Влияние солевого стресса на растения Nicotiana tabacum L. дикого типа и трансформированных геном холиноксидазы (codA)

Актуальность. Засоление почв является одним из факторов, ограничивающих рост и продуктивность растений. Площади засоленных территорий ежегодно увеличиваются, поэтому актуально исследование механизмов устойчивости растений к солевому стрессу.
Материал и методы. Для повышения устойчивости к засолению почвы в геном табака (Nicotiana tabacum L.) был введен бактериальный ген холиноксидазы codА из Arthrobacter globiformis (Conn) Conn & Dimmick. Растения дикого типа (сорт ‘Самсун’) и трансгенной линии Сod 38 выращивали в условиях солевого стресса, вызванного хлоридом натрия в концентрации 150 мМ. О солеустойчивости сравниваемых генотипов судили по ростовым показателям и способности сохранять пул фотосинтетических пигментов. Для оценки чувствительности растений к солевому стрессу проведены биохимические тесты, отражающие интенсивность перекисных процессов и активность антиоксидантных ферментов.
Результаты. У трансформантов на фоне солевого стресса показатели выживаемости и биометрические характеристики были существенно выше, чем у растений дикого типа, что, очевидно, обеспечивалось экспрессией гетерологичной вставки и функционированием глицинбетаина. Особенностями подвергнутых солевому стрессу трансгенных растений также являлись способность к эффективному поддержанию уровня фотосинтетических пигментов и уменьшенное содержание в листьях малонового диальдегида, что свидетельствует о низкой интенсивности перекисного окисления липидов при засолении и может объясняться функционированием эндогенного глицинбетаина, как соединения с полифункциональным действием.
Заключение. Показано, что трансформация растений бактериальным геном холиноксидазы с последующим накоплением белкового продукта гена codА – глицинбетаина, даже в минимальном количестве, сопровождалась положительными эффектами на растения табака в условиях солевого стресса.

1. Beauchamp C., Fridovich I. Superoxide dismutase: Improved assays and an assay applicable to acrylamide gels. Analytical Biochemistry. 1971;44(1):276-287. DOI: 10.1016/0003-2697(71)90370-8

2. Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review. Annals of Botany. 2003;91(2):179-194. DOI: 10.1093/aob/mcf118

3. Butcher K., Wick A.F., DeSutter T., Chatterjee A., Harmon J. Soil salinity: a threat to global food security. Agronomy Journal. 2016;108(6):2189-2200. DOI: 10.2134/agronj2016.06.0368

4. Chen T.H.H., Murata N. Glycinebetaine protects plants against abiotic stress: mechanisms and biotechnological applications. Plant Cell and Environment. 2011;34(1):1-20. DOI: 10.1111/j.1365-3040.2010.02232.x

5. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П. Методы биохимического исследования растений / под. ред. А.И. Ермакова. Ленинград: Агропромиздат; 1987.

6. Goel D., Singh A.K., Yadav V., Babbar S.B., Murata N., Bansal K.C. Transformation of tomato with a bacterial codA gene enhances tolerance to salt and water stresses. Journal of Plant Physiology. 2011;168(11):1286-1294. DOI: 10.1016/j.jplph.2011.01.010

7. Kathuria H., Giri J., Nataraja K.N., Murata N., Udayakumar M., Tyagi A.K. Glycinebetaine-induced water-stress tole rance in codA-expressing transgenic indica rice is associated with up-regulation of several stress responsive genes. Plant Biotechnology Journal. 2009;7(6):512-526. DOI: 10.1111/j.1467-7652.2009.00420.x

8. Kolupaev Y.E., Karpets Y.V., Kabashnikova L.F. Antioxidative system of plants: cellular compartmentalization, protective and signaling functions, mechanisms of regulation (review). Applied Biochemistry and Microbiology. 2019;55(5):441-459. DOI: 10.1134/S0003683819050089

9. Лян К., Чжан С.Я., Ло И., Ван Г.П., Цзо Ц., Ван В. Сверхнакопление глицинбетаина у пшеницы ослабляет вредное действие солевого стресса. Физиология растений. 2009;56(3):410-417.

10. Лукаткин А.С., Голованова В.С. Интенсивность перекисного окисления липидов в охлажденных листьях теплолюбивых растений. Физиология растений. 1988;35(4):773-780.

11. Mansour M.M.F., Ali E.F. Glycinebetaine in saline conditions: an assessment of the current state of knowledge. Acta Physiologiae Plantarum. 2017;39(2):56. DOI: 10.1007/s11738-017-2357-1

12. Маслова Т.Г., Попова И.А., Попова О.Ф. Критическая оценка спектрофотометрического метода количественного определения каротиноидов. Физиология растений. 1986;33(6):615-619.

13. Munns R. Comparative physiology of salt and water stress. Plant Cell and Environment. 2002;25(2):239-250. DOI: 10.1046/j.0016-8025.2001.00808.x

14. Munns R., Tester M. Mechanisms of salinity tolerance. Annual Review of Plant Biology. 2008;59(1):651-681. DOI: 10.1146/annurev.arplant.59.032607.092911

15. Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiologia Plantarum. 1962;15(3):473-497. DOI: 10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x

16. Negrão S., Schmöckel S.M., Tester M. Evaluating physiological responses of plants to salinity stress. Annals of Botany. 2017;119(1):1-11. DOI: 10.1093/aob/mcw191

17. Р 4.1.1672-03. Руководство по методам контроля качества и безопасности биологически активных добавок к пище. Москва: Министерство здравоохранения РФ; 2003. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200034795?section=text [дата обращения: 14.09.2021].

18. Rajasekaran L.R., Kriedemann P.E., Aspinall D., Paleg L.G. Physiological significance of proline and glycinebetaine: Maintaining photosynthesis during NaCl stress in wheat. Photosynthetica. 1997;33(13):357-366. DOI: 10.1023/A:1006855816437

19. Robinson S.P., Jones G.P. Accumulation of glycinebetaine in chloroplasts provides osmotic adjustments during salt stress. Australian Journal of Plant Physiology. 1986;13(5):659-668. DOI: 10.1071/PP9860659

20. Shahid S.A., Zaman M., Heng L. Soil salinity: Historical perspectives and a world overview of the problem. In: Guideline for salinity assessment, mitigation and adaptation using nuclear and related techniques. Cham: Springer; 2018. р.43-53. DOI: 10.1007/978-3-319-96190-3_2

21. Шлык А.А. Определение хлорофиллов и каротиноидов в экстрактах зеленых листьев. В кн. Биохимические методы в физиологии растений. Москва: Наука; 1971. C.154-170.

22. Wang W., Vinocur B., Altman A. Plant responses to drought, salinity and extreme temperatures: towards genetic engineering for stress tolerance. Planta. 2003;218(1):1-14. DOI: 10.1007/s00425-003-1105-5

23. Wei D., Zhang W., Wang C., Meng Q., Li G., Chen T.H.H. et al. Genetic engineering of the biosynthesis of glycinebetaine leads to alleviate salt-induced potassium efflux and enhances salt tolerance in tomato plants. Plant Science. 2017;257:74-83. DOI: 10.1016/j.plantsci.2017.01.012

24. Wicke B., Smeets E., Dornburg V., Vashev B., Gaiser T., Turkenburg W. et al. The global technical and economic potential of bioenergy from salt-affected soils. Energy and Environmental Science. 2011;4(8):2669-2681. DOI: 10.1039/C1EE01029H

25. Young A.J. The photoprotective role of carotenoids in higher plants. Physiologia Plantarum. 1991;83(4):702-708. DOI: 10.1111/j.1399-3054.1991.tb02490.x