Проаналізовано збереження ознаки функціонування трансгена в насіннєвому поколінні (Т4) генетично модифікованих рослин кукурудзи, пшениці та соняшника. Показано, що близько 80—85 % насіння створених біотехнологічним шляхом рослин було здатним до проростання за умов водного дефіциту й засолення, тоді як у рослин вихідної форми цей показник становив 20—28 %. Відмічена варіабельність в експресії трансгенів серед індивідуальних варіантів насіннєвого покоління генетично змінених форм. Майже 65 % Т4 проростків кукурудзи й пшениці витримували умови наджорсткого стресу, створюваного добавлянням до середовища культивування 0,8 М маніту, які були летальними для вихідної форми. Потомство трансгенних рослин також характеризувалося підвищеним рівнем стійкості до посухи, створюваної припиненням поливу, що позначалося на показниках ростових процесів. На етапі відновлення після дії тривалого зневоднення біотехнологічні рослини соняшника випереджували в рості вихідну форму на 17 см і мали в 1,5 раза вищі показники біомаси. Збереження життєздатності генетично змінених варіантів за стресових умов пов’язано з підвищенням рівня вільного L-проліну (Pro). Генетично модифіковані рослини на відміну від вихідної форми характеризувались вищим в 1,5—2 рази вмістом Pro як за нормального забезпечення вологою, так і за її дефіциту, що може бути результатом часткової супресії гена проліндегідрогенази (PDH, pdh) біотехнологічних рослин. Встановлено, що за нормальних умов культивування активність ферменту PDH у трансгенних Т4 проростках кукурудзи і соняшника була нижчою майже в 3 рази порівняно з вихідною формою, для рослин пшениці ця різниця становила 1,6 раза. При цьому тенденцію до зниження активності ферменту PDH в Т4 досліджуваних представників однодольних і дводольних рослин відносно контролю спостерігали на всіх етапах культивування.
Ключові слова: Zea mays L., Triticum aestivum L., Helianthus annuus L., генетична модифікація, насіннєве покоління, проліндегідрогеназа, пролін, осмостійкість
Повний текст та додаткові матеріали
У вільному доступі: PDFЦитована література
1. 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
2. Sergeeva, L.E., Mykhalska, S.I. & Komisarenko, A.G. (2019). Modern biotechnologies for increasing plant resistance to osmotic stresses. Kyiv: Kondor [in Russian].
3. Morgun, B.V. & Tishchenko, E.N. (2014). Molecular biotechnology to improve the resistance of cultivated cereals to osmotic stress. Kyiv: Logos [in Russian].
4. Ortiz, R., Sayre, K.D., Govaerts, B., Gupta, R., Subbarao, G.V., Ban, T., Hodson, D., Dixon, J.M., Ortiz-Monasterio, J.I. & Reynolds, M. (2008). Climate change: Can wheat beat the heat? Agriculture, Ecosystems & Environment, 126, No. 1-2, pp. 46-58. https://doi.org/10.1016/j.agee.2008.01.019
5. Deyneko, Ye.V. (2014). Geneticheskaya inzheneriya rasteniy. Vavilovskiy zhurnal genetiki i selektsii, 18, No. 1, pp. 125-137 [in Russian].
6. Abiri, R., Valdiani, A., Maziah, M., Shaharuddin, N.A., Sahebi, M., Yusof, Z.N.B., Atabaki, N. & Talei, D. (2016). A critical review of the concept of transgenic plants: Insights into pharmaceutical biotechnology and molecular farming. Curr Issues Mol Biol., 18, pp. 21-42. https://doi.org/10.21775/cimb.018.021
7. Altpeter, F., Springer, N.M., Bartley, L.E., Blechl, A.E., Brutnell, T.P., Citovsky, V., Conrad, L.J., Gelvin,S.B., Jackson, D.P., Kausch, A.P., Lemaux, P.G., Medford, J.I., Orozco-Cardenas, M.L. & Tricoli, D.M. (2016). Advancing crop transformation in the era of genome editing. Plant Cell., 28, pp. 1510-1520. https://doi.org/10.1105/tpc.16.00196
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/10.15407/frg2018.03.187
9. Kochetov, A.V. & Shumny, V.K. (2017). Transgenic plants as genetic models for studying functions of plant genes. Russian Journal of Genetics: Applied Research, 7, No. 4, pp. 421-427. https://doi.org/10.1134/S2079059717040050
10. Tishchenko, E.N., Mykhalska, S.I., Kurchii, V.M. & Komisarenko, A.G. (2017). Genetic transformation of corn and wheat using genes of transcription factors: achievements and prospects for practical application. Fiziol. rast. genet., 49, pp. 384-397 [in Russian]. https://doi.org/10.15407/frg2017.05.384
11. Kochetov, A.V. & Shumny, V.K. (2016). Transgenic plants as genetic models for studying the functions of plant genes. Vavilovskiy zhurnal genetiki i selektsii, 20, No. 4, pp. 475-481. https://doi.org/10.18699/VJ16.179
12. Djilianov, D., Georgieva, T., Moyankova, D., Atanassov, A., Shinozaki, K. & Smeeken, S.C.M. (2005). Improved abiotic stress tolerance in plants by accumulation of osmoprotectants - gene transfer approach. Biotechnol. & Biotechnological Equipment, 19, pp. 63-71. https://doi.org/10.1080/13102818.2005.10817287
13. Kolupaev, Yu.E., Vainer, A.A. & Yastreb, T.O. (2014). Proline: physiological functions and regulation of the content in plants under stress conditions Newsletter. Kharkiv. nat. agrarian. un-tu. Ser. Biol., No. 2, pp. 6-22 [in Russian].
14. Sinha, S.K. (2010). RNAi induced gene silencing in crop improvement. Physiol. Mol. Biol. Plants, 16, No. 4, pp. 321-332. https://doi.org/10.1007/s12298-010-0036-4
15. Mykhalska, S.I., Sergeeva, L.E., Matveeva, A.Yu., Kobernik, N.I., Kochetov, A.V., Tishchenko, E.N. & Morgun, V.V. (2014). Increasing the content of free proline in osmotolerant transgenic maize plants with double-stranded RNA suppressor of the proline dehydrogenase gene. Fiziol rast. genet., 46, No. 6, pp. 482-489 [in Russian].
16. Komisarenko, A.G. & Mykhalska, S.I. (2017). The free proline levels in transgenic sunflower (Helianthus annuus L.) T3 plants with double-stranded proline dehydrogenase gene RNA-suppressor. Faktory eksperym. evolyutsiyi orhanizmiv, 20, pp. 211-214 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.7124/FEEO.v20.766
17. Ibragimova, Ya.S., Gerasimova, S.V. & Kochetov, A.V. ( 2012). The role of the proline dehydrogenase gene in maintaining stress resistance in plants. Fiziologiya rasteniy, 59, No. 1, pp. 99-107 [in Russian]. https://doi.org/10.1134/S1021443712010086
18. Voronova, S.S., Goncharuk, O.M., Bavol, A.V. & Dubrovnaya, O.V. (2015). Genetic transformation of common wheat using vector constructs containing genes for proline metabolism. Visn. Ukr. t-va genetikiv i selektsioneriv, 13, No. 1, pp. 28-33 [in Russian].
19. Tishchenko, E.N. (2013). Genetic engineering using L-proline metabolism genes to increase plant osmotolerance. Fiziol. rast. genet., 45, No. 6, pp. 488-500 [in Russian]. https://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159371
20. Dorokhov, Yu.L. (2007). Silence of genes in plants. Molekulyar. Biologiya, 41, No. 4, pp. 579-592 [in Russian]. https://doi.org/10.1134/S0026893307040012
21. Wang, Y.H. (2008). How effective is T-DNA insertional mutagenesis in Arabidopsis? J. Biochem. Tech. 1, No. 1, pp. 11-20.
22. Wolffe, A.P. & Matzke, M.A. (1999). Epigenetics: regulation through repression. Science, 286. pp. 481-486. https://doi.org/10.1126/science.286.5439.481
23. 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 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
24. Mykhalska, S.I., Matveeva, A.Yu., Sergeeva, L.E., Kochetov, A.V. & Tishchenko, E.N. (2013). Study of free proline content in maize plants transformed in planta using LBA4404 carrying pBi2E with double-stranded RNA suppressor of the proline dehydrogenase gene. Izv. Samar. nauch. tsentra RA, 15, No. 3(5), pp. 1662-1665 [in Russian].
25. 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. Izv. Akad. Nauk Mold. SSR, No. 4, pp. 55-60 [in Russian].
26. 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. Physiol. Plant, 101, pp. 787-792. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1997.tb01064.x
27. Dospekhov, B.A. (1985). Methods of field experiment. Moscow: Agropromizdat [in Russian].
28. Morgun, V.V. (2001). Problems of genetics and plant breeding in Ukraine at the turn of the millennium. Fiziologia i biokhimiya kult. rastenii, 33, No. 5, pp. 452-455 [in Ukrainian].
29. Komisarenko, A.G., Mykhalska, S.I. & Kurchii, V.M. (2020). Priority level of stiffness up to water deficiency T3 generation of biotechnological winter wheat growths (Triticum aestivum L.). Zbirnyk naukovykh prats. Biolohichni doslidzhennya. Zhytomyr, pp. 340-343 [in Ukrainian].
30. Pat. 97229 UA, IPC A01H 1/04, A01H 4/00, Method of selection of transgenic plants with increased level of resistance to water stress, Sergeeva, L.E., Komisarenko, A.G., Mychalska, S.I., Tishchenko, O.M., Publ. 10.03.2015 [in Ukrainian].
31. Marenkova, T., Deineco, E. & Shumny, V. (2007). Mosaic expression patternof the nptII gene in transgenic tobacco plants Nu 21. Russ. J. Genet., 43, No. 7, pp. 780-790. https://doi.org/10.1134/S1022795407070101
32. Mani, S., Van de Cotte, B., Van Montagu, M. & Verbruggen, N. (2002). Altered levels of proline dehydrogenase cause hypersensitivity to proline and its analogs in Arabidopsis. Plant Physiol., 128, No. 1, pp. 73-83. https://doi.org/10.1104/pp.010572
33. Nanjo, T., Kobayashi, M., Yoshiba,Y., Yoshitaka Kakubari, Y., Yamaguchi-Shinozaki, K. & Shinozaki, K. (1999). Antisense suppression of proline degradation improves tolerance to freezing and salinity in Arabidopsis thaliana. FEBS Letters, 461, No. 3, pp. 205-210. https://doi.org/10.1016/S0014-5793(99)01451-9
34. Vij, S. & Tyagi, A. (2007). Emerging trends in the functional genomics of the abiotic stress response in crop plants. Plant Biotechnol. J., 3, pp. 361-380. https://doi.org/10.1111/j.1467-7652.2007.00239.x
35. Sergeeva, L.E., Mykhalska, S.I., Kurchiy, V.M. & Tishchenko, E.N. (2015). Free proline content in maize seedlings as an indicator of rapid responses to lethal osmotic stress in vitro. Fiziol. rast. genet., 47, No. 6, pp. 491-496 [in Ukrainian].