Preview

Вавиловский журнал генетики и селекции

Расширенный поиск

Трансгенные растения как генетические модели для изучения функций генов растений

https://doi.org/10.18699/VJ16.179

Полный текст:

Аннотация

В настоящее время трансгенные растения широко используются как для изучения функций отдельных генов, так и для реконструк­ции сетей взаимодействующих генов, контролирующих формиро­ вание морфологических, биохимических и физиологических признаков в процессе развития и при воздействии внешних факторов различной природы. В статье обсуждается классический инструментарий генной инженерии, позволяющий получать линии растений с измененными параметрами экспрессии гена-мишени. Описана структура генетических конструкций (экспрессия белоккодирующего трансгена, антисмысловых и дцРНК-супрессоров). В качестве примера рассмотрены трансгенные растения, характе­ризующиеся увеличенным или сниженным уровнем экспрессии генов S-подобных рибонуклеаз, а также сниженным уровнем экспрессии гена пролиндегидрогеназы, отвечающего за катабо­лизм пролина. Функции S-подобных РНКаз связывали главным образом с ремобилизацией фосфата из стареющих и отмирающих частей растений, однако паттерн экспрессии некоторых генов из этой группы предполагал возможность их участия в защите от патогенов (индукция при повреждении тканей в районе повреж­ дения (локально) и в удаленных органах (системно)). Кроме того, некоторые белки семейства PR-4 (pathogenesis-related proteins 4) обладают рибонуклеазной и противогрибковой активностью. Исследование трансгенных линий растений табака показало, что повышенная РНКазная активность в апопласте приводит к повышению устойчивости к вирусу табачной мозаики, что говорит о новой функции S-подобных рибонуклеаз, связанной с участием в системе неспецифической защиты от вирусов. Другой набор линий трансгенных растений содержал антисмысловой супрессор гена пролиндегидрогеназы (ПДГ) на основе сегмента гена араби­ допсиса. Использование этой генетической конструкции для полу­ чения трансгенных растений других видов (табака, кукурузы, под­ солнечника) приводило к умеренному снижению активности ПДГ и повышению содержания пролина в норме в 1,5–3 раза. Оказа­ лось, что при этом также повышается устойчивость растений к различным видам абиотических стрессов (засуха, засоление, холод, соли тяжелых металлов), что может быть связано с защит­ным действием пролина на ранних этапах неблагоприятных воз­действий, предотвращающим повреждение белков клеточного аппарата экспрессии свободными радикалами.

Об авторах

А. В. Кочетов
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук»; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»
Россия
Новосибирск


В. К. Шумный
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук»; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»
Россия
Новосибирск


Список литературы

1. Герасимова С.В., Смирнова О.Г., Кочетов А.В., Шумный В.К. Наработка рекомбинантных белков в клетках растений. Физиология растений. 2016;63(1):31-43.

2. Жирнов И.В., Трифонова Е.А., Кочетов А.В., Шумный В.К. Вирусиндуцируемый сайленсинг как метод изучения функций генов высших растений. Генетика. 2015;51:558-567.

3. Ибрагимова С.С., Колодяжная Я.С., Герасимова С.В., Кочетов А.В. Роль гена пролиндегидрогеназы в поддержании стрессоустойчивости у растений. Физиология растений. 2012;59:99-107.

4. Колодяжная Я.С., Титов С.Е., Кочетов А.В., Комарова М.Л., Романова А.В., Коваль В.С., Шумный В.К. Оценка солеустойчивости растений табака Nicotiana tabacum, несущих антисмысловой супрессор гена пролиндегидрогеназы. Генетика. 2006;42:278-281.

5. Колодяжная Я.С., Титов С.Е., Кочетов А.В., Трифонова Е.А., Романова А.В., Комарова М.Л., Коваль В.С., Шумный В.К. Трансформанты табака, экспрессирующие антисмысловую последовательность гена пролиндегидрогеназы, проявляют устойчивость к тяжелым металлам. Генетика. 2007;43:994-998.

6. Кочетов А.В., Титов С.Е., Колодяжная Я.С., Комарова М.Л., Коваль В.С., Макарова Н.Н., Илинский Ю.Ю., Трифонова Е.А., Шумный В.К. Повышение содержания пролина и осмотического давления клеточного сока у трансформантов табака, несущих антисмысловой супрессор гена пролиндегидрогеназы. Генетика. 2004;40:282-285.

7. Кочетов А.В., Филипенко Е.А., Смирнова О.Г., Шумный В.К. Энхансеры трансляции для генной инженерии растений. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2014;18(4):610-617.

8. Сангаев С.С., Трифонова Е.А., Титов С.Е., Романова А.В., Колодяжная Я.С., Сапоцкий М.В., Малиновский В.И., Кочетов А.В. Инактивация гена Nk1 в растениях табака Nicotiana tabacum SR1 за счет РНК-интерференции. Генетика. 2010;46:131-134.

9. Сангаев С.С., Трифонова Е.А., Титов С.Е., Романова А.В., Колодяжная Я.С., Комарова М.Л., Сапоцкий М.В., Малиновский В.И., Кочетов А.В., Шумный В.К. Трансгенные растения табака Nicotiana tabacum SR1, экспрессирующие экстраклеточную рибонуклеазу Zinnia elegans. Генетика. 2007;43:1002-1005.

10. Филипенко Е.А., Кочетов А.В., Kanayama Y., Малиновский В.И., Шумный В.К. PR-белки с рибонуклеазной активностью и устойчивость растений к патогенным грибам. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2013;17:326-334.

11. 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-Cárdenas M.L., Tricoli D.M., Van Eck J., Voytas D.F., Walbot V., Wang K., Zhang Z.J., Stewart C.N. Jr. Advancing crop transformation in the era of genome editing. Plant Cell. 2016;28(7):1510-1520.

12. Bevan M.W., Flavell R.B., Chilton M.D. A chimeric antibiotic resistance gene as a selectable marker for plant cell transformation. Nature. 1983;304:184-187.

13. Biancucci M., Mattioli R., Forlani G., Funck D., Costantino P., Trovato M. Role of proline and GABA in sexual reproduction of angiosperms. Front. Plant Sci. 2015;4(6):680.

14. Bourras S., Rouxel T., Meyer M. Agrobacterium tumefaciens gene transfer: how a plant pathogen hacks the nuclei of plant and nonplant organisms. Phytopathology. 2015;105(10):1288-1301.

15. Chilton M.D. A vector for introducing new genes into plants. Sci. Am. 1983;248:36-45.

16. Dubreuil G., Magliano M., Dubrana M.P., Lozano J., Lecomte P., Favery B., Abad P., Rosso M.N. Tobacco rattle virus mediates gene silencing in a plant parasitic root-knot nematode. J. Exp. Bot. 2009; 60:4041-4050.

17. Egelkrout E., Rajan V., Howard J.A. Overproduction of recombinant proteins in plants. Plant Sci. 2012;184:83-101.

18. Hayat S., Hayat Q., Alyemeni M.N., Wani A.S., Pichtel J., Ahmad A. Role of proline under changing environments: a review. Plant Signal Behav. 2012;7(11):1456-1466.

19. Jashni M.K., Mehrabi R., Collemare J., Mesarich C.H., de Wit P.J. The battle in the apoplast: further insights into the roles of proteases and their inhibitors in plant-pathogen interactions. Front. Plant Sci. 2015;6:584.

20. Kamthan A., Chaudhuri A., Kamthan M., Datta A. Genetically modified (GM) crops: milestones and new advances in crop improvement. Theor. Appl. Genet. 2016;129(9):1639-1655.

21. Koch A., Kogel K.H. New wind in the sails: improving the agronomic value of crop plants through RNAi-mediated gene silencing. Plant Biotechnol. J. 2014;12(7):821-831.

22. Koch A., Kumar N., Weber L., Keller H., Imani J., Kogel K.H. Hostinduced gene silencing of cytochrome P450 lanosterol C14α-demethylase-encoding genes confers strong resistance to Fusarium species. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2013;110(48):19324-19329.

23. Kochetov A.V. The alien replicon: artificial genetic constructs to direct the synthesis of transmissible self-replicating RNAs. BioEssays. 2014;36:1204-1212.

24. Kumar A., Yogendra K.N., Karre S., Kushalappa A.C., Dion Y., Choo T.M. WAX INDUCER1 (HvWIN1) transcription factor regulates free fatty acid biosynthetic genes to reinforce cuticle to resist Fusarium head blight in barley spikelets. J. Exp. Bot. 2016;67(14): 4127-4139.

25. Kumar P., Pandit S.S., Baldwin I.T. Tobacco rattle virus vector: a rapid and transient means of silencing Manduca sexta genes by plant mediated RNA interference. PLoS One. 2012;7:e31347.

26. Lacomme C. Strategies for altering plant traits using virus-induced gene silencing technologies. Methods Mol. Biol. 2015;1287:25-41.

27. Lee S., Whitaker V.M., Hutton S.F. Mini review: Potential applications of non-host resistance for crop improvement. Front. Plant Sci. 2016;11(7):997.

28. Moiseeva Y.M., Velikov V.A., Volokhina I.V., Gusev Yu.S., Yakovleva O.S., Chumakov M.I. Agrobacterium-mediated transformation of maize with antisense suppression of the proline dehydrogenase gene by an in planta method. British Biotechnol. J. 2014;4(2):116-125.

29. Murai N., Kemp J.D., Sutton D.W., Murray M.G., Slightom J.L., Merlo D.J., Reichert N.A., Sengupta-Gopalan C., Stock C.A., Barker R.F., Kemp J.D., Hall T.C. Phaseolin gene from bean is expressed after transfer to sunflower via tumor-inducing plasmid vectors. Science. 1983;222:476-482.

30. Nogué F., Mara K., Collonnier C., Casacuberta J.M. Genome engineering and plant breeding: impact on trait discovery and development. Plant Cell Rep. 2016;35(7):1475-1486.

31. Panwar V., McCallum B., Bakkeren G. Host-induced gene silencing of wheat leaf rust fungus Puccinia triticina pathogenicity genes mediated by the Barley stripe mosaic virus. Plant Mol. Biol. 2013;8: 595-608.

32. Peyret H., Lomonossoff G.P. When plant virology met Agrobacterium: the rise of the deconstructed clones. Plant Biotechnol. J. 2015; 13(8):1121-1135.

33. Qamar A., Mysore K.S., Senthil-Kumar M. Role of proline and pyrroline-5-carboxylate metabolism in plant defense against invading pathogens. Front. Plant Sci. 2015;6(6):503.

34. Sindarovska Y.R., Guzyk O.I., Yuzvenko L.V., Demchenko O.A., Didenko L.F., Grynevych O.I., Spivak M.Y. Ribonuclease activity of buckwheat plant (Fagopyrum esculentum) cultivars with different sensitivities to buckwheat burn virus. Ukr. Biochem. J. 2014;86(3):33-40.

35. Smirnova O.G., Ibragimova S.S., Kochetov A.V. Simple database to select promoters for plant transgenesis. Transgenic Res. 2012;21: 429-437.

36. Spoljarević M., Agić D., Lisjak M., Gumze A., Wilson I.D., Hancock J.T., Teklić T. The relationship of proline content and metabolism on the productivity of maize plants. Plant Signal Behav. 2011; 6(2):251-257.

37. Stigter K.A., Plaxton W.C. Molecular mechanisms of phosphorus metabolism and transport during leaf senescence. Plants (Basel). 2015; 4(4):773-798.

38. Tishchenko O.M., Komisarenko A.G., Mykhalska S.I., Sergeeva L.E., Adamenko N.I., Morgun B.V., Kochetov A.V. Agrobacterium-mediated transformation of sunflower (Helianthus annuus L.) in vitro and in planta using Lba4404 strain harboring binary vector pBi2E with dsRNA-suppressor of proline dehydrogenase gene. Cytol. Genetics. 2014;48:218-226.

39. Trifonova E.A., Sapotsky M.V., Komarova M.L., Scherban A.B., Shumny V.K., Polyakova A.M., Lapshina L.A., Kochetov A.V., Malinovsky V.I. Protection of transgenic tobacco plants expressing bovine pancreatic ribonuclease against tobacco mosaic virus. Plant Cell Reports. 2007;26:1121-1126.

40. Trifonova E.A., Romanova A.V., Sangaev S.S., Sapotsky M.V., Malinovsky V.I., Kochetov A.V. Inducible expression of the gene of Zinnia elegans coding for extracellular ribonuclease in the SR1 Nicotiana tabacum plants. Biologia Plantarum. 2012;56:571-574.

41. Vendruscolo E.C., Schuster I., Pileggi M., Scapim C.A., Molinari H.B., Marur C.J., Vieira L.G. Stress-induced synthesis of proline confers tolerance to water deficit in transgenic wheat. J. Plant Physiol. 2007; 164(10):1367-1376.

42. Verdoy D., Coba De La Peña T., Redondo F.J., Lucas M.M., Pueyo J.J. Transgenic Medicago truncatula plants that accumulate proline display nitrogen-fixing activity with enhanced tolerance to osmotic stress. Plant Cell Environ. 2006;29(10):1913-1923.

43. Wang C., Lu W., He X., Wang F., Zhou Y., Guo X., Guo X. The cotton mitogen-activated protein kinase kinase 3 functions in drought tolerance by regulating stomatal responses and root growth. Plant Cell Physiol. 2016;57(8):1629-1642.

44. Zhang L., Becker D.F. Connecting proline metabolism and signaling pathways in plant senescence. Front. Plant Sci. 2015;22(6):552.


Просмотров: 296


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2500-0462 (Print)
ISSN 2500-3259 (Online)