Рост корней трансгенных растений табака со сверхэкспрессией гена ксилоглюканэндотрансгликозилазы PtrXTH1 в условиях абиотического стресса

Ксилоглюканэндотрансгликозилазы представляют собой гидролитические ферменты клеточных стенок, которые участвуют в регуляции и обеспечении роста растений. Сверхэкспрессия генов ксилоглюканэндотрансгликозилаз может позитивно влиять на рост и стрессоустойчивость трансгенных растений, однако механизмы такого влияния остаются малоизученными. Целью данной работы являлось создание трансгенных растений табака со сверхэкспрессией гена ксилоглюканэндотрансгликозилазы осины PtrXTH1, а также морфофизиологический анализ их корней в условиях действия абиотических стресс-факторов. Трансгенные растения табака характеризовались увеличенной длиной корней по сравнению с растениями дикого типа как при оптимальных условиях, так и при засолении (действие хлорида натрия в концентрации 100 мМ), гипотермии (12 °С) и загрязнении кадмием (действие ацетата кадмия в концентрации 200 мкМ). Площадь клеток паренхимы корней у трансгенных растений табака была больше по сравнению с растениями дикого типа только при действии ацетата кадмия, тогда как при норме, гипотермии и засолении разница в размере клеток не обнаруживалась. Сверхэкспрессия гена PtrXTH1 способствовала увеличению в корнях общей антиоксидантной способности, содержания пролина, водорастворимых сахаров, окисленного и восстановленного глутатиона при действии всех трех стрессовых факторов. Таким образом, трансген PtrXTH1 оказывает стимулирующее действие на рост корней табака при норме и действии абиотических стресс-факторов, что сопровождается положительными изменениями в антиоксидантной системе.

1. Van Sandt V.S.T., Suslov D., Verbelen J.-P., Vissenberg K. Xyloglucan endotransglucosylase activity loosens a plant cell wall // Annals of Botany. 2007. Vol. 100. Р. 1467–1473. DOI: 10.1093/aob/mcm248.

2. Cho S.K., Kim J.E., Park J.-A., Eom T.J., Kim W.T. Constitutive expression of abiotic stress-inducible hot pepper CaXTH3, which encodes a xyloglucan endotransglucosylase/ hydrolase homolog, improves drought and salt tolerance in transgenic Arabidopsis plants // FEBS Letters. 2006. Vol. 580, no. 13. P. 3136–3144. DOI: 10.1016/j.febslet.2006.04.062.

3. Han Y., Ban Q., Hou Y., Meng K., Suo J., Rao J. Isolation and characterization of two persimmon xyloglucan endotransglycosylase/hydrolase (XTH) genes that have divergent functions in cell wall modification and fruit postharvest softening // Frontiers in Plant Science. 2016. Vol. 7. P. 624. DOI: 10.3389/fpls.2016.00624.

4. Han Y., Han S., Ban Q., He Y., Jin M., Rao J. Overexpression of persimmon DkXTH1 enhanced tolerance to abiotic stress and delayed fruit softening in transgenic plants // Plant Cell Reports. 2017. Vol. 36. P. 583–596. DOI: 10.1007/s00299-017-2105-4.

5. Kuluev B.R., Mikhaylova E.V., Berezhneva Z.A., Nikonorov Y.M., Postrigan B.N., Kudoyarova G.R., et al. Expression profiles and hormonal regulation of tobacco NtEXGT gene and its involvement in abiotic stress response // Plant Physiology and Biochemistry. 2017. Vol. 111. P. 203–215. DOI: 10.1016/j.plaphy.2016.12.005.

6. Кулуев Б.Р., Бережнева З.А., Князев А.В., Никоноров Ю.М., Чемерис А.В. Участие генов ксилоглюканэндотрансгликозилаз PtrXTH1 и PnXTH1 в регуляции роста и адаптации растений к стресс-факторам // Физиология растений. 2018. Т. 65. N 1. С. 26–37. DOI: 10.7868/S0015330318010037. EDN: YMTJBE.

7. Han Y., Wang W., Sun J., Ding M., Zhao R., Deng S., et al. Populus euphratica XTH overexpression enhances salinity tolerance by the development of leaf succulence in transgenic tobacco plants // Journal of Experimental Botany. 2013. Vol. 64, no. 14. P. 4225–4238. DOI: 10.1093/jxb/ert229.

8. Yang K.A., Lim C.J., Hong J.K., Park C.Y., Cheong Y.H., Chung W.S., et al. Identification of cell wall genes modified by a permissive high temperature in Chinese cabbage // Plant Science. 2006. Vol. 171, no. 1. P. 175–182. DOI: 10.1016/J.PLANTSCI.2006.03.013.

9. Dong J., Jiang Y., Chen R., Xu Z., Gao X. Isolation of a novel xyloglucan endotransglucosylase (OsXET9) gene from rice and analysis of the response of this gene to abiotic stresses // African Journal of Biotechnology. 2011. Vol. 10, no. 76. P. 17424–17434. DOI: 10.5897/AJB11.1242.

10. Wang M., Xu Z., Ding A., Kong Y. Genome-wide identification and expression profiling analysis of the xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase gene family in tobacco (Nicotiana tabacum L.) // Genes. 2018. Vol. 9, no. 6. P. 273. DOI: 10.3390/genes9060273.

11. Бережнева З.А., Кашафутдинова А.Р., Кулуев Б.Р. Рост корней трансгенных растений Nicotiana tabacum L. с конститутивной экспрессией гена глутатионсинтетазы рапса BnGSH при действии стрессовых факторов // Вестник защиты растений. 2017. N 3. С. 55–59. EDN: ZIFWJZ.

12. Duncan D.B. Multiple range and multiple F test // Biometrics. 1955. Vol. 11, no. 1. P. 1–42. DOI: 10.2307/3001478.

13. Филин А.Н., Иванов В.Б. Влияние 2,4-Д на пролиферацию и растяжение клеток в корнях Arabidopsis thaliana // Физиология растений. 2016. Т. 63. N 1. С. 174– 179. DOI: 10.7868/S0015330316010061. EDN: UXXEKT.

14. Чевари С., Чаба И., Секей И. Роль супероксиддисмутазы в окислительных процессах клетки и метод определения ее в биологических материалах // Лабораторное дело. 1985. N 11. С. 678–681.

15. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П., Перуанский Ю.В., Луковникова Г.А., Смирнова-Иконникова М.И. Методы биохимического исследования растений. Л.: Агропромиздат, 1987. 430 с.

16. Verma S., Dubey R.S. Lead toxicity induces lipid peroxidation and alert the activities of antioxidant enzymes in grooving rice plants // Plant Science. 2003. Vol. 164, no. 4. P. 645–655. DOI: 10.1016/S0168-9452(03)00022-0.

17. Dubois M., Gilles K.A., Hamilton J., Robers P.A., Smith F. Colorimetric method for determination of sugar sand related substances // Analytical Chemistry. 1956. Vol. 28, no. 3. P. 350–356. DOI: 10.1021/AC60111A017.

18. Panchuck I.I. Volkov R.A., Schöffl F. Heat stressand heat shock transcription factor-depend expression and activity of ascorbate peroxidase in Arabidopsis // Plant Physiology. 2002. Vol. 129, no. 2. P. 838–853. DOI: 10.1104/pp.001362.

19. Habig W.H., Pabst M.S., Jakoby W.B. Glutathione-S-transferase. The first enzymatic step in mercapturic acid formation // Journal of Biological Chemistry. 1974. Vol. 249, no. 22. P. 7130–7139.

20. Шалыго Н.В., Щербаков Р.А., Доманская И.Н., Радюк М.С. Спектрофлуориметрический метод определения окисленного и восстановленного глутатиона в растениях // Физиология и биохимия культурных растений. 2007. Т. 39. N 3. С. 264–270.

21. Taylor N.L., Millar A.H. Oxidative stress and plant mitochondria // Mitochondria. Methods in Molecular Biology / eds D. Leister, J.M. Herrmann. Humana Press, 2007. Vol. 372. P. 389–403. DOI: 10.1007/978-1-59745-365-3_28.

22. Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid determination of free proline for water-stress studies // Plant and Soil. 1973. Vol. 39. P. 205–207. DOI: 10.1007/BF00018060.

23. Khedr A.H.A., Abbas M.A., Wahid A.A.A., Quick W.P., Abogadallah G.M. Proline induces the expression of saltstress-responsive proteins and may improve the adaptation of Pancratium maritimum L. to salt-stress // Journal of Experimental Botany. 2003. Vol. 54, no. 392. P. 2553–2562. DOI: 10.1093/jxb/erg277.

24. Boestfleisch C., Wagenseil N.B., Buhmann A.K., Seal C.E., Wade E.M., Muscolo A., et al. Manipulating the antioxidant capacity of halophytes to increase their cultural and economic value through saline cultivation // AoB Plants. 2014. Vol. 6. DOI: 10.1093/aobpla/plu046.

25. Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Analytical Biochemistry. 1976. Vol. 72, no. 1-2. P. 248–254. DOI: 10.1006/abio.1976.9999.

26. Швец Д.Ю., Бережнева З.А., Мусин Х.Г., Кулуев Б.Р. Влияние rol-генов Agrobacterium rhizogenes штаммов А4, 15834 и К599 на рост корней трансгенных растений табака и состояние антиоксидантной системы в условиях абиотического стресса // Физиология растений. 2024. Т. 71. N 5. С. 632–646. DOI: 10.31857/S0015330324050111. EDN: MLUDPV.

27. Бережнева З.А., Мусин Х.Г., Кулуев Б.Р. Рост корней трансгенных растений табака со сверхэкспрессией генов экспансинов и ксилоглюканэндотрансгликозилаз в условиях кадмиевого стресса // Физиология растений. 2022. Т. 69. N 5. С. 522–530. DOI: 10.31857/S0015330322050037. EDN: OVOZAD.