vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJ21.019vavilov-2973Research ArticleГЕНЕТИКА РАЗВИТИЯGENETIC ENGINEERINGПоложительный опыт применения биобаллистического подхода к картофелю сортов Аксор и НевскийA positive experience in applying the biolistic approach to potato varieties Aksor and Nevskiyhttps://orcid.org/0000-0001-5312-9674МалаховаН. П.MalakhovaN. P.

Алматы

Almaty

tasha_malakhova@mail.ruСкибаЮ. А.SkibaY. A.

Алматы

Almaty

https://orcid.org/0000-0002-1989-9031ИскаковаГ. А.IskakovaG. A.

Алматы

Almaty

https://orcid.org/0000-0002-0606-4289НайзабаеваД. А.NaizabayevaD. A.

Алматы

Almaty

https://orcid.org/0000-0003-2313-9737ТезекбаеваБ. К.TezekbaevaB. K.

Алматы

Almaty

https://orcid.org/0000-0002-2735-4939ИсмагуловаГ. А.IsmagulovaG. A.

Алматы

Almaty

https://orcid.org/0000-0001-9198-695XМальцеваЭ. Р.MaltsevaE. R.

Алматы

Almaty

Институт молекулярной биологии и биохимии им. М.А. Айтхожина Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан; Институт биологии и биотехнологии растений Комитета науки Министерства образования и науки Республики КазахстанКазахстанM.A. Aitkhozhin Institute of Molecular Biology and Biochemistry; Institute of Plant Biology and BiotechnologyKazakhstanИнститут молекулярной биологии и биохимии им. М.А. Айтхожина Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан; Институт биологии и биотехнологии растений Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан; Филиал Национального центра биотехнологии Комитета науки Министерства образования и науки Республики КазахстанКазахстанM.A. Aitkhozhin Institute of Molecular Biology and Biochemistry; Institute of Plant Biology and Biotechnology; Almaty Branch of National Center for Biotechnology in the Central Reference LaboratoryKazakhstanИнститут молекулярной биологии и биохимии им. М.А. Айтхожина Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан; Филиал Национального центра биотехнологии Комитета науки Министерства образования и науки Республики КазахстанКазахстанM.A. Aitkhozhin Institute of Molecular Biology and Biochemistry; Almaty Branch of National Center for Biotechnology in the Central Reference LaboratoryKazakhstan202128042021252157163Copyright © Малахова Н.П., Скиба Ю.А., Искакова Г.А., Найзабаева Д.А., Тезекбаева Б.К., Исмагулова Г.А., Мальцева Э.Р., 20212021Малахова Н.П., Скиба Ю.А., Искакова Г.А., Найзабаева Д.А., Тезекбаева Б.К., Исмагулова Г.А., Мальцева Э.Р.Malakhova N.P., Skiba Y.A., Iskakova G.A., Naizabayeva D.A., Tezekbaeva B.K., Ismagulova G.A., Maltseva E.R.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/2973

Метод биобаллистической трансформации растений – один из наиболее современных способов, используемых для прямого переноса генов в клетки растений. К главным преимуществам этого метода относятся возможность одновременно встраивать в геном растений несколько целевых генов, проводить перенос без лишних агробактериальных участков и последовательностей плазмидной ДНК, а также короткие сроки получения трансгенных клеток. В среднем для разных объектов эффективность получения трансгенных растений баллистическим методом варьирует от 1 до 3 %. Для растений картофеля на сегодняшний момент эффективность трансформации довольно низкая, и подбор оптимальных условий проведения биобаллистики является одним из актуальных вопросов практической биотехнологии. В данной статье представлен положительный опыт внедрения двух генов интереса в два сорта картофеля с использованием подходов биобаллистики. Представлены результаты экспериментов по биобаллистической трансформации двух видов эксплантов – междоузлий и каллусов картофеля сортов Аксор и Невский. Из 862 эксплантов, подвергнутых трансформации, получено 56 растений-регенерантов. В результате скрининга трансформантов методом ПЦР выявлено одно растение со вставкой гена хитиназы, одно со вставкой гена эндо-β-1,3-глюканазы и в четырех регенерантах подтверждена котрансформация обоими генами. Средняя эффективность трансформации эксплантов картофеля составила 0.7 %. Большое число растений-регенерантов (56) по отношению к числу трансформантов (6) отражает попытку увеличить количество регенерантов использованием низких концентраций селективного агента (антибиотика канамицина). Хотя этот подход требует заметных усилий, он может применяться для получения линий картофеля со вставкой генов интереса для их дальнейшего использования в селекции. Линии картофеля, полученные в данном исследовании после внедрения двух генов, связанных с устойчивостью растений к грибным патогенам, будут в дальнейшем оцениваться на устойчивость к грибным заболеваниям и в случае успешного прохождения испытаний будут включены в селекционный отбор.

The method of biological ballistics (biolistic transformation, genetic bombardment) of plants is one of the most modern methods used for direct gene transfer into plant cells. The main advantages of this method include the ability to simultaneously incorporate several target genes into the plant genome, carry out transfer without unnecessary agrobacterial parts and plasmid DNA sequences, and the short time needed to produce transgenic cells. For different plant objects, the efficiency of obtaining transgenic plants by the ballistic method varies from 1 to 3 %. For potato plants, the transformation efficiency is quite low at the moment and the selection of optimal conditions for biolistics is one of the pressing issues of practical biotechnology. This article presents a successful experience of introducing two genes of interest into two potato varieties using the biolistic approach. The results of biolistic transformation experiments are presented for two types of explants: potato internodes and calli of the varieties Aksor and Nevskiy. Of the 862 explants used for transformation, 56 regenerated plants were obtained. PCR screening of transformants revealed one plant with the insertion of the chitinase gene, one with the insertion of the endo-β-1,3-glucanase gene, and co-transformation by both genes was confirmed in four regenerants. The average transformation efficiency for potato explants was 0.7 %. A high number of regenerants (56) as opposed to a low number of transformants (6) reflects an attempt to increase the number of regenerants by using a lower concentration of the selective agent (kanamycin). Although this approach requires more effort, it can be used to produce potato lines with integrated genes of interest for further use in crop breeding. The lines of potato obtained in the current study by introducing two genes associated with the plant response to fungal pathogens will be further assessed for their resistance to fungal diseases and, if successful, will be used in potato crop breeding.

биобаллистическая трансформациякартофельэксплантмеждоузлиякаллусыбиотехнологияbiolistic transformationpotatoexplantinternodescallibiotechnologyThis work was carried out as part of research project AR05136045 “Obtaining new wheat and potato lines based on a set of innovative approaches of genetic engineering and cell technology” of Subprogram 102 “Grant funding for research” in the priority area “Life and health sciences”, and as part of research on the project “Development of biotechnology for producing potato forms with improved signs of resistance to late blight on the basis of cisgenic bio-ballistic transformation” in the framework of BR05236574 “Use of adaptive plant mechanisms in the development of modern technologies for producing crops resistant to stress factors” (О.0798).ReferencesChirkin A.P., Zhidkeeva R.E., Ismagulova G.A. Cloning and analysis of basic class I chitinase and β-1,3-glucanase genes from potato induced by Fusarium solani infection. Izvestiya Natsyonalnoy Akademii Nauk Respubliki Kazakhstan = News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series Biol. Med. 2016; 4(316):92-97. (in Russian)Chirkin A.P., Zhidkeeva R.E., Ismagulova G.A. Cloning and analysis of basic class I chitinase and β-1,3-glucanase genes from potato induced by Fusarium solani infection. Izvestiya Natsyonalnoy Akademii Nauk Respubliki Kazakhstan = News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series Biol. Med. 2016; 4(316):92-97. (in Russian)Craig W., Gargano D., Scotti N., Nguyen T.T., Lao N.T., Kavanagh T.A., Dix P.J., Cardi T. Direct gene transfer in potato: a comparison of particle bombardment of leaf explants and PEG-mediated transformation of protoplasts. Plant Cell Rep. 2005;24(10):603-611. DOI 10.1007/s00299-005-0018-0.Craig W., Gargano D., Scotti N., Nguyen T.T., Lao N.T., Kavanagh T.A., Dix P.J., Cardi T. Direct gene transfer in potato: a comparison of particle bombardment of leaf explants and PEG-mediated transformation of protoplasts. Plant Cell Rep. 2005;24(10):603-611. DOI 10.1007/s00299-005-0018-0.Ercolano M.R., Ballvora A., Paal J., Steinbiss H.H., Salamini F., Gebhardt C. Functional complementation analysis in potato via biolistic transformation with BAC large DNA fragments. Mol. Breed. 2004; 13(1):15-22. DOI 10.1023/B:MOLB.0000012326.01128.5d.Ercolano M.R., Ballvora A., Paal J., Steinbiss H.H., Salamini F., Gebhardt C. Functional complementation analysis in potato via biolistic transformation with BAC large DNA fragments. Mol. Breed. 2004; 13(1):15-22. DOI 10.1023/B:MOLB.0000012326.01128.5d.Jo K.-R., Kim C.-J., Kim S.-J., Kim T.-Y., Bergervoet M., Jongsma M.A., Visser R.G.F., Jacobsen E., Vossen J.H. Development of late blight resistant potatoes by cisgene stacking. BMC Biotechnol. 2014;14(1):50. DOI 10.1186/1472-6750-14-50.Jo K.-R., Kim C.-J., Kim S.-J., Kim T.-Y., Bergervoet M., Jongsma M.A., Visser R.G.F., Jacobsen E., Vossen J.H. Development of late blight resistant potatoes by cisgene stacking. BMC Biotechnol. 2014;14(1):50. DOI 10.1186/1472-6750-14-50.Kisgyörgy B.N., Tamás C., Rákszegi M., Sági L., Láng L., Bedô Z. Regeneration ability of wheat (Triticum aestivum L.) embryos after bombardment with a particle gun. Acta Biol. Szeged. 2008;52(1): 127-130.Kisgyörgy B.N., Tamás C., Rákszegi M., Sági L., Láng L., Bedô Z. Regeneration ability of wheat (Triticum aestivum L.) embryos after bombardment with a particle gun. Acta Biol. Szeged. 2008;52(1): 127-130.Mielby H., Sandoe P., Lassen J. The role of scientific knowledge in shaping public attitudes to GM technologies. Public Underst. Sci. Publ. online 2012. Publ. 2013;22(2):155-168. DOI 10.1177/0963662511430577.Mielby H., Sandoe P., Lassen J. The role of scientific knowledge in shaping public attitudes to GM technologies. Public Underst. Sci. Publ. online 2012. Publ. 2013;22(2):155-168. DOI 10.1177/0963662511430577.Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiol. Plant. 1962;15(3): 473-497.Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiol. Plant. 1962;15(3): 473-497.Nguyen T.T., Dix P.J., Nugent G.D. Transformation of potato via Agrobacterium coated microparticle bombardment. Biol. Plant. 2001; 54(1):141-144.Nguyen T.T., Dix P.J., Nugent G.D. Transformation of potato via Agrobacterium coated microparticle bombardment. Biol. Plant. 2001; 54(1):141-144.Rivera A.L., Gómez-Lim M., Fernández F., Loske A.M. Physical methods for genetic plant transformation. Phys. Life Rev. 2012;9(3): 308-345. DOI 10.1016/j.plrev.2012.06.002.Rivera A.L., Gómez-Lim M., Fernández F., Loske A.M. Physical methods for genetic plant transformation. Phys. Life Rev. 2012;9(3): 308-345. DOI 10.1016/j.plrev.2012.06.002.Romano A., Raemakers K., Visser R., Mooibroek H. Transformation of potato (Solanum tuberosum) using particle bombardment. Plant Cell Rep. 2001;20(3):198-204. DOI 10.1007/s002990000314.Romano A., Raemakers K., Visser R., Mooibroek H. Transformation of potato (Solanum tuberosum) using particle bombardment. Plant Cell Rep. 2001;20(3):198-204. DOI 10.1007/s002990000314.Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 2nd edn. Cold Spring Harbor; New York: Cold Spring Harbor laboratory, 1989.Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 2nd edn. Cold Spring Harbor; New York: Cold Spring Harbor laboratory, 1989.Sanford B.J.C., Smith F.D., Russel J.A. Optimizing the biolictic process for different biological applications. Meth. Enzymol. 1993;217: 483-509.Sanford B.J.C., Smith F.D., Russel J.A. Optimizing the biolictic process for different biological applications. Meth. Enzymol. 1993;217: 483-509.Taylor N.J., Fauquet C.M. Microparticle bombardment as a tool in plant science and agricultural biotechnology. DNA Cell Biol. 2002; 21(12):963-977. DOI 10.1089/104454902762053891.Taylor N.J., Fauquet C.M. Microparticle bombardment as a tool in plant science and agricultural biotechnology. DNA Cell Biol. 2002; 21(12):963-977. DOI 10.1089/104454902762053891.

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