vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/2227-2925-2022-12-2-268-278vuzbiochemi-811Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯPHYSICOCHEMICAL BIOLOGYВлияние высокой инфекционной нагрузки бактериального возбудителя кольцевой гнили картофеля на изменение уровней пероксида водорода и цАМФ в трансгенных растениях картофеля in vitro с повышенным содержанием эндогенного пероксида водородаInfluence of the high infectious load of the causal agent of bacterial ring rot of potatoes on variations in hydrogen peroxide and cAMP levels in transgenic potato plants in vitro with increased contents of endogenous hydrogen peroxideЛомоватскаяЛ. А.LomovatskayaL. A.

Л. А. Ломоватская, д.б.н., главный научный сотрудник

664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Lidia A. Lomovatskaya, Dr. Sci. (Biology), Chief Researcher132, Lermontov St., 664033, Irkutsk

https://orcid.org/0000-0001-7647-9271ФилиноваН. В.FilinovaN. V.

Н. В. Филинова, к.б.н., научный сотрудник664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132; 664033, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1,

Nadezhda V. Filinova, Cand. Sci. (Biology), Researcher, Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, SB RAS, A. E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry, SB RAS

1, Favorsky St., Irkutsk, 664033;132, Lermontov St., 664033, Irkutsk

Filinova@sifibr.irk.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6418-6244РоманенкоА. С.RomanenkoA. S.

А. С. Романенко, д.б.н., главный научный сотрудник664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Anatoly S. Romanenko, Dr. Sci. (Biology), Chief Researcher,Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry

132, Lermontov St., 664033, Irkutsk

Rom@sifibr.irk.ruСибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАНРоссияSiberian Institute of Plant Physiology and BiochemistryRussian FederationИркутский институт химии им. А. Е. Фаворского СО РАН; Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАНРоссияSiberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry; A. E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry, SB RASRussian Federation202204072022122268278Copyright © Ломоватская Л.А., Филинова Н.В., Романенко А.С., 20222022Ломоватская Л.А., Филинова Н.В., Романенко А.С.Lomovatskaya L.A., Filinova N.V., Romanenko A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/811

Цель исследования заключалась в изучении влияния различной по интенсивности инфекционной нагрузки возбудителя кольцевой гнили картофеля (Clavibacter michiganensis sps. sepedonicus) на содержание пероксида водорода и цАМФ в растениях картофеля in vitro 3-х трансгенных линий сорта Скарб: линия L17.2 – растения, трансформированные нативным геном глюкозооксидазы gox из высокоактивного грибного штамма Penicillium funiculosum 46.1, линия М7.3 – растения, трансформированные модифицированным геном gox-mod, и линия Pb14.10 – растения, трансформированные вектором без целевого гена. К исследованию привлекали также нетрансгенные растения того же сорта (среднеустойчивый к Cms), Луговской (устойчивый к Cms) и Лукьяновский (восприимчивый к Cms). При инфицировании Cms (0,2х108 кл/мл) динамика уровня цАМФ и Н2О2 свидетельствовала о сбалансированном системном сигнале «корень–стебель». Титр Cms (2х108кл/мл) вызывал системное увеличение концентрации Н2О2 в органах почти всех вариантов растений, но системное увеличение уровня цАМФ возникало только у сорта Луговской. У всех трансгенных линий уровень цАМФ оставался на уровне контроля, что сопровождалось как локальными, так и обширными некрозами. Вероятно, у растений трансгенных линий картофеля изменение качества ответных защитных реакций (обширные некрозы наряду с локальными) связано со слишком высоким базовым уровнем эндогенного пероксида водорода и дисбалансом в уровне цАМФ. Тем не менее введение гена gox в растения картофеля повышает их устойчивость к инфицированию высоким титром Cms.

Effects of the infectious load of the causal agent Clavibacter michiganensis sps. Sepedonicus (Cms) of ring rot of potatoes on hydrogen peroxide and cAMP levels in potato plants in vitro were studied on three transgenic lines of the Scarb cultivar: line L17.2 – plants transformed with the native gene of glucose oxidase gox from the highly active fungal strain Penicillium funiculosum 46.1; line M7.3 – plants transformed with the modified gene gox-mod; and line Pb14.10 – plants transformed with a vector without a target gene. In addition, non-transgenic plants of the same cultivar (medium resistant against Cms), Lugovskaya (resistant against Cms) and Lukyanovsky (susceptible to Cms) were examined. In the plants infected with Cms (0.2х108 cells/ml), the dynamics of cAMP and Н2О2 indicated a balanced system signal “root–stem”. The Cms titre (2х108cells/ml) caused a systemic increase in the concentration of Н2О2 in the organs of almost all plant cultivars; however, a systemic increase in the level of cAMP occurred only in the Lugovskaya cultivar. In all the studied transgenic lines, cAMP levels remained at the control level, accompanied by both local and extensive necrosis. In transgenic potato lines, the observed decrease in protective responses (both local and extensive necrosis) is likely to be associated with an extremely high baseline level of endogenous hydrogen peroxide and an imbalance in cAMP levels. The introduction of the gox gene into potato plants was found to increase their resistance against high Cms titres.

картофель in vitrogox ген – ген глюкозооксидазыпероксид водородацАМФClavibacter michiganensis sps. sepedonicuspotatoes in vitrogox gene – glucose oxidase genehydrogen peroxidecAMPClavibacter michiganensis sps. sepedonicusReferencesКочетов А. В., Шумный В. К. Трансгенные растения как генетические модели для изучения функций генов растений // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2016. Т. 20. N 4. С. 475–481. https://doi.org/10.18699/VJ16.179.Kochetov A. V., Shumny V. K. Transgenic plants as genetic models for studying functions of plant genes. Vavilovskii zhurnal genetiki i selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2016;20(4):475-481. (In Russian). https://doi.org/10. 18699/VJ16.179.Mengarelli D. A., Tewes L. R., Balazadeh S., Zanor M. I. FITNESS acts as a negative regulator of immunity and influences the plant reproductive output after Pseudomonas syringae infection // Frontiers Plant Science. 2021. Vol. 12. Article 606791. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.606791.Mengarelli D. A., Tewes L. R., Balazadeh S., Zanor M. I. FITNESS acts as a negative regulator of immunity and influences the plant reproductive output after Pseudomonas syringae infection. Frontiers Plant Science. 2021;12. Article 606791. https://doi. org/10.3389/fpls.2021.606791.Wu G., Shortt B. J., Lawrence E. B., Levine E. B., Fitzsimmons K. C., Shah D. M. Disease resistance conferred by expression of a gene encoding H202-generating glucose oxidase in transgenic potato plants // Plant Cell. 1995. Vol. 7, no. 9. P. 1357–1368. https://doi.org/10.1105/tpc.7.9.1357.Wu G., Shortt B. J., Lawrence E. B., Levine E. B., Fitzsimmons K. C., Shah D. M. Disease resistance conferred by expression of a gene encoding H202-generating glucose oxidase in transgenic potato plants. Plant Cell. 1995;7(9):1357-1368. https://doi.org/10.1105/tpc.7.9.1357.Савчин Д. В., Панюш А. С., Картель Н. А. Молекулярно-генетический анализ трансгенных растений картофеля с геном gox Penicillium funiculosum // Труды Белорусского государственного университета. 2011. Т. 6. N 2. С. 116.Savchin D. V., Panyush A. S., Kartel' N. A. Molecular genetic analysis of transgenic potato plants with the gox gene of Penicillium funiculosum. Trudy Belorusskogo Gosudarstvennogo Universiteta. 2011;6(2):116.Keller H., Pamboukdjian N., Ponchet M., Poupet A., Delon R., Verrier J.-L., et al. Pathogeninduced elicitin production in transgenic tobacco generates a hypersensitive response and nonspecific disease resistance // Plant Cell. 1999. Vol. 11, no. 2. P. 223–225. https://doi.org/10.1105/tpc.11.2.223.Keller H., Pamboukdjian N., Ponchet M., Poupet A., Delon R., Verrier J.-L., et al. Pathogeninduced elicitin production in transgenic tobacco generates a hypersensitive response and nonspecific disease resistance. Plant Cell. 1999;11(2):223- 225. https://doi.org/10.1105/tpc.11.2.223.Lee Y. H., Yoon I. S., Suh S. C., Kim H. I. Enhanced disease resistance in transgenic cabbage and tobacco expressing a glucose oxidase gene from Aspergillus niger // Plant Cell Reports. 2002. Vol. 20, no. 12. P. 857–863. https://doi.org/10.1007/s00299-001-0416-x.Lee Y. H., Yoon I. S., Suh S. C., Kim H. I. Enhanced disease resistance in transgenic cabbage and tobacco expressing a glucose oxidase gene from Aspergillus niger. Plant Cell Reports. 2002; 20(12):857-863. https://doi.org/10.1007/s00299-001- 0416-x.Ткачук В. А., Тюрин-Кузьмин П. А., Белоусов В. В., Воротников А. В. Пероксид водорода как новый вторичный посредник // Биологические мембраны. 2012. Т. 29. N 1-2. С. 21–37.Tkachuk V. A., Tyurin-Kuzmin P. A., Belousov V. V., Vorotnikov A. V. Hydrogen peroxide as a new second messenger. Biologicheskie membrany = Biological Membranes. 2012;29(1-2):21-37. (In Russian).Креславский В. Д., Лось Д. А., Аллахвердиев С. И., Кузнецов Вл. В. Сигнальная роль активных форм кислорода при стрессе у растений // Физиология растений. 2012. Т. 59. N 2. С. 163.Kreslavski V. D., Allakhverdiev S. I., Los D. A., Kuznetsov V. V. Signaling role of reactive oxygen species in plants under stress. Fiziologiya rastenii = Russian Journal of Plant Physiology. 2012;59 (2):163. (In Russian).Шакирова Ф. М. Неспецифическая устойчивость растений к стрессовым факторам и ее регуляция. Уфа: Гилем, 2001. 160 с.Shakirova F. M. Nonspecific frequency of diseases to stress diseases and its regulation. Ufa: Gilem; 2001. 160 p. (In Russian).Ma Y., Zhao Y., Walker R., Berkowitz G. Molecular steps in the immune signaling pathway evoked by plant elicitor peptides: Ca2+-dependent protein kinases, nitric oxide, and reactive oxygen species are downstream from the early Ca2+ signal // Plant Physiology. 2013. Vol. 163, no. 3. P. 1459– 1471. https://doi.org/10.1104/pp.113.226068.Ma Y., Zhao Y., Walker R., Berkowitz G. Molecular steps in the immune signaling pathway evoked by plant elicitor peptides: Ca2+-dependent protein kinases, nitric oxide, and reactive oxygen species are downstream from the early Ca2+ signal. Plant Physiology. 2013;163(3):1459-1471. https:// doi.org/10.1104/pp.113.226068.Ma W., Qi Z., Smigel A., Walker R. K., Verma R., Berkowitz G. A. Ca2+ , cAMP, and transduction of non-self perception during plant immune responses // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2009. Vol. 106. N 49. P. 20995–21000. https://doi.org/10.1073_pnas.0905831106.Ma W., Qi Z., Smigel A., Walker R. K., Verma R., Berkowitz G. A. Ca2+, cAMP, and transduction of non-self perception during plant immune responses. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2009;106 (49):20995-21000. https://doi.org/10.1073_pnas.09 05831106.Ломоватская Л. А., Романенко А. С., Филинова Н. В. Аденилатциклазы растений: влияние биотического стрессора на кинетические параметры трансмембранной и «растворимой» форм аденилатциклазы // Биологические мембраны. 2014. Т. 31. N 2. С. 129–136. https://doi.org/10.7868/S0233475514010071.Lomovatskaya L. A., Romanenko A. S., Filinova N. V. Plant adenylate cyclase: influence of a biotic stressor on the kinetic parameters of transmembrane and “soluble” forms of adenylate cyclase. Biologicheskie membrany = Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology. 2014;31(2):129-136. (In Russian). https://doi.org/ 10.7868/S0233475514010071.Ломоватская Л. А., Кузакова О. В., Симакова А. А., Соколова Л. Г., Романенко А. С. Характер изменения уровня цАМФ у растений как возможный критерий устойчивости культур к загрязнению почв фторидами // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2015. Т. 14. N 3. С. 54–60.Lomovatskaya L. A., Kuzakova O. V., Simakova A. A., Sokolova L. G., Romanenko A. S. Character of cAMP level change in plants as a probable criterion of cultivars esistance to soil pollution by fluorides. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. (In Russian). 2015;14(3):54-60.Романенко А. С., Ломоватская Л. А., Граскова И. А. Некрозы как необычные симптомы кольцевой гнили картофеля // Физиология растений. 2002. Т. 49. N 5. С. 773–778.Romanenko A. S., Lomovatskaya L. A., Graskova I. A. Necrosis as uncommon symptoms of potato ring rot. Fiziologiya rastenii = Russian Journal of Plant Physiology. 2002;49(5):773-778. (In Russian).Попов В. Н., Антипина А. В., Астахова Н. В. Изменения ультраструктуры хлоропластов табака в процессе защиты от окислительного стресса при гипотермии // Физиология растений. 2016. Т. 63. N 3. С. 319–326. https://doi.org/10.7868/S0015330316030118.Popov V. N., Antipina O. V., Astakhova N. V. Changes in chloroplast ultrastructure of tobacco plants in the course of protection from oxidative stress under hypothermia. Fiziologiya rastenii = Russian Journal of Plant Physiology. 2016;63 (3):319-326. (In Russian). https://doi.org/10.7868/ S0015330316030118.Peleg-Grossman S., Melamed-Book N., Levine A. ROS production during symbiotic infection suppresses pathogenesis-related gene expression // Plant Signaling & Behavior. 2012. Vol. 7, no. 3. P. 409–415. https://doi.org/10.4161/psb.19217.Peleg-Grossman S., Melamed-Book N., Levine A. ROS production during symbiotic infection suppresses pathogenesis-related gene expression. Plant Signaling & Behavior. 2012;7(3):409-415. https://doi.org/10.4161/psb.19217.Захарченко Н. С., Бурьянов Я. И., Лебедева А. А., Пиголева С. В., Ветошкина В. Д., Локтюшов Е. В. [и др.]. Физиологические особенности трансгенных растений рапса, экспрессирующих ген антимикробного пептида цекропина Р1 // Физиология растений. 2013. Т. 60. N 3. С. 424– 433. https://doi.org/10.7868/S0015330313030160.Zakharchenko N. S., Buryanov Y. I., Lebedeva A. A., Pigoleva S. V., Vetoshkina D. V., Chepurnova M. A., et al. Physiological features of rapeseed plants expressing the gene for an antimicrobial peptide cecropin P1. Fiziologiya rastenii = Russian Journal of Plant Physiology. 2013;60(3):424-433. (In Russian). https://doi.org/10.7868/S0015330313030160.Enikeev A. G., Kopytina T. V., Semenova L. A., Natyaganova A. V., Gamanetz L. V., Volkova O. D. Agrobacterial transformation as complex biotical stressing factor // Journal Stress Physiology & Biochemistry. 2008. Vol. 4, no. 1. P. 11–19.Enikeev A. G., Kopytina T. V., Semenova L. A., Natyaganova A. V., Gamanetz L. V., Volkova O. D. Agrobacterial transformation as complex biotical stressing factor. Journal Stress Physiology & Biochemistry. 2008;4(1):11-19.Ванюшин Б. Ф. Апоптоз у растений // Успехи биологической химии. 2001. Т. 41. С. 3–38.Vanyushin B. F. Apoptosis in plants. Uspekhi biologicheskoi khimii. 2001;41:3-38. (In Russian).Ломоватская Л. А., Кузакова О. В., Гончарова А. М., Романенко А. С. цАМФ участвует в регуляции уровня пероксида водорода в корне проростков гороха при биотическом стрессе // Физиология растений. 2020. Т. 67. N 3. С. 270– 277. https://doi.org/10.1134/S0015330320020104.Lomovatskaya L. A., Kuzakova O. V., Goncharova A. M., Romanenko A. S. Implication of cAMP in regulation of hydrogen peroxide level in pea seedling roots under biotic stress. Fiziologiya rastenii = Russian Journal of Plant Physiology. 2020;67(3):270-277. (In Russian). https://doi.org/ 10.1134/S0015330320020104.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 Phytologist. 2001. Vol. 151, no. 1. P. 185–194. http://dx.doi.org/10.1046/j.1469-8137.2001.00170.x.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 Phytologist. 2001;151(1):185-194. http://dx.doi.org/10.1046/j.1469-8137.2001.00170.x.Huber A. E., Bauerle T. L. Long-distance plant signaling pathways in response to multiple stressors: the gap in knowledge // Journal of Experimental Botany. 2016. Vol. 67, no. 7. P. 2063–2079. https://doi.org/10.1093/jxb/erw099.Huber A. E., Bauerle T. L. Long-distance plant signaling pathways in response to multiple stressors: the gap in knowledge. Journal of Experimental Botany. 2016;67(7):2063-2079. https://doi. org/10.1093/jxb/erw099.Romanenko A. S., Lomovatskaya L. A., Shafikova T. N., Borovskii G. B., Krivolapova N. V. Potato cell plasma membrane receptors to ring rot pathogen extracellular polysaccharides // Journal of Phytopathology. 2003. Vol. 151, no. 1. P. 1–6. https://doi.org/10.1046/j.1439-0434.2003.00667.x.Romanenko A. S., Lomovatskaya L. A., Shafikova T. N., Borovskii G. B., Krivolapova N. V. Potato cell plasma membrane receptors to ring rot pathogen extracellular polysaccharides. Journal of Phytopathology. 2003;151(1):1-6. https://doi.org/10.10 46/j.1439-0434.2003.00667.x.Ito M., Takahashi H., Sawasaki T., Ohnishi K., Hikichi Y., Kiba A. Novel type of adenylyl cyclase participates in tabtoxinine-β-lactam-induced cell death and occurrence of wildfire disease in Nicotiana benthamiana // Plant Signaling & Behavior. 2014. Vol. 9, no. 1. https://doi.org/10.4161/psb.27420.Ito M., Takahashi H., Sawasaki T., Ohnishi K., Hikichi Y., Kiba A. Novel type of adenylyl cyclase participates in tabtoxinine-β-lactam-induced cell death and occurrence of wildfire disease in Nicotiana benthamiana. Plant Signaling & Behavior. 2014;9(1). https://doi.org/10.4161/psb.27420.Яруллина Л. Г., Касимова Р. И., Бурханова Г. Ф., Муратова М. В., Черепанова Е. А. АФК в регуляции активности PR-белков при индуцированной устойчивости растений // Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений. Роль активных форм кислорода в жизни растений: материалы II Международного симпозиума и международной научной школы (г. Уфа, 26 июня – 01 июля 2017 г.). Уфа: Первая типография, 2017. С. 288–292.Yarullina L. G., Kasimova R. I., Burkhanova G. F., Muratova M. V., Cherepanova E. A. ROS in the regulation of PR protein activity in induced plant resistance. In: Molekulyarnye aspekty redoksmetabolizma rastenii. Rol' aktivnykh form kisloroda v zhizni rastenii: materialy II Mezhdunarodnogo simpoziuma i mezhdunarodnoi nauchnoi shkoly = Molecular aspects of plant redox metabolism. The Role of Reactive Oxygen Species in Plant Life: Proceedings of the II International Symposium and the International Scientific School. Ufa, June 26 – July 01, 2017. Ufa: Pervaya tipografiya; 2017, p. 288-292. (In Russian).Омеличкина Ю. В., Бояркина С. В., Шафикова Т. Н. Реакции эффектор-активируемого иммунитета в культурах клеток картофеля и табака при действии фитопатогена Clavibacter michiganensis ssp. sepedonicus // Физиология растений. 2017. Т. 64. N 3. С. 204–212. https://doi.org/10.7868/S0015330317020099.Omelichkina Y. V., Boyarkina S. V., Shafikova T. N. Effector-activated immune responses in potato and tobacco cell cultures caused by phytopathogen Clavibacter michiganensis ssp. sepedonicus. Fiziologiya rastenii = Russian Journal of Plant Physiology. 2017;64(3):204-212. (In Russian). https://doi.org/10.7868/S0015330317020099.S´wiez˙awska-Boniecka B., Duszyn M., Mateusz Kwiatkowski M., Szmidt-Jaworska A., Jaworski K. Cross talk between cyclic nucleotides and calcium signaling pathways in plants–achievements and prospects // Frontiers Plant Science. 2021. Vol. 12. Article number 643560.S´wiez˙awska-Boniecka B., Duszyn M., Mateusz Kwiatkowski M., Szmidt-Jaworska A., Jaworski K. Cross talk between cyclic nucleotides and calcium signaling pathways in plants–achievements and prospects. Frontiers Plant Science. 2021. Vol. 12. Article number 643560.Бараненко В. В. Супероксидисмутаза в клетках растений // Цитология. 2006. Т. 48. N 6. С. 465–474.Baranenko V. V. Superoxide dismutase in plant cells. Tsitologiya = Cell and Tissue Biology. 2006;48(6):465-474. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.