Cтрес-стійкість експериментальних форм тютюну, отриманих методом клітинної селекції із використанням катіонів барію (Вa2+) і кадмію (Cd2+)


  • L. I. Bronnikova Oles Honchar Dnipro National University, Dnipro, Ukraine
DOI: https://doi.org/10.15421/442409
Ключові слова: клітинна селекція, катіони Ba2 та Сd2 , осмотичний стрес, стійкість, пролін

Анотація

Взаємодія генотип/довкілля (G/E) впродовж онтогенезу формує характер реалізації генетичної програми рослини і визначає її кінцевий результат. Всі ділянки метаболізму об'єднуються прямими і перехресними зв'язками і проявляються через диференційну експресію генів у формі динамічних фенотипових реакцій/проявів/змін у компартментах організму. За нормальних умов організм підтримує свій гомеостаз, з максимальною ефективністю засвоює трофічні та енергетичні ресурси довкілля. Погіршення зовнішніх факторів може викликати порушення, навіть розриви між системами організму, клітинами, тканинами. Система зазнає стресу. Серед абіотичних стресів найбільш шкодочинним уважається осмотичний стрес, різновидами якого є засолення та водний дефіцит. За останній час осмотичний стрес суттєво збіднює природні екологічні системи. Зникає та незворотньо втрачається значна кількість природних генотипів. Знижується врожайність сільськогосподарських культур, погіршується якість інтегрального продукту. Виникає потреба в якісно нових формах рослин, стійких до стресів. Оскільки стрес-стійкість є полігенною характеристикою, то нові стійкі рослинні форми мають відзначатись комплексною стійкістю до ряду стресових чинників. Складність проблеми передбачає розробку біологічних технологій нового порядку, які поєднали б традиційні опрацьовані методології із новими креативними ідеями. Пропонується застосування методу клітинної селекції з іонами важких металів (ІВМ) для отримання рослин із підвищеним рівнем стійкості до сольового та водного стресів. Метод клітинної селекції відзначається рядом особливостей. Цей метод у своїй основі забезпечує відбір генетично змінених клітинних варіантів у масиві клітин дикого типу. Оскільки селекція здійснюється на рівні клітин, то в експерименті піддаються моніторингу тисячі об'єктів інтересу. Клітинна селекція – це методологія invitro. Цей позитивний фактор дає можливість одночасного строгого контролю над факторостатними умовами із широкою варіабельністю селективних агентів. Важливою складовою клітинної селекції є екологічна безпека. Для отримання форм із підвищеним рівнем стійкості до осмотичних стресів було використано метод клітинної селекції із летальними дозами катіонів Ba2+ i Сd2+. Катіони барію (Ba2+) були задіяні для отримання рослинних форм із підвищеним рівнем солестійкості. Раніше було встановлено, що головною патологічною ознакою засолення є незворотна втрата фізіологічно актуальних іонів К+. Також було показано, що Ba2+ втручається в переміщення іонів К+ як всередині клітини, так і назовні. У зв'язку з цим було зроблено припущення, що стійкість до Ba2+ може поєднуватись із стійкістю до засолення. Різновидом осмотичного стресу є водний дефіцит. За умов зневоднення відбувається патологічна дегідратація протеїнів із повною втратою їхніх функцій. Попередженню ушкоджень сприяє клас білків дегідринів. До їхньої групи належать білки пізньої стадії ембріогенезу (LEA). З іншого боку, було встановлено, що катіони Cd2+ негативно впливають на LEA. Запропоновано гіпотезу, що стійкість до Cd2+ може координуватись із стійкістю до зневоднення. Для підтвердження гіпотези були створені селективні системи із летальними дозами йонів Ba2+ i Сd2+. На таких селективних середовищах отримані стійкі до ІВМ клітинні лінії тютюну. Після ряду пасажувань Ва-стійкі клітинні варіанти переносили на летальне для клітинних культур дикого типу засолення, створене додаванням солей морської води. Cd2+-стійкі клітинні лінії пересаджували на середовище, яке містило летальні дози маніту. У подальшому відібрані стійкі варіанти вирощували паралельно на середовищах з відповідними ІВМ та за умов осмотичних стресів. Експериментальні форми відзначались комплексною стійкістю до всіх стресових агентів. Після підтвердження явища комплексної стійкості із стійких клонів були регенеровані рослини, а також отримані насіннєві покоління. Генетичний характер осмостійкості перевіряли за дії летальних осмотичних стресів invitro. Дослідження фундаментальної проблеми стрес-стійкості обов'язково спирається на вивченні різних детермінант стійкості-генетичних, біохімічних, фізіологічних. Уже відомі маркери, котрі гарантовано вказують на зміни в протеомах, метаболомах, асоційовані із явищем стійкості. Одним із характерних проявів реакцій стійкості є зміни рівня вільного L-проліну  залежно від умов вирощування. Так, при вирощуванні клітинних культур і регенерованих рослин за умов прямої дії засолення або водного стресу в стійких формах зростав рівень вільного L-проліну. Якщо стресові умови замінювали на нормальні, то цей параметр знижувався. Рівень вільного проліну – це динамічний показник. Його динамічні коливання вказують на активний метаболізм. Активні флуктуації рівня амінокислоти вказують на активну життєдіяльність експериментальних форм як на клітинному рівні, так і на рівні рослини. Порівняння із вихідними формами продемонструвало суттєві відмінності. Паралельні дослідження стійких варіантів на різних рівнях організації (клітинна культура vs рослина) дадуть наразі інформацію про координацію різних ланок метаболізму/комунікації як у межах клітини, так між органами багатоклітинного організму. Таким чином, клітинна селекція із залученням ІВМ може бути адекватним методом відбору рослинних форм із підвищеним рівнем стійкості до осмотичних стресів.  Система стійка клітинна лінія – стійка рослина проявляється у всіх складових системи і підтримується реалізацією прямих і перехресних зв'язків на всіх рівнях організації рослинного організму. Стійкість системи за стресових умов підтримується як за умов постійного стресового навантаження, так і у випадку змін зовнішнього фону. Маркером стійкості покращеної рослинної форми найбільш виразними є динамічні показники, такі як пролін. Розвиток одноклітинної популяції (стійка клітинна культура) та багатоклітинного організму за стресових умов є результатом диференційної експресії генів.

Посилання


  1. Андрющенко В. К., Саянова В. В., Жученко А. А. и др. Модификация метода определения пролина для выделения засухоустойчивых форм Lycopersicon Tourn. Известия академии наук Молдавской ССР. Серия биологических и химических наук. 1981. С. 55–60.

  2. Герасимова С. В., Колодяжная Я. С., Титов С. Е., Романова А. В., Ковель В. С. и др. Трансформанты табака, экспрессирующие ДНК, орнитинаминотрансферазы Medicago truncatula. Генетика. 2010. 46. 7. С. 1000–1003.

  3. Дубровна О. В., Прядкіна Г. О., Михальська С. І., Комісаренко А. Г. Фізіолого-біохімічні характеристики трансгенних рослин озимої пшениці з надекспресією гена орнітин – Δ – амінотрансферази. Фізіологія рослин і генетика. 2023. 55. 1. С. 58–73.

  4. Колупаев Ю. Е., Вайнер А. А., Ястреб Т. О. Пролин: физиологические функции и регуляция содержания в растениях в стрессовых условиях. Вісник Харківського національного аграрного університету. Серія Біологія. 2014. 2. 32. С. 6–22.

  5. Колупаев Е. Ю., Кокорев О. И. Участие полиаминов в регуляции окислительно-восстановительного гомеостаза растений. Вісник Харківського національного університету. Серія Біологія. 2019. 1. 46. С. 6–22.

  6. Лихолат Ю. В. Еколого-фізіологічні основи формування дернових покривів в умовах степової зони України (стійкість, динаміка, техногенез): Автореф. дис... д-ра біол. наук: 03.00.16 / Чернівецький національний ун-т ім. Юрія Федьковича. Чернівці, 2003. 40 с.

  7. Лихолат Ю. В., Григорюк І. П. Використання дерноутворюючих трав для діагностики рівня забруднення навколишнього середовища важкими металами. Доповіді Національної академії наук України. К., 2005.  №. С. 196–200.

  8. Моргун Б. В., Тищенко Е. Н. Молекулярные биотехнологии по повышению устойчивости культурных злаков к осмотическим стрессам. Монография. 2014. 221 с.

  9. Савосько В., Лихолат Ю., Домшина К., Лихолат Т. Екологічна та геологічна зумовленість поширення дерев і чагарників на девастованих землях Криворіжжя. Journal of Geology, Geography and Geoecology. 2018. 27, 1. С. 116–130.

  10. Сергеева Л. Е., Михальская С. И., Комисаренко А. Г. Современные биотехнологии повышения устойчивости растений к осмотическим стрессам. Монография. Киев. 2019. 164 с.

  11. Сергєєва Л. Е., Михальська С. І., Комісаренко А. Г., Броннікова Л. І., Тищенко О. М. Патент на корисну модель № 63611. Спосіб оцінки морфогенетичного потенціалу тканин соняшника за рівнем ендогенного проліну. 2011. Бюлетень 21.

  12. Сергеева Л. Е. Изменения культур клеток под действием стресса. Монография. Киев. 2001. 100 с.

  13. Сидоров В. Биотехнология растений. Клеточная селекция. Монография. Киев. 1990. 280 с.

  14. Тищенко Е. Н., Дубровная О. В. Эпигенетическая регуляция. Метелирование ДНК генов. Монография. Киев. 2004. 236 с.

  15. Шиленков А. В., Мазей Н. Г., Нефедьева Е. Э. Хрянин В. Н. Содержаниепролина в прорастающих семенах гречихи и их качество при действии импульсивного давления и пониженных температур. Сельскохозяйственная биология. Серия Биология растений. 2008. 5. С. 70–77.

  16. Ahmed S., Roy S. K., Woo S. H., Sonawane D., Shohael A. M. Effect of salinity on the morphological, physiological and biochemical properties of lettuce (Lactuca sativa) in Bangladesh. Open Agrriculture. 2022. 4. P. 361–373.

  17. Angulo-Bezarano P. , Puente-Rivera J., Cruz-Orteza R. Metal and metalloid toxity in plants: an pverriev on molecular aspects. Planta. 2021. 10(4). 635.

  18. Aziz M. , Sabeem M., Mullath S. K., Brini F., Masmodi K. Plant grop II LEA proteins: intrinsically discordered structure for multible function in response to environmental to stress. Biomolecules. 2021. 11, 1662, 27 p.

  19. Asare M. , Szakova J., Tlustoš P. The fate of secondary metabolites in plants growing on Cd-, As-, and Pb-contaminated soil – a comprehensive review. Environmental science and pollution research. 2023. 30. P. 11378–11398.

  20. Bapat V. , KaviKishor P. B., Jalaja N., Jain S. M., Penna S. Plant cell cultures: biofactories for the production of bioactive compounds. Agronomy. 2023. 13(3), 857.

  21. Bull T., Michelmore R. Molecular determinants of in vitro plant regeneration: prospect for enhanced manipulation of Lettuce (Lactuca sativa). Front. Plant Sci. 2022. 13. P. 1–32.

  22. Carcia Grajeda B. , Solo Acosta S. G., Guevara H. P., Diaz-Garcia M. E., Enriquez A. C., Campos-Gaxida J. J. Selective and colorimetric of Ba2+ ion aqueous solution using 11 – mercaptoundeling gold nanoparicles. 2017. RSC Advances. 7, 31611. P. 1–8.

  23. Chen C., Cui X., Zhang P., Wang Z., Zhang J. Expression of pyrroline – 5 – carboxilate reductase (P5CR) gene from the wild grapevine Vilisy eshanensis promotes drought resistance in transgenic Arabidopsis. Plant Physiology and Biochemistry. 2021. 168. P. 188–201.

  24. Colin I., Ruhnow F., Zhu L.-, Zhao Y., Person S. The cell biology of primary cell watts during salt stress. The plant cell. 2023. 35(1). P. 201–207.

  25. Dragwidege J. , Ford B. A., Ashnest J. R., Gendall A. Two endosomal NIIX – type Na+/H+ antiporter are involved in auxin – mediated development in Arabidopsis thaliana. Plant Cell Physiolog. 2018. 59(8). P. 1660–1669.

  26. Fu Z., Ciaris F., Feldman A. , Gentine P., Makowski D., Colin Prentice I., Story P. C. Critical soil moisture thresholds of plants water stress in terrestrial ecosystem. Science advance J. 2022. 8(44). 1–31.

  27. Ghosh U. , Iglam M. N., Cao X., Khan M. A. R. Proline a multifaced signaling molecule in plant respances to abiotic stress: inderlling the physiological mechanisms. Plant Biology. 2022. 24. 2. P. 227–239.

  28. Haider F. , Liqun C., Coulter J. A., Cheema S. A., Wu J., Farooq M. Cadmium toxicity in plants: impacts and remediation. Ecotoxicology and environmental safety. 2021. 211(15). 111887.

  29. Hosseinifard M., Srefanian S., Javid M. , Waztyla E., Garnezarska M. Contribution of exogenous prolie to aniotic stresses tolerance in plants: a review. Int. J. Mol. Sci. 2022. 23(9), 5186.

  30. He M., He C.-, Ding N.-Z. Abiotic stresses: general defeaces for engineering multistress tolerance. Front. Plant Sci., 2018. 9.

  31. Imran Q. , Falak N., Hussan A., Man B.-G., Yun B.-W. Abiotic stress biotechnological tools in stress respontnce. J. Agronomy. 2021. 11(8). 15–79.

  32. Mansour M. , Ali E. F. Evalution of proline functions in saline conditions. Phytochemistry. 2017. 140. P. 52–68.

  33. Maliga P. Isolation and characterization of mutants in plant cell culture. Ann.Rev. Plant Physiol. 1984. 35. 519–542.

  34. Meena M., Divyanshu K., Kumar S., Swapnil P., Andleeb Z., et al. Regulation of L – proline biosynthesis, signal transduction, transport, accumulation and its vital role inplants during variable environment conditions. Halion. 2019. 5. 02952.

  35. Niron Y., Barlas N., Salin B., Türet M. Comparative transcriptome, metabolom and ionomeanalisis of two comprasting common bean genotypes in Saline conolition. Flant. Plant Sci. 2022. 11.

  36. Murashige , Scoog F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiol. Plant. 1962. 15. 473–497.

  37. Norouzi O., Hesami M., Pepe M., Duta A., Jones A. M. In vitro plant culture as the fifth generation of bioenergy. Scientific Reports. 2022. 12. 5038–5054.

  38. Ribaritz A., Abdulaev A., Tashpulalol A. et al. Two tobaccoproline dehydrogenases are differentionally regulated and play a role in early plant development. Plant. 225. 1313–1324.

  39. Savosko V., Bielyk Y., Lykholat Y., Heilmeier H., Grygoryuk I., Khromykh N., Lykholat T. The total content of macronutrients and heavy metals in the soil on devastated lands at Kryvyi Rih Iron Mining & Metallurgical District (Ukraine). Journal of Geology, Geography and Geoecology. 2021. 30, 1. 153–164.

  40. Savosko V., Komarova I., Lykholat Y., Yevtushenko E., Lykholat T. Predictive model of heavy metals inputs  to  soil  at  Kryvyi  Rih  District  and  its  use  in  the  training for specialists in the field of Biology. Journal  of  Physics   Conference   Series   1840:   012011.     

  41. Sharma S., Vershlues P. Mechanisms independent of abscisic acid (ABA) or proline feedback have a predominant role in transcriptional regulation of proline metabolism during low water potential and stress recovery. Plant Cell Envir. 2010. 3. 1. P. 1838–1851.

  42. Verslues P. , Bray E. A. LWR1 and LWR2 are required for osmoregulation adjustment in Arabidopsis. Plant Physiol. 2004. 134. P. 2831–2842.

  43. Wu L., Wang L., Hui W., Zhao F., Wang P., Su C., Gong W. Physiology of plant responses to water stress and related genes: a review. Journal Forests. 2022. 13(2), 324.

  44. Wu L., Fan Z., Guo L., Li Y., Zhang W., et al. Over – expression of an Arabidopsis δ – OAT gene enchances salt and drouht tolerance in transgenic rice Chinese. Science Bulletin. 2003. 48. 23. P. 2594–2600.


Переглядів анотації: 20
Завантажень PDF: 21
Опубліковано
2024-12-30
Номер
Том 53 (2024)
Розділ
Articles