Содержание витамина С и профиль экспрессии генов метаболизма аскорбата в зеленых листьях и отбеленной части ложного стебля гибридов F1 лука-порея (Allium porrum L.)

Лук-порей (Allium porrum L.) – экономически важная овощная культура семейства Amaryllidaceae с широким спектром лечебных и питательных качеств, в том числе благодаря накоплению витамина С (L-аскорбиновая кислота, аскорбат). Аскорбат – органическое водорастворимое соединение, которое выполняет множество функций в метаболизме клеток растения, в том числе участвует в качестве эффективного антиоксиданта в ответе растительных клеток на биотические и абиотические стрессовые факторы. Метаболизм аскорбата включает биосинтез (преимущественно L-галактозный путь) и рециклинг (восстановление окисленных форм до аскорбата). Генные сети, определяющие метаболизм аскорбата в растениях лука-порея, малоизученны. В настоящей работе гибриды F1, полученные от 13 скрещиваний образцов лука-порея отечественной и зарубежной селекции, охарактеризованы по всхожести семян, содержанию аскорбата и экспрессии генов биосинтеза (PGI, PMI, PMM, VTC1b, GME1, GME2, VTC2, GPP, GalDH и GalLDH) и рециклинга (APX1, APX2, MDHAR1, MDHAR4, MDHAR5, DHAR2, GR) аскорбата в проростках, зеленых листьях и отбеленной части стебля взрослых растений. Также проведен поиск корреляций между уровнем экспрессии генов метаболизма аскорбата и количеством витамина С у лука-порея. Показано, что изучаемым гибридам присуща высокая (89–100 %) всхожесть семян, за исключением гибрида от скрещивания 74×Аллигатор (55 %). В проростках и зеленых листьях образцов девяти гибридов F1 выявлен повышенный уровень экспрессии генов VTC2, MDHAR1, MDHAR4 и/или MDHAR5, что позволило считать эти образцы перспективными с точки зрения возможной стрессоустойчивости. Четыре гибрида, которые характеризовались наименьшим (33×30, 74×Аллигатор) и наибольшим (81×95, 36×38) содержанием аскорбата в проростках, были выбраны для дальнейшего детального анализа взрослых растений на содержание растворимых сахаров и аскорбата, уровень экспрессии генов метаболизма аскорбата и морфологические характеристики (длина, толщина и масса ложного стебля). Выявлено, что зеленые листья гибридов 36×38 и 81×95 содержат существенно больше аскорбата, чем 33×30 и 74×Аллигатор. В отбеленных стеблях всех четырех гибридов содержание аскорбата было значительно ниже, чем в зеленых листьях. Образцы 36×38 и 81×95 отличались также наибольшим количеством растворимых сахаров в отбеленной части ложного стебля, употребляемой в пищу. Гибрид 81×95 формировал ложный стебель, превышающий по размеру и массе стебель остальных трех гибридов. В зеленых листьях содержание аскорбата положительно коррелировало с уровнем экспрессии генов рециклинга аскорбата (APX2, MDHAR1, MDHAR4), что может быть использовано в селекции стрессоустойчивых гибридов лука-порея с повышенным содержанием витамина С.

1. Ali B., Pantha S., Acharya R., Ueda Y., Wu L.-B., Ashrafuzzaman M., Ishizaki T., Wissuwa M., Bulley S., Frei M. Enhanced ascorbate level improves multi-stress tolerance in a widely grown indica rice variety without compromising its agronomic characteristics. J Plant Physiol. 2019;240:152998. doi 10.1016/j.jplph.2019.152998

2. Anisimova O.K., Seredin T.M., Shchennikova A.V., Kochieva E.Z., Filyushin M.A. Estimation of the vitamin C content and GDP-L-galactose phosphorylase gene (VTC2) expression level in leek (Allium porrum L.) cultivars. Russ J Plant Physiol. 2021a;68(1):85-93. doi 10.1134/S1021443720060023

3. Anisimova O.K., Shchennikova A.V., Kochieva E.Z., Filyushin M.A. Identification and variability of the GDP-L-galactose phosphosphorylase gene ApGGP1 in leek cultivars. Russ J Genet. 2021b;57(3): 311-318. doi 10.1134/S1021443720060023

4. Arrigoni O., De Tullio M.C. Ascorbic acid: much more than just an antioxidant. Biochim Biophys Acta. 2002;1569(1-3):1-9. doi 10.1016/s0304-4165(01)00235-5

5. Bernaert N. Bioactive compounds in leek (Allium ampeloprasum var. porrum): analysis as a function of the genetic diversity, harvest time and processing techniques. Doctoral dissertation. Ghent: Ghent University, 2013 Bernaert N., De Paepe D., Bouten C., De Clercq H., Stewart D., Van Bockstaele E., De Loose M., Van Droogenbroeck B. Antioxidant capacity, total phenolic and ascorbate content as a function of the genetic diversity of leek (Allium ampeloprasum var. porrum). Food Chem. 2012;134:669-677. doi 10.1016/j.foodchem.2012.02.159

6. Broad R.C., Bonneau J.P., Hellens R.P., Johnson A.A.T. Manipulation of ascorbate biosynthetic, recycling, and regulatory pathways for improved abiotic stress tolerance in plants. Int J Mol Sci. 2020; 21:1790. doi 10.3390/ijms21051790

7. Bulley S., Laing W. The regulation of ascorbate biosynthesis. Curr Opin Plant Biol. 2016;33:15-22. doi 10.1016/j.pbi.2016.04.010

8. Celebi-Toprak F., Alan A.R. In vitro gynogenesis in leek (Allium ampeloprasum L.). Methods Mol Biol. 2021;2287:171-184. doi 10.1007/978-1-0716-1315-3_7

9. Considine M.J., Foyer C.H. Redox regulation of plant development. Antioxid Redox Signal. 2014;21(9):1305-1326. doi 10.1089/ars.2013.5665

10. Dowdle J., Ishikawa T., Gatzek S., Rolinski S., Smirnoff N. Two genes in Arabidopsis thaliana encoding GDP-L-galactose phosphorylase are required for ascorbate biosynthesis and seedling. Plant J. 2007;52:673-689. doi 10.1111/j.1365-313X.2007.03266.x

11. Feng H., Liu W., Zhang Q., Wang X., Wang X., Duan X., Li F., Huang L., Kang Z. TaMDHAR4, a monodehydroascorbate reductase gene participates in the interactions between wheat and Puccinia striiformis f. sp. tritici. Plant Physiol Biochem. 2014;76:7-16. doi 10.1016/j.plaphy.2013.12.015

12. Filyushin M.A., Anisimova O.K., Kochieva E.Z., Shchennikova A.V. Correlation of ascorbic acid content and the pattern of monodehydroascorbate reductases (MDHARs) gene expression in leek (Allium porrum L.). Russ J Plant Physiol. 2021;68(5):849-856. doi 10.1134/S1021443721050034

13. García G., Clemente-Moreno M.J., Díaz-Vivancos P., García M., Hernández J.A. The apoplastic and symplastic antioxidant system in onion: response to long-term salt stress. Antioxidants (Basel). 2020;12:67. doi 10.3390/antiox9010067

14. Gill S.S., Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiol Biochem. 2010;48:909-930. doi 10.1016/j.plaphy.2010.08.016

15. Grzelak-Błaszczyk K., Kołodziejczyk K., Badełek E., Adamicki F. Changes in the contents of mono-, di- and oligosaccharides in leek plants stored in cold room. Eur Food Res Technol. 2011;232(6): 1027-1033. doi 10.1007/s00217-011-1476-y

16. Haroldsen V.M., Chi-Ham C.L., Kulkarni S., Lorence A., Bennett A.B. Constitutively expressed DHAR and MDHAR influence fruit, but not foliar ascorbate levels in tomato. Plant Physiol Biochem. 2011; 49:1244-1249. doi 10.1016/j.plaphy.2011.08.003

17. Hemilä H. Vitamin C and infections. Nutrients. 2017;9(4):339. doi 10.3390/nu9040339

18. Lanubile A., Maschietto V., De Leonardis S., Battilani P., Paciolla C., Marocco A. Defense responses to mycotoxin-producing fungi Fusarium proliferatum, F. subglutinans, and Aspergillus flavus in kernels of susceptible and resistant maize genotypes. Mol Plant Microbe Interact. 2015;28(5):546-557. doi 10.1094/MPMI-09-14-0269-R

19. Lemma E., Yusuf Z., Desta M., Seyida S., Idris M., Mengistu S., Teneshu J. Physicochemical properties and biological activities of garlic (Allium sativum L.) bulb and leek (Allium ampeloprasum L. var. porrum) leaf oil extracts. Sci World J. 2022;2022:6573754. doi 10.1155/2022/6573754

20. Leterrier M., Corpas F.J., Barroso J.B., Sandalio L.M., del Río L.A. Peroxisomal monodehydroascorbate reductase, genomic clone characterization and functional analysis under environmental stress conditions. Plant Physiol. 2005;138(4):2111-2123. doi 10.1104/pp.105.066225

21. Lundegårdh B., Botek P., Schulzov V., Hajslov J., Strömberg A., Andersson H.C. Impact of different green manures on the content of S-alk(en)yl-L-cysteine sulfoxides and L-ascorbic acid in leek (Allium porrum). J Agric Food Chem. 2008;56(6):2102-2111. doi 10.1021/jf071710s

22. Qi Q., Yanyan D., Yuanlin L., Kunzhi L., Huini X., Xudong S. Overexpression of SlMDHAR in transgenic tobacco increased salt stress tolerance involving S-nitrosylation regulation. Plant Sci. 2020;299: 110609. doi 10.1016/j.plantsci.2020.110609

23. Sultana S., Khew C.Y., Morshed M.M., Namasivayam P., Napis S., Ho C.L. Overexpression of monodehydroascorbate reductase from a mangrove plant (AeMDHAR) confers salt tolerance on rice. J Plant Physiol. 2012;169:311-318. doi 10.1016/j.jplph.2011.09.004

24. Swamy K.R.M., Gowda R.V. Leek and shallot. In: Peter K.V. (Ed.) Handbook of Herbs and Spices. Vol. 3. 2006;365-389. doi 10.1533/9781845691717.3.365

25. Yamada K., Osakabe Y. Sugar compartmentation as an environmental stress adaptation strategy in plants. Semin Cell Dev Biol. 2018;83: 106-114. doi 10.1016/j.semcdb.2017.12.015

26. Yoon J., Cho L.H., Tun W., Jeon J.S., An G. Sucrose signaling in higher plants. Plant Sci. 2021;302:110703. doi 10.1016/j.plantsci.2020.110703

27. Zhang Y., Li Z., Peng Y., Wang X., Peng D., Li Y., He X., Zhang X., Ma X., Huang L., Yan Y. Clones of FeSOD, MDHAR, DHAR genes from white clover and gene expression analysis of ROS-scavenging enzymes during abiotic stress and hormone treatments. Molecules. 2015;20:20939-20954. doi 10.3390/molecules201119741