Al-Harbi, M.S. & Ali, E.F. (2022). Grain yield, chlorophyll and protein contents of elite wheat genotypes under drought stress. Journal of King Saud University - Science, 34, No. 7. https://doi.org/10.1016/j.jksus.2022.102279

41. Sharma, S. & Verslues, P.E. (2010). Mechanisms independent of abscisic acid (ABA) or proline feedback have a pre-dominant role in transcriptional regulation of proline metabolism during low water potential and stress recovery. Plant, Cell & Environment, 33, No. 11, pp. 1838-1851. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2010.02188.x

42. 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

43. le Roux, M.L., Burger, N.F.V., Vlok, M., Kunert, K.J., Cullis, C.A. & Botha, A-M. (2020). Wheat line «RYNO3936» is associated with delayed water stress-induced leaf senescence and rapid water-deficit stress recovery. Frontiers in Plant Sciece, 11, p. 1053. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.01053

44. Yue, Z., Shen, Y., Chen, Y., Liang, A., Chu, C., Chen, C. & Sun, Z. (2019). Microbiological insights into the stress-alleviating property of an endophytic Bacillus altitudinis WR10 in wheat under low-phosphorus and high-salinity stresses. Microorganisms, 7, No. 11, p. 508. https://doi.org/10.3390/microorganisms7110508