Влияние экспрессии гетерологичной Δ9-десатуразы на жирнокислотный состав растений томатов

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

В данной работе мы исследовали возможность модификации жирнокислотного (ЖК) состава листьев томата (Solanum lycopersicum L.) за счет введения в его геном гена Δ9 ацил-липидной десатуразы цианобактерии (Synechococcus vulcanus C.). Для получения трансгенных растений томата, экспрессирующих десатуразу цианобактерии (desC), и оценки влияния данной десатуразы на ЖК-состав суммарных липидов были сконструированы вектора, несущие ген desC. Последовательность гена была слита с лидерными последовательностями, обеспечивающими локализацию белкового продукта в хлоропластах, эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР) или цитоплазматической мембране. Полученными векторами трансформировали штамм A. tumefaciens AGL0 для последующей агробактериальной трансформации растений томатов. ЖК анализ листьев показал, что для некоторых линий при локализации desC в цитоплазматической мембране или мембране ЭПР наблюдается увеличение содержания С16:1 и C16:2 жирных кислот. Для данных линий показано увеличение относительной представленности транскрипта desC по сравнению с трансгенными линиями, не показавшими изменения ЖК-состава. Полученные данные могут быть использованы для разработки стратегий направленной модификации жирнокислотного состава томатов.

Full Text

Введение1

Десатуразы жирных кислот (ЖК) – это ферменты, катализирующие превращение одинарной связи между атомами углерода в ацильных цепях (С-С) в двойные связи (С=С). Десатуразы относятся к оксидазам со смешанной функцией, и для катализа им необходимы два электрона, донорами которых могут служить НАДФН или НАДН в зависимости от локализации десатуразы [1]. Все известные десатуразы в зависимости от формы, в которой находится ЖК, подвергающаяся окислению, делятся на три типа: ацилСоА- (используют ЖК, связанную с ацетил-СоА), ацил-АПБ- (используют ЖК, связанную с ацилпереносящим белком) и ацил-липидные десатуразы (используют ЖК в составе фосфолипидов). При этом первые два типа являются растворимыми ферментами, а ацил-липидные десатуразы – мембраносвязанными. У растений функционируют ацил-АПБ (располагаются только в пластидах, растворимые) и ацил-липидные (тип I – в ЭПР, тип II – в пластидах, мембраносвязанные) десатуразы [1]. В отличие от растворимых ацил-АПБ десатураз, ацил-липидные десатуразы расположены в мембране и имеют консервативные гидрофобные области. Второй важной особенностью мембранных десатураз, отличающих их от растворимых форм, является наличие трех консервативных гистидиновых кластеров, участвующих в формировании активного центра.

У высших растений процессы десатурации жирных кислот проходят в двух клеточных компартментах: пластидах и ЭПР. Путь, протекающий в пластидах, называют “прокариотическим”, в ЭПР – “эукариотическим”. Синтез жирных кислот начинается в пластидах и приводит к образованию пальмитиновой (С16:0) и стеариновой (С18:0) кислот. Далее образовавшиеся кислоты могут стать субстратом для десатураз, вводящих двойные связи и продуцирующие ненасыщенные жирные кислоты (НЖК). “Прокариотический” путь образования ненасыщенных ЖК осуществляется полностью в пластидах. С16:0 и С18:0 кислоты конъюгируют с глицерин-3-фосфатом, в результате чего образуется фосфатидная кислота (ФК). ФК является субстратом для действия ω-6 FAD6 и ω-3 FAD7 или FAD8 десатураз, которые синтезируют С18:2(Δ9, 12) и С18:3(Δ9, 12, 15) НЖК соответственно [2]. “Эукариотический” путь образования НЖК протекает со сменой компартментов, в которых находятся ЖК на различных этапах процессинга. Поскольку синтаза жирных кислот работает только в пластидах, а десатурация “эукариотического” типа происходит в ЭПР, стартовые вещества десатурации должны быть транспортированы из одного компартмента в другой. С16-кислота транспортируется в насыщенной форме, С18-кислота должна быть подвергнута десатурации по Δ9-положению (с помощью фермента SSI2, являющегося растворимой ацилАПБ-десатуразой и не задействованного в прокариотическом пути) и только потом может быть транспортирована из пластид. Предполагается, что ЖК могут самостоятельно диффундировать в межмебранное пространство, или могут быть транспортированы при участии переносчиков семейства FAX. Переносчиками из межмебранного пространства в цитоплазму предположительно могут являться длиноцепочечные ацилСоА-синтазы, локализованные во внешней мембране пластид. Активированная ЖК, перенесенная в цитоплазму с помощью этих ферментов, транспортируется в ЭПР посредством ацил-СоА связывающего белка (ACBP – AcylCoA-binding protein). На мембране ЭПР остаток ЖК из ацил-СоА, переносимый ACBP, участвует в синтезе фосфатидилхолина (ФХ) – основного траспортера ЖК в ЭПР. Помимо вышеописанного способа, С18:1 и С16:0 ЖК могут быть транспортированы из пластид в ЭПР напрямую, минуя цитоплазму, в местах контакта мембран двух органелл. Перенос при этом осуществляется через ФХ. Перенесенные в ЭПР ЖК подвергаются десатурации с помощью ω-6 FAD2 и ω-3 FAD3. Образованные ПНЖК могут транспортироваться посредством ФХ или ФК обратно в пластиды или к цитоплазматической мембране. При этом на мембране пластид в связывании и переносе ФК участвуют три белка: TGD1-3 (транспортер внешней мембраны хлоропласта), TGD4 (транспортер внутренней мембраны) и TGD5 (белок, расположенный в межмембранном пространстве и связывающий TGD1-3 и TGD5) [3]. Транспорт ЖК из ЭПР к плазматической мембране может осуществляться через прямой контакт мембран посредством везикул либо за счет белковых переносчиков. Так, ACBP1 и ACBP2 имеют домены связывания с ЭПР и плазмалеммой и выполняют функцию переносчиков. При этом, ACBP1 связывает C18-ацилСоА, ACBP2 специфичен в отношении C16-ацил-CoA. Таким образом, имеется согласованный обмен ЖК между тремя разными органеллами: пластидами, где начинается синтез, ЭПР и ЦПМ.

В отличие от высших растений, у которых обнаружены и растворимые и мембраносвязанные формы ферментов, для цианобактерий характерны только мембраносвязанные ацил-липидные десатуразы. Двойные связи в Δ9-, Δ12-, Δ15- и Δ6-положения цепи ЖК вводят четыре белка – DesC, DesA, DesB и DesD соответственно. В первой реакции фермент, кодируемый desC геном, превращает стеариновую кислоту (С18:0) в олеиновую (С18:1). Образование линолевой кислоты (С18:2) катализируется десатуразой desA. DesB вводит третью двойную связь, образуя линоленовую кислоту [4].

Изменения в уровнях экспрессии десатураз, приводящие к изменениям ЖК-состава мембран, могут оказывать существенные влияния на восприимчивость растений к различным стрессам, например, холодовому воздействию, чувствительности к патогенам и другим [5, 6]. Tsypurskaya с коллегами [7] показали, что экспрессия генов Δ9- и Δ12-ациллипидных десатураз в растениях картофеля повышала их устойчивость к Phytophthora infestans по сравнению с контрольными нетрансгенными растениями за счет накопления фенольных соединений в листьях. При введении двойной связи в цепи молекулы ЖК образуется изгиб. Данные изгибы приводят к менее плотной упаковке мембранных липидов, поскольку создается стерическое затруднение сближения молекул друг с другом. Данный механизм важен для сохранения текучести мембран при пониженных температурах, и разработки на его основе используются в биотехнологии для получения холодоустойчивых сортов [8–11]. Таким образом, экспрессия собственных десатураз растения, а также введение гетерологичных генов десатураз является предметом активного изучения. Ряд работ в этом направлении сделан именно на растениях томатов.

Yu с соавт. [9] продемонстрировали, что избыточная экспрессия ЭПР-локализованной омега-3 десатуразы ЖК томатов (LeFAD3) приводила к повышенному содержанию линоленовой кислоты (18:3) и, как следствие, к толерантности трансгенных растений к холодовому стрессу. Похожие результаты при экспрессии LeFAD7 были получены Liu с соавт., которые показали толерантность трансгенных leFAD7-экспрессирующих томатов к низким температурам [12]. Другим похожим примером является работа Dominguez с коллегами, где авторы показали, что оверэкспрессия FAD3 и FAD7 десатураз в растениях томатов приводит к улучшению сопротивляемости к холодовому стрессу. Также авторы сделали интересное наблюдение, обнаружив, что трансгенные растения, экспрессирующие FAD7, в способности противостоять низким температурам превосходят растения, экспрессирующие FAD3. Причина этого состоит в локализации ферментов. FAD7 является десатуразой хлоропластов, тогда как FAD3 – ЭПР-локализованный фермент. Предполагается, что ненасыщенные ЖК в составе хлоропластной мембраны играют важную роль в защите белков фотосистемы II от воздействия низких температур. Поскольку FAD7 локализуется в хлоропластной мембране, его роль в защите от холодового стресса наиболее выражена. Стоит отметить, что при закаливании трансгенные FAD3-томаты демонстрировали устойчивость к холоду, сопоставимую с таковой для FAD7-растений, что может быть объяснено перемещением 18:3 ЖК от ЭПР к хлоропластам в процессе закаливания [13]. Таким образом, локализация фермента может играть важную роль в регуляции липидного метаболизма, и это необходимо учитывать, изучая десатуразы. Также в данной работе показано, что увеличенное соотношение 18:3/18:2 ЖК, контролируемое экспрессией перенесенной омега-3 десатуразой, приводило к улучшению качества плодов и усилению синтеза оксилипинов, придающих томатам характерный аромат.

В нашем исследовании ген гетерологичной Δ9-десатуразы (desC) цианобактерии Synechococcus vulcanus, продукт которого локализован в ЭПР, ЦПМ или хлоропласте, использован для получения трансгенных растений томатов с последующей оценкой изменения ЖК состава в листовой ткани. Ранее в нашей лаборатории были получены обнадеживающие результаты схожего эксперимента на растениях табака [14]. В данной работе мы, изменяя дизайн эксперимента, пробуем экстраполировать полученные ранее данные на растения томатов. Особенность нашего исследования – направленная локализация продукта гена desC в трех разных компартментах растительной клетки: цитоплазме, ЭПР и хлоропластах. Это достигалось за счет использования трех типов векторов, в которых целевой ген слит в рамке считывания с соответствующими сигнальными последовательностями. Для оценки эффективности функционирования гетерологичной десатуразы проведен анализ содержания различных ЖК в листьях трансгенных растений томата разных линий. Причина выбора данной сельскохозяйственной культуры в качестве объекта исследования состоит в растущем спросе на данный вид сельскохозяйственных растений в мире. Томаты содержат большое количество ликопина, каротиноидного пигмента, защищающего растения от окислительного стресса и избыточного освещения, а также известного своими терапевтическими свойствами. Благодаря свойствам ликопина производство культуры продолжает расти и изучение активности и регуляции работы десатураз, как потенциальных регуляторов ответа на стрессы представляется важной задачей.

Δ9-десатураза (desC) из S. vulcanus представляет собой фермент из термофильной бактерии, температурный оптимум роста которой составляет 55°С. Эта десатураза, как и все десатуразы цианобактерий, является ацил-липидной, мембраносвязанной. Диапазон температур, в рамках которого фермент сохраняет свою функциональную активность, исследован в ряде работ. Было продемонстрировано, что белок успешно десатурирует свои субстраты при температурах 45, 37 и 35°С [15]. Orlova с соавт. показали, что экспрессия данной десатуразы в листьях табака при 22°С приводит к увеличению количества С18:1 жирной кислоты в составе листьев, благодаря чему трансгенные растения табака приобретали повышенную устойчивость к холоду [16]. Ранее в нашей лаборатории было показано, что desC, экспрессируемый в двух видах табака (N. benthamiana и N. excelsior), проявляет свою активность в отношении С16:0 и С18:0 кислот [14] при 22°С. Таким образом, несмотря на то, что фермент desC представляет собой белок термофильной бактерии, обитающей при 55°С, в ряде работ доказана его функциональность при температуре 22°С.

Материалы и методы

Конструирование экспрессионных векторов. При конструировании экспрессионных векторов использовались стандартные процедуры молекулярного клонирования и протоколы полимеразной цепной реакции (ПЦР). Все ферменты, используемые при конструировании векторов (эндонуклеазы рестрикции, Т4 ДНК-лигаза, Taq- и Pfu-ДНК-полимеразы, фосфатазы) использовались согласно протоколам фирм-изготовителей.

Первоначально последовательность гена desC, кодирующего ацил-липипидную десатуразу Δ9 Synechococcus vulcanus, была получена методом ПЦР с использованием плазмиды pQE-desC в качестве матрицы и праймеров descF1 и descR1 (прямой и обратный праймеры, содержащие сайты рестрикции ApaI и EcoRI GGGCCCACATCATCCTTAGAA и GAATTCGGACAACGCTTTGGG, соответственно). Полученный ПЦР продукт клонировали в вектор pFGG, гидролизованный по сайтам ApaI и EcoRI, с получением вектора pFGG-desC. Плазмида pFGG-desC, несущая ген desC, обеспечивающий локализацию белкового продукта в цитоплазме использована и для сборки двух других векторов – pFGG-Lch-DesC и pFGG-LeB4-DesC-ER.

Растительный вектор экспрессии, несущий ген desC, слитый с последовательностью транзитного пептида малой субъединицы Lch Rubisco Arabidopsis thaliana, обеспечивающей транспорт белкового продукта в хлоропласты, также получали в несколько этапов. Первоначально последовательность Lch, кодирующая этот транзитный пептид, была синтезирована методом ПЦР с использованием плазмиды pVIG-S2B [17] в качестве матрицы и праймеров lchF3 и lchR3 (прямой и обратный праймеры содержащие сайты рестрикции KpnI и ApaI, GGTACCATGGCTTCTATGATATC и GGGCCCCTGATATTCAACTATAT, соответственно). Далее, полученный ПЦР продукт клонировали в вектор pFGG-DesC, гидролизованный по сайтам KpnI и ApaI, с получением вектора pFGG-Lch-DesC.

Растительный вектор экспрессии, несущий ген desC, слитый с последовательностями, обеспечивающими транспорт и удержание белка в эндоплазматическом ретикулуме, получали в несколько этапов. Первоначально последовательность LeB4, кодирующая транспортный пептид, была синтезирована методом ПЦР с использованием плазмиды pVIG-Т2D [17] в качестве матрицы и праймеров LebF4 и LebR4 (прямой и обратный праймеры содержащие сайты рестрикции KpnI и ApaI, GGTACCATGTCCAAACCTTTTCT и GGGCCCTGCTAAACATGTGCT, соответственно). Полученный продукт ПЦР клонировали в вектор pFGG-DesC, гидролизованный по сайтам KpnI и ApaI, с получением вектора pFGG-LeB4-DesC. Затем фрагмент EcoRI–XbaI плазмиды pVIG-Т2D, несущий последовательность, кодирующую SRKDEL, сигнал удержания ЭР и сигнал полиаденилирования, клонировали в вектор pFGG-LeB4-DesC, гидролизованный по сайтам EcoRI и XbaI, с получением вектор pFGG-LeB4-DesC-ER.

Растительные экспрессионные векторы pVIG-DesC, pVIG-Lch-DesC и pVIG-LeB4-DesC-ER, используемые для дальнейшей трансформации растений томата были получены путем клонирования фрагментов SpeI-XhoI плазмид pFGG-desC, pFGG-Lch-DesC и pFGG-LeB4-DesC-ER, соответственно, в вектор pVIG-S, гидролизованный эндонуклеазами рестрикции SpeI и XhoI.

Правильное слияние гибридных генов с соответствующими лидерными последовательностями в экспрессионных векторах растений pVIG-DesC, pVIG-Lch-DesC и pVIG-LeB4-DesC-ER было подтверждено секвенированием (“Евроген”, Россия).

Получение культур Agrobacterium tumefaciens, несущих целевые конструкции. Для трансформации растений томата использовали бактериальные культуры Agrobacterium tumefaciens штамма AGL0, несущие бинарные плазмидные векторы pVIG-DesC, pVIG-Lch-DesC и pVIG-LeB4-DesC-ER (рис. 1).

 

Рис. 1. Схематическое изображение участка Т-ДНК в плазмидах pVIG-DesC (а), pVIG-Lch-DesC (б) и pVIG-LeВ4-DesC-ER (в), используемых для агробактериальной трансформации томата. LB – левая граница; RB – правая граница; 35S – конститутивный промотор 35S РНК вируса мозаики цветной капусты; pNOS – промотор нопалинсинтазы; nptII – ген неомицинфосфотрансферазы II; tNOS – последовательность терминатора нопалинсинтазы; desC – ген, кодирующий Δ9-десатуразу Synechococcus vulcanus; Lch – лидерная последовательность гена, кодирующего малую субъединицу рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы Arabidopsis thaliana, обеспечивающая доставку кодируемого белка в хлоропласты; LeB4 – лидерная последовательность гена LeB4 гороха (Vicia faba), кодирующая промотор легумина B4, который обеспечивает компартментализацию белкового продукта в эндоплазматический ретикулум (ЭПР); последовательность ER, SKRDEL в 3’-области гена-мишени, кодирующая С-концевые аминокислоты для удержания целевого белка в ЭПР; поли-А, сигнальная последовательность полиаденилирования.

 

Вектора переносили в штамм AGL0 A. tumefaciens путем электропорации [18].

Выращивание растений. Растения Solanum lycopersicum L. линии ЯЛФ выращивали при +24°C, 18 ч день/6 ч ночь и освещенности 100 мкмоль квантов/(м2/с) на агаризованной среде Мурасиге-Скуга (МС-среда). Томаты ЯЛФ представляют собой чистую линию, используемую в качестве отцовской для получения гибрида F1 Юниор.

Трансформация растений. Эксперименты по получению трансгенных растений томата проводили методом со-культивирования семядольных эксплантов с разбавленной суспензией агробактерии. Ночную культуру агробактерии наращивали в 20 мл неагаризованной среды Лурия-Бертани, дополненной соответствующими селективными антибиотиками, на качалке (180 об/мин) в течение 24 ч при 28°С в темноте. Затем культуру ресуспендировали в жидкой МС-среде добиваясь, чтобы оптическая плотность при длине волны 600 нм была равной 0.6–0.7. В серии экспериментов по агробактериальной трансформации были использованы семядольные листья, включая черешки, полученные от 10–12 суточных асептических проростков. За 3 сут. до инфицирования экспланты прекультивировали на агаризованной МС-среде, дополненной 5 мг/л 6-бензиламинопурина (6-БАП) и 0.1 мг/л индолилуксусной кислоты (ИУК), обеспечивающей наибольшую частоту непрямого органогенеза побегов. Затем у семядолей отсекали небольшую часть у основания и верхушки, после чего переносили в подготовленную бактериальную суспензию. Инокуляцию семядольных эксплантов осуществляли в течение 20 мин при периодическом перемешивании. Впоследствии экспланты переносили на диски из фильтровальной бумаги, помещенные на поверхность чашки Петри со МС-средой, и сокультивировали в темноте при температуре 16°С в течение 48 ч. После этапа сокультивирования семядольные экспланты 5 раз промывали в жидкой МС-среде с добавлением антибиотика тиментина (300 мг/л) для элиминации Agrobacterium. Затем эксплантаты семядолей культивировали на агаризованной MC-среде, дополненной 5 мг/л 6-БАП, 0.1 мг/л ИУК и 300 мг/л тиментина. Субкультивирование на свежую питательную среду осуществляли каждые 20 сут. Со второго пассажа в состав питательной среды включали селективный антибиотик канамицин (Км) в концентрации 10 мг/л, на третьем его концентрацию увеличивали до 25 мг/л и далее продолжали культивировать при таких условиях. С увеличением периода культивирования концентрацию антибиотика для элиминации агробактерии постепенно снижали с 300 мг/л до 150 мг/л. Регенерирующие Км-устойчивые побеги отделяли от каллусной ткани и переносили на питательную среду для индукции ризогенеза следующего состава: ½ МС-среда с добавлением 0.2 мг/л индолил-3-масляной кислоты и 100 мг/л Км.

Отбор и условия культивирования трансгенных растений. Молекулярный анализ первичных трансформантов проводили с помощью ПЦР. Первичные трансформанты растений, показавшие наличие целевых генов и отсутствие агробактериальной контаминации, адаптировали к почве, затем проводили самоопыление для получения поколения T1. Отбор трансгенных растений поколения Т1 проводили в два этапа. На первом этапе проводили проращивание семян трансгенных растений поколения T1 на селективной среде (агаризованная МС-среда, содержащая 100 мг/л Км). Перед проращиванием семена стерилизовали поочередной инкубацией в растворе 70% спирта (2 мин), 1% растворе гипохлорита натрия (5 мин) с последующей троекратной отмывкой в воде (5, 10, 15 мин). На втором этапе проростки, полученные из семян, черенковали и вновь высаживали на селективную среду того же состава. Контрольные нетрансформированные растения проращивали таким же образом, но в качестве среды использовали агаризованную МС-среду, не содержащую антибиотик. Банки с растениями помещали в климатическую камеру. Отобранные таким образом растения использовали для проведения ЖК-анализа и определения уровня экспрессии гетерологичного гена методом ПЦР-РВ.

Экстракция ЖК и получение их метиловых эфиров. К навеске растительного материала (~50 мг) добавляли 5-кратный объем горячего (60°С) 96% этанола для фиксации. Для реакции омыления добавляли 5 М водный КОН до конечной концентрации 1 М с последующим растиранием тканей пестиком и инкубацией в течение 1 ч при 65°С с периодическим перемешиванием. Для количественного определения добавляли по 100 мкл стандарта – раствор гептадекановой кислоты в изопропаноле (250 мкг/мл). Пробы от неомыленных компонентов промывали 500 мкл н-гексана. Свободные жирные кислоты получали, добавляя 50 мкл 20% H2SO4, и экстрагировали н-гексаном. Верхнюю фазу переносили в чистые пробирки и упаривали насухо на вакуумном концентраторе Eppendorf Concentrator plus (“Eppendorf”, Германия). Жирные кислоты метилировали, добавляя 200 мкл 1% H2SO4 в метаноле с последующей инкубацией 30 мин при 55°С. Метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК) экстрагировали 250 мкл гексана.

ГХ-МС анализ. МЭЖК анализировали на приборе Хроматэк Кристалл 5000.2 NP (ЗАО СКБ “Хроматэк”, РФ) с квадрупольным МС детектором. Колонка Restek Rtx-2330 (60 м, кат. № 10726 “Restek”, США). Условия разделения МЭЖК: линейная скорость газа-носителя в колонке 1 мл/мин; объем вводимого образца 1 мкл; делитель потока 1:20, температура испарителя 260°С. Температурная программа градиентного анализа: плато 60°С 8 мин; нагрев до 170°С со скоростью 10°С/мин и 5 мин удержание этой температуры; нагрев от 170°С до 245°С со скоростью 6.5°С/мин и сохранение этой температуры до конца анализа. Рабочая температура МС-детектора – 230°С, энергия ионизации – 70 эВ. Идентификацию МЭЖК и расчет их количественного содержания в пробах проводили с использованием программы “Хроматэк Аналитик 3” и библиотеки спектров NIST.

Выделение РНК и обратная транскрипция. Листья трансгенных растений томатов измельчали в жидком азоте. Выделение РНК для ряда образцов проводили с использованием набора GeneJET Plant RNAPurification Mini Kit (“Evrogen”, Россия), руководствуясь инструкцией производителя.

Обратную транскрипцию проводили с использованием MMLV ревертазы. Для получения первой цепи кДНК использовали протокол MMLV RT Kit (“Evrogen”, Россия). Кратко, готовили смесь, состоящую из РНК-матрицы (500 нг) и праймеров, которую прогревали 2 мин при 70°С, после чего добавляли заранее подготовленную смесь MMLV-ревертазы, буфера, dNTPs и DTT. Инкубировали 45 мин при 39°С. Для остановки реакции смесь прогревали 10 мин при 70°С. Полученные таким образом образцы кДНК использовали для постановки ПЦР-РВ.

ПЦР-РВ. Метод ПЦР-реального времени (ПЦР-РВ) использовали для сравнительной относительной оценки уровня экспрессии целевого гена desC в трансгенных растениях томатов. Подбор праймеров производили с помощью программы NCBI PrimerBlast (табл. 1). В качестве референсных генов (эндогенных контролей) использовали гены актина и тубулина. Для относительного количественного анализа использовали ∆∆СТ-метод. Амплификация выполнялась на приборе QuantStudiо 5 (“Applied Biosystems”, США). Для приготовления проб использовали готовую смесь для ПЦР qPCRmix-HS SYBR (“Evrogen”, Россия). Реакционная смесь (20 мкл) содержала 4 мкл qPCRmix-HS SYBR, 5 µM каждого праймера и 100 нг матрицы кДНК. Использовали следующие условия амплификации: 95°C – 10 мин, далее 40 двухстадийных циклов 95°C – 15 с, 60°C – 30 с. Для возможности анализа специфичности образовавшихся продуктов проводили плавление образовавшихся дуплексов при условиях: 95°С – 15 с, 60°С – 1 мин, 95°С – 1 с. Результаты, полученные в трех повторностях qPCR, были использованы для относительной количественной оценки уровня транскрипции. За единицу приняли количество целевой мРНК в растениях линии 94 с цитоплазматической локализацией трансгена. Отрицательный контроль для каждой пары праймеров содержал все компоненты, за исключением матрицы кДНК. Результаты амплификации обрабатывались с использованием программного обеспечения QuantStudiо Design and Analysis Software v2.5.

 

Таблица 1. Последовательности праймеров, использованных при проведении RT-qPCR.

Название праймера

5′-3′ последовательность

qdecC-F

GCACTGGCTCTTTGGCAGTA

qdesC-R

CTGGGACTGCGGATAGACGA

qTubA_L-F

ACAACTTTGCCCGTGGACAT

qTubA_L-R

TGCTCAAGAAGGGAGTGGGT

qAct_L_F

CCTCCTAACTGAAGCCCCTCT

qAct_L_R

CCTGCCAAGTCAAGACGGAG

 

Статистический анализ. Все эксперименты по анализу ЖК-состава листьев и анализу уровней экспрессии генов были проведены независимо не менее трех раз. Статистическую обработку результатов проводили в программе RStudio. Для определения достоверности различий использовали критерий Тьюки, предварительно убеждаясь, что анализируемые выборки имеют нормальное распределение. На графиках, построенных по полученным данным, представлены средние значения и стандартные отклонения.

Результаты и обсуждение

Конструирование векторов

Для исследования вклада десатураз различных клеточных компартментов в формирование ЖК-профиля растительной клетки получены векторные конструкции трех типов: pVIG-DesC, pVIG-Lch-DesC и pVIG-LeB4-DesC-ER (рис. 1). Растительный экспрессионный вектор pVIG-DesC несет последовательность гена Δ9 ацил-липидной десатуразы S. vulcanus. Вектор pVIG-Lch-DesC несет ген этой же десатуразы, слитый с последовательностью пептида малой субъединицы рибулозобифосфаткарбоксилазы (RuBisCo) A. thaliana, обеспечивающей хлоропластную локализацию целевого белка. Вектор pVIG-LeB4-DesC-ER также несет последовательность десатуразы S.vulcanus, в 5’-область которого клонирована последовательность, соответствующая сигнальному пептиду легумина гороха LeB4 для локализации белкового продукта в ЭПР, а в 3’-области добавлен фрагмент, кодирующий сигнал удержания белков в ЭПР. Эффективность обеспечения целевой локализации белкового продукта desC была продемонстрирована в нашей группе ранее [14]. Berestovoy с соавт. оценивали локализацию гетерологичного белка desC, слитого с флуоресцентным белком EGFP, на модели протопластов с помощью флуоресцентной микроскопии. В результате была убедительно продемонстрирована целевая локализация белка в ЭПР, хлоропластах и цитоплазме.

Агробактериальная трансформация и получение регенерантов томата с устойчивостью к канамицину (Км)

Для получения трансгенных растений томата проводили серию независимых агробактерильных трансформаций с использованием различных штаммов AGL0, несущих плазмиды pVIG-DesC, pVIG-Lch-DesC и pVIG-LeВ4-DesC-ER. Всего в экспериментах было использовано 657 инокулированных семядольных эксплантов (табл. 2). В нашем исследовании применялась стратегия постепенной адаптации эксплантов к селективному антибиотику (без добавления Км на первом этапе культивирования, с добавлением Км до концентрации 10 и 25 мг/л на втором и третьем этапах, соответственно). Это было необходимо по причине того, что стрессовые условия, вызванные Км, могут приводить к значительному снижению каллусогенеза и регенерационного потенциала у семядольных эксплантов. Через 2–3 нед. после совместного культивирования семядольных эксплантов с суспензией Agrobacterium на срезе семядольного листа образовывался плотный светло-зеленый каллус. Экспланты, не образовавшие каллус, подвергались некрозу и становились коричневыми при культивировании на селективной среде. Частота некроза эксплантов варьировала от 29.4 до 77.2% в зависимости от плазмидных векторов. По прошествии 3 мес. культивирования были отобраны 20, 19 и 56 каллусных линий томата, устойчивых к Км, трансформированных плазмидами pVIG-DesC, pVIG-Lch-DesC и pVIG-LeВ4-DesC-ER соответственно. Эффективность образования каллуса составила 9.5, 7.7 и 27.9% соответственно. Из плотных светло-зеленых каллусных тканей наблюдали массовую регенерацию побегов. Регенерированные побеги длиной 1.5 см отрезали от каллусной ткани и переносили на среду RIM (Root inducing medium), содержащую 100 мг/л Км. Канамицин-устойчивые побеги томата укореняли в течение 1–2 нед., клонально размножали in vitro, и затем были адаптированы к почвенным условиям.

 

Таблица 2. Характеристика трансгенных каллусов, полученных с помощью агробактериальной трансформации различными векторными конструкциями

Вектор

Количество семядольных эксплантов

Количество Км-устойчивых линий

Гены

Эффективность трансформации (%)

npt II

VirB

desC

pVIG-DesC

210

20

20

2

18

8.6

pVIG-Lch-DesC

246

19

19

6

8

3.3

pVIG-LeВ4-DesC-ER

201

56

56

23

22

10.9

 

ПЦР-анализ первичных трансформантов

Для ПЦР-анализа выделяли геномную ДНК из листьев проростков томата, укорененных на RIM, а также из листьев нетрансгенного контроля (линия ЯЛФ) (табл. 3). Для оценки пригодности выделенной ДНК для ПЦР-анализа амплифицировали последовательность гена Tom52 (рис. 2а). Эффективность трансформации оценивали как процент независимых трансгенных линий томата, содержащих селективный (nptII) и целевой (desC) гены и не демонстрирующих признаки контаминации генами Agrobacterium, от общего количества трансформированных эксплантов. Также проводили определение наличия гена неомицин-фосфотрансферазы II (nptII). Фрагмент длиной 742 п.н. наблюдали у всех проанализированных предполагаемых трансформантов томата, тогда как в контроле соответствующей полосы не было обнаружено (рис. 2б). Чтобы исключить возможность контаминации генами Agrobacterium проводили ПЦР с использованием специфических праймеров, отжигающихся на последовательность гена VirB. Образцы ДНК, выделенные из 2, 6 и 23 линий томата, трансформированных плазмидными векторами pVIG-DesC, pVIG-Lch-DesC и pVIG-LeВ4-DesC-ER, соответственно, содержали ген VirB (рис. 2в). Несколько трансгенных линий томата не содержали вставки целевого гена desC (рис. 2д). Таким образом, эффективность трансформации линии ЯЛФ с помощью векторных конструкций pVIG-DesC, pVIG-Lch-DesC и pVIG-LeВ4-DesC-ER варьировала от 3.3 до 10.9% соответственно.

 

Таблица 3. Эффективность агробактериальной трансформации томатов сорта ЯЛФ векторами pVIG-DesC, pVIG-Lch-DesC и pVIG-LeВ4-DesC-ER

Вектор

Количество семядольных эксплантов (шт.)

Количество Км-устойчивых каллусов

Всего

Подверглось некрозу

Контаминация генами агробактерии

Отобрано

 

шт.

%

шт.

%

шт.

%

шт.

%

шт.

%

pVIG-DesC

210

100

83

39.5

103

49.1

24

11.4

20

9.5

pVIG-Lch-DesC

246

100

190

77.2

29

11.8

27

11.0

19

7.7

pVIG-LeВ4-DesC-ER

201

100

59

29.4

78

38.8

64

31.8

56

27.9

 

Рис. 2. ПЦР-амплификация генов Tom52 (а), nptII (б), VirB (в) и desC (г) на образцах геномной ДНК предполагаемых трансформантов и нетрансгенных растений томата. М – маркер молекулярной массы (GeneRuler 100 bp DNA Ladder, “Fermentas”, Литва); 2 – отрицательный контроль (линия ЯЛФ); 3–18 – независимые трансформированные линии томатов; 19 – положительный контроль (плазмида pVIG-DesC).

 

Получение трансгенных растений томата Т1

Все независимые трансгенные линии томата были успешно адаптированы к почве и самоопылены для получения семенного потомства Т1 в тепличных условиях. Однако только 50% всех трансгенных линий томата Т0 образовали жизнеспособные семена. Так, у 4, 6 и 14 первичных трансгенных линий томата, трансформированных плазмидными векторами pVIG-DesC, pVIG-Lch-DesC и pVIG-LeВ4-DesC-ER, соответственно, развитие плодов после самоопыления не произошло или были получены бессемянные плоды без оплодотворения (табл. 4).

 

Таблица 4. Частота образования нормальных и бессемянных плодов в популяции трансгенных линий томата поколения T0

Вектор

Количество линий томатов поколения T0

Адаптировано к почве

Нормальных плодов

Бессемянных плодов

шт.

%

шт.

%

pVIG-DesC

18

14

77.8

4

22.2

pVIG-Lch-DesC

8

2

25.0

6

75.0

pVIG-LeВ4-DesC-ER

22

8

36.4

14

63.6

 

Анализ наследования гена nptII в семенном потомстве трансгенных растений томата поколения T1

Для определения наследования трансгена в семенном потомстве, самоопыленные семена, собранные от различных первичных трансгенных линий томата, были оценены на устойчивость к Км (табл. 5). Для усиления надежности отбор трансфомантов проводили в два этапа. Первоначально семена проращивали на селективной среде, и далее проводили черенкование растений, которые вновь помещали на селективную среду. Применение этого подхода позволяет избежать отбора “негативных” трансформантов растений. 4 нед. культивирования на МС-среде с летальной концентрацией Км (150 мг/л) позволяли достоверно различить Км-чувствительные и Км-устойчивые растения. В данных условиях нетрансгенные проростки томата демонстрировали признаки хлороза, постепенно становились коричневыми и в последствии погибали, в то время как трансформированные проростки формировали хорошо развитые корни и росли здоровыми. χ2-тест для большинства трансгенных линий показал значение расщепления наследования селективного гена равное 3:1, что свидетельствует о стабильном менделевском наследовании гена nptII и вставке функционального трансгена в единственный локус генома томата. Однако в 7 трансгенных линиях томата наблюдалась и неменделевская схема наследования – коэффициент сегрегации между проростками устойчивыми и чувствительными проростками превышал критическое значение χ2, равное 3.84 (df = 1, Р < 0.05).

Отбор трансгенных растений поколения Т1

Методом агробактериальной трансформации с использованием трех типов векторных конструкций были получены первичные трансформанты растений томатов линий трех типов в зависимости от использованной лидерной последовательности. Были введены следующие обозначения: “ER” – для линий с ЭПР-локализацией, “Cyt” – для линий с цитоплазматической локализацией и “Chl” – для линий с хлоропластной локализацией белкового продукта гена десатуразы desC.

Фенотип большинства линий первичных трансформантов растений, выращенных на селективной среде, в основном, не отличался от растений контрольной линии, выращенных в условиях in vitro. У растений отмечена хорошо развитая мочковатая корневая система и развитый гипокотиль. Тем не менее, две линии трансгенных растений (50Chl и 8ER) характеризовались необычными фенотипами. У них выявлен сильно изогнутый гипокотиль с утолщением в нижней части (рис. 3).

 

Рис. 3. Фенотип контрольных растений и первичных трансформантов растений. (а) – контрольное растение ЯЛФ (агаризованная MС-среда), (б) – трансгенное растение (линия 94Cyt) (агаризованная MС-среда + канамицин), (в) – трансгенное растение (линия 8ER) "необычного" фенотипа (агаризованная MС-среда + канамицин).

 

В результате проведенного отбора для дальнейших исследований были выбраны 4 линии с ЭПР-локализацией, 5 линий с цитоплазматической локализацией и 1 линия с локализацией гетерологичного белка в хлоропластах. Использование для дальнейшей работы только одной линии растений с хлоропластной локализацией гетерологичной десатуразы обусловлено проблемами получения поколения T1 для данного типа трансформантов. А именно, отмечено, что большинство первичных трансформантов этой линии не образуют жизнеспособную пыльцу. Следует подчеркнуть, что сходные наблюдения были отмечены ранее в другом исследовании, в котором использование сигнальной последовательности RuBisCO для локализации белка холинэстеразы в хлоропластах также приводило к образованию стерильных растений. Это позволяет предположить, что локализация гетерлогичных белков в хлоропластах может негативно сказываться на процессе формирования жизнеспособной пыльцы.

Результаты ПЦР-РВ

Для сравнительного анализа уровня транскрипции целевого гена desC в отобранных линиях использовали ПЦР-РВ метод. Было показано, что во всех линиях первичных трансформантов растений происходит транскрипция целевого гена, однако уровень транскрипции различается в широких пределах. Результаты представлены на рисунке 4. Было показано, что линии 25Cyt, 54ER, 8ER, характеризуются 3-, 4.5- и 5.5-кратным увеличением уровня мРНК целевого гена относительно линии сравнения, тогда как для линий 50ER, 10ER, 3Cyt, 12Cyt, 15Cyt, 50Chl этот показатель не превышает значения 2.17. В целом, различия в уровнях транскрипции desС могут быть обусловлены различием мест интеграции целевой последовательности в геном растения, поскольку при использовании метода агробактериальной трансформации интеграция Т-ДНК происходит случайным образом. Кроме того, различия в уровне транскрипции целевого гена можно также объяснить его различающейся дозой, поскольку анализ был проведен на Т1-трансгенных растениях, содержащих как гомозиготные, так и гемизиготные формы.

 

Рис. 4. Относительная представленность транскриптов гена desC в разных линиях трансформированных томатов. За единицу принята экспрессия линии 94Cyt.

 

Сравнительный анализ состава ЖК у контрольных и трансгенных растений

Для оценки функциональности гетерологичного фермента проведен сравнительный анализ содержания ЖК в листьях трансгенных растений. Данный подход ранее показал свою состоятельность в ряде работ по изучению экспрессии гетерологичных десатураз в растениях. Так, Reza с соавт. использовали количественный показатель содержания линолевой и линоленовой кислот в качестве оценки функциональности дельта-12 десатуразы desA цианобактерии в листьях трансгенных растений картофеля [19]. Результаты данного исследования показали, что трансгенные растения характеризуются увеличенным содержанием ненасыщенных ЖК по сравнению с контрольными растениями. Важно, что для того, чтобы иметь возможность оценить уровень накопления гетерологичного фермента и отличить его активность от аналогичных активностей собственных десатураз картофеля, авторами было использовано слияние целевого белка с репортером – термостабильной лихеназой C. thermocellum. Таким образом, в этой работе параллельно с измерениями липидного состава, проводили анализ содержания целевого фермента посредством лихеназного метода, что позволяет с еще большей уверенностью говорить о достоверности связи между изменениями ЖК-состава и экспрессией бактериальной десатуразы в растениях.

Результаты ГХ-МС анализа содержания ЖК в листьях контрольных и трансгенных растений томатов представлены в таблицах 6 и 7.

 

Таблица 6. Содержание С16 ЖК (мг на г сухого веса) в листьях трансформированных растений томата

 

Тип ЖК

Линия

16:0

16:1

16:2

10ER

15.0 ± 5.16

0.3 ± 0.0598

0.1 ± 0.0354

50ER

14.2 ± 1.37

0.4 ± 0.117

0.05 ± 0.0480

54ER

13.5 ± 3.68

2.0 ± 0.625

0.4 ± 0.128

8ER

15.7 ± 1.53

1.2 ± 0.0197

0.3 ± 0.0797

50Chl

19.00 ± 1.60

0.2 ± 0.0966

0.04 ± 0.0412

3Cyt

29.7 ± 3.14

0.6 ± 0.123

0.1 ± 0.0271

94Cyt

16.3 ± 6.11

0.3 ± 0.0772

0.04 ± 0.0103

12Cyt

16.6 ± 1.36

0.4 ± 0.0208

0.04 ± 0.0407

15Cyt

18.8 ± 2.42

0.4 ± 0.0391

0.05 ± 0.00422

25Cyt

12.4 ± 1.82

2.4 ± 0.238

0.5 ± 0.136

Контроль

17.3 ± 2.73

0.3 ± 0.0237

0.04 ± 0.0407

Примечание: жирным шрифтом отмечены показатели, достоверно отличающиеся от контрольных (Р < 0.05).

 

Таблица 7. Содержание С18 ЖК (мг на г сухого веса) в листьях трансформированных растений томата

 

Тип ЖК

Линия

18:0

18:1

18:2

18:3

10ER

3.1 ± 1.30

0.2 ± 0.0561

7.3 ± 2.08

28.9 ± 10.3

50ER

2.4 ± 0.0919

0.2 ± 0.0707

8.3 ± 0.818

30.0 ± 2.71

54ER

2.7 ± 1.11

0.2 ± 0.0205

7.3 ± 1.06

29.2 ± 9.38

8ER

2.9 ± 0.494

0.4 ± 0.0256

8.8 ± 1.21

35.5 ± 6.32

50Chl

2.1 ± 0.626

0.2 ± 0.0254

5.6 ± 1.15

13.6 ± 2.47

3Cyt

5.3 ± 0.914

0.4 ± 0.0786

19.3 ± 4.04

57.7 ± 11.5

94Cyt

3.9 ± 1.23

0.1 ± 0.0973

9.3 ± 2.71

28.6 ± 7.87

12Cyt

2.3 ± 0.468

0.6 ± 0.133

11.5 ± 0.437

40.1 ± 5.22

15Cyt

3.5 ± 0.835

0.5 ± 0.0176

10.6 ± 1.06

40.5 ± 6.82

25Cyt

2.5 ± 0.674

0.3 ± 0.0581

7.6 ± 0.758

21.3 ± 3.62

Контроль

2.9 ± 0.727

0.4 ± 0.125

12.4 ± 2.09

31.8 ± 4.05

 

По результатам ЖК-анализа, убедительно продемонстрировано достоверное увеличение пальмитоолеиновой кислоты (16:1) для трех линий, две из которых имеют ЭПР-локализацию фермента (54ER, 8ER), и одна – цитоплазматическую локализацию (25Cyt). Для этих же линий показано достоверное увеличение 16:2 (Δ9,12) ЖК. Таким образом, для линий 25Cyt, 8ER, 54ER работа гетерологичного фермента desC в растениях томатов приводит к образованию 16:1 ЖК, которая является субстратом для Δ12-десатуразы. Увеличение содержания субстрата (С16:1 ЖК) может приводить к накоплению продукта его десатурации под действием эндогенной Δ12-десатуразы – С16:2 (Δ9, 12) ЖК. Схожие результаты получены в экспериментах, проведенных Berestovoy с соавт., где продемонстрированы сходные закономерности при транзиентной экспрессии desC гена в растениях табака. Следует отметить, что нами не выявлено изменение в уровне С18 ЖК, несмотря на то, что субстратом desC фермента преимущественно являются именно С18:0 ЖК. Помимо этого, показано, что индекс двойных связей у всех линий трансгенных растений, в том числе и у тех, которые демонстрировали изменения в ЖК-составе, остается неизменным относительно такового для контрольных растений.

В разных источниках сообщается о важной роли локализации десатураз в клетке. Так Dominguez с соавт. сообщают о доминантном вкладе хлоропласт-локализованной десатуразы в способность растений противостоять переохлаждению [13]. В работе Герасименко с соавт. была продемонстрирована активность гетерологичной desC десатуразы в растениях табака при локализации фермента в пластидах [20]. При этом экспрессия этого же гена, без направляющей в хлоропласт последовательности не приводила к изменению ЖК-состава. В нашей работе мы использовали три типа векторов для локализации белкового продукта в трех разных компартментах – хлоропластах, ЭПР и цитоплазме. Следует еще раз отметить, что первичные трансформанты растений, которые получали с использованием конструкции для хлоропластной локализации целевого белка, оказались не способны к образованию пыльцы и поколения Т1 за исключением одной линии, которая и была проанализирована, однако изменений в ЖК-составе у этой линии не выявлено. Среди линий трансгенных растений с цитоплазматической и ЭПР-локализацией гетерологичной десатуразы обнаружены линии с измененным содержанием ненасыщенных ЖК. Эти результаты могут свидетельствовать о наличии субстратов для дельта-9-десатуразы как в составе цитоплазматической, так и ЭПР-мембран. Важно отметить, что наблюдаемые различия касаются С16:2 и С16:3 ЖК, тогда как содержание С18 ЖК во всех линиях трансгенных растений оставалось неизменным. Следует отметить, что об увеличении доли С16-ненасыщенных ЖК при экспрессии desС в растениях табака уже сообщалось ранее в работе Berestovoy с соавт. [14].

В нашем исследовании мы сопоставили данные ЖК-анализа листьев с данными, количественной оценки уровня мРНК целевого гена, для того, чтобы оценить взаимосвязь между уровнем представленности целевого транскрипта desC и содержанием ненасыщенных ЖК, как косвенным показателем активности белкового продукта desC [16]. Было показано, что линии трансгенных растений, которые характеризуются более высоким уровнем транскрипции гена desC, демонстрируют и увеличение содержания соответствующих ненасыщенных ЖК. Это линии – 25Cyt, 54ER, 8ER, у которых выявлен более высокий уровень относительного содержания транскрипта гена десатуразы по сравнению с линиями с неизменным ЖК-составом.

Заключение

В данной работе методом агробактериальной трансформации семядольных эксплантов с последующей регенерацией побегов путем непрямого органогенеза были получены независимые трансгенные растения томата линии ЯЛФ, экспрессирующие ген desC, с различной локализацией продукта экспрессии. Проведенный ГХ-МС анализ ЖК-состава позволил обнаружить линии (25Cyt, 8ER, 54ER), характеризующиеся увеличенным содержанием 16:1 и 16:2 ЖК в листьях. По данным ПЦР-РВ эти линии демонстрировали и увеличенный уровень транскрипции desC по сравнению с трансгенными линиями, ЖК-состав которых не отличался от контрольного значения. Таким образом, в данном исследовании нами сконструированы три линии трансгенных растений томатов с измененным ЖК-составом. Повышение содержания С16:1 ЖК, которая является субстратом для эндогенных дельта-12-десатураз, может приводить к увеличению экспрессии собственных ферментов растений с подобной активностью. Вероятно, именно изменение содержания С16:1 приводит к наблюдаемому увеличению количества С16:2 ЖК в полученных трансгенных линиях, в результате чего они могут являться хорошей моделью для изучения работы и регуляции эндогенных дестарураз растений томата.

Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 21-74-30003) и в рамках государственных заданий Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № 122042700043-9, тема № 122032300112-7).

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

 

1 Сокращения: АПБ – ацилпереносящий белок, ЖК – жирная кислота, ЖК-состав – жирнокислотный состав, Км – канамицин, НЖК – ненасыщенные жирные кислоты, ФК – фосфатидная кислота, ФХ – фосфатидилхолин, ЦПМ – цитоплазматическая мембрана, ЭПР – эндоплазматический ретикулум, ACBP – acyl-CoA binding protein, EGFP – enhanced green fluorescent protein, FAD – fatty acid desaturase, RIM – root inducing medium.

×

About the authors

И. Г. Миловская

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Email: irengold58@gmail.com
Russian Federation, Москва

Н. В. Варламова

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии”

Email: irengold58@gmail.com
Russian Federation, Москва

А. Ю. Стариков

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Email: irengold58@gmail.com
Russian Federation, Москва

Д. В. Демиденко

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии”

Email: irengold58@gmail.com
Russian Federation, Москва

О. С. Павленко

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук; Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии”

Email: irengold58@gmail.com
Russian Federation, Москва; Москва

А. А. Тюрин

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Email: irengold58@gmail.com
Russian Federation, Москва

Д. С. Соболев

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Email: irengold58@gmail.com
Russian Federation, Москва

Л. В. Куренина

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии”

Email: irengold58@gmail.com
Russian Federation, Москва

И. В. Голденкова-Павлова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: irengold58@gmail.com
Russian Federation, Москва

М. Р. Халилуев

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии”; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А.Тимирязева”

Email: irengold58@gmail.com
Russian Federation, Москва; Москва

References

  1. Лось Д.А. Структура, регуляция экспрессии и функционирование десатураз жирных кислот // Успехи биологической химии. 2001. Т. 41. С. 163.
  2. He M., Qin C.-X., Wang X., Ding N.-Z. Plant unsaturated fatty acids: biosynthesisand regulation. // Front. Plant Sci. 2020. V. 11. P. 390. https:doi: 10.3389/fpls.2020.00390
  3. Li N., Xu C., Li-Beisson Y., Philippar K. Fatty acid and lipid transport in plant cells // Trends Plant Sci. 2016. V. 21. P. 145. https:doi: 10.1016/j.tplants.2015.10.011
  4. Murata N., Wada H. Acyl-lipid desaturases and their importance in the tolerance and acclimatization to cold of cyanobacteria // J. Biochem. 1995. V. 308 P. 1. https:doi: 10.1042/bj3080001
  5. Kachroo P., Shanklin J., Shah J., Whittle E., Klessig D. A fatty acid desaturase modulates the activation of defense signaling pathways in plants // Proc. Natl. Acad. Sci. 2001. V. 98. P. 9448. https:doi: 10.1073/pnas.151258398
  6. Song N., Hu Z., Li Y. Overexpression of a wheat stearoyl-ACP desaturase (SACPD) gene TaSSI2 in Arabidopsis ssi2 mutant compromise its resistance to powdery mildew // Gene. 2013. V. 524. P. 222. https:doi: 10.1016/j.gene.2013.04.019
  7. Tsypurskaya E., Nikolaeva T., Lapshin P., Nechaeva T., Yuorieva N., Baranova E., Derevyagina M., Nazarenko L. Goldenkova-Pavlova I. Zagoskina N. Response of transgenic potato plants expressing heterologous genes of ∆9- or ∆12-Acyl-lipid desaturases to Phytophthora infestans infection // Plants. 2022. V. 11. P. 288. https:doi: 10.3390/ plants11030288
  8. Ishizaki-Nishizawa O., Fujii T., Azuma M. Low-temperature resistance of higher plants is significantly enhanced by a nonspecific cyanobacterial desaturase // Nat. Biotech. 1996. V. 14. P. 1003. https:doi: 10.1038/nbt0896-1003
  9. Yu C., Wang H., Yang S., Tang X., Duan M., Meng Q. Overexpression of endoplasmic reticulum omega-3 fatty acid desaturase gene improves chilling tolerance in tomato // Plant Physiol. Biochem. 2009. V. 47. P. 1102.https:doi: 10.1016/j.plaphy.2009.07.008
  10. Zhou Z., Wang M., Hu J. Improve freezing tolerance in transgenic poplar by overexpressing a ω-3 fatty acid desaturase gene // Mol. Breeding. 2010. V. 25. P. 571. https:doi.org/10.1007/s11032-009-9352-1
  11. Peng D., Zhou B., Jiang Y. Enhancing freezing tolerance of Brassica napus L. by overexpression of a stearoyl-acyl carrier protein desaturase gene (SAD) from Sapium sebiferum (L.) Roxb // Plant Sci. 2018. V. 272. P. 32. https:doi: 10.1016/j.plantsci.2018.03.028
  12. Liu X., Teng Y., Li B. Enhancement of low-temperature tolerance in transgenic tomato plants overexpressing Lefad7 through regulation of trienoic fatty acids // Photosynth. 2013. V. 51. P. 238. https:doi: 10.1007/s11099-013-0014-5
  13. Dominguez T., Hernandez L., Pennycooke J., Jimenez P., Martınez-Rivas J., Sanz C., Stockinger E., Sanchez-Serrano J., Sanmartin M. Increasing v-3 desaturase expression in tomato results in altered aroma profile and enhanced resistance to cold stress // Plant Physiol. 2010. V. 153. P. 655. https:doi: 10.1104/pp.110.154815
  14. Berestovoy M., Pavlenko O., Tyurin A., Gorshkova E., Goldenkova-Pavlova I. Altered fatty acid composition of Nicotiana benthamiana and Nicotiana excelsior leaves under transient overexpression of the cyanobacterial desC gene // Biol. Plant. 2020. V. 64. P. 167. https:doi: 10.32615/bp.2019.144
  15. Kiseleva L., Serebriiskaya T., Horváth I., Vigh L., Lyukevich A., Los D. Expression of the gene for the delta9 acyl-lipid desaturase in the thermophilic cyanobacterium. // J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 2000. V. 2. P. 331.
  16. Orlova I., Serebriiskaya T., Popov V., Merkulova N., Nosov A., Trunova T., Tsydendambaev V., Los D. Transformation of tobacco with a gene for the thermophilic acyl-lipid desaturase enhances the chilling tolerance of plants // Plant Cell Physiol. 2003. V. 44. P. 447. https:doi: 10.1093/pcp/pcg047
  17. Vyacheslavova A., Berdichevets I., Tyurin A., Shimshilashvili K., Mustafaev O., Goldenkova-Pavlova I. Expression of heterologous genes in plant systems: new possibilities // Russ. J. Gen. 2012. V. 48. P. 1067. https:doi: 10.1134/S1022795412110130
  18. Höfgen R., Willmitzer L. Storage of competent cells for Agrobacterium transformation // Nucleic Acids Res. 1988. V. 16. P. 9877. https:doi: 10.1093/nar/16.20.9877
  19. Reza M., Goldenkova-Pavlova I., Pchelkin V., Tsydendambaev V., Los D., Nosov A. Acyl-lipid Δ12-desaturase of the cyanobacterium increases the unsaturation degree in transgenic potato (Solanum tuberosum L.) // Biologia. 2007. V. 53. P. 4.
  20. Герасименко И., Сахно Л., Кирпа Т., Остапчук А., Хаджиев Т В., Голденкова-Павлова И.В., Шелудько Ю. Характеристика растений Nicotiana tabacum, экспрессирующих гибридные гены Δ9- или Δ12-ацил-липидных десатураз цианобактерий и термостабильной лихеназы // Физиология растений. 2015. Т. 62. С. 307.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Schematic representation of the T-DNA site in the plasmids pVIG-DesC (a), pVIG-Lch-DesC (b) and pVIG-LE4-DesC-ER (c) used for the agrobacterial transformation of tomatoes. LB – left border; RB – right border; 35S – constitutive promoter of 35S cauliflower mosaic virus RNA; pNOS – nopalin synthase promoter; nptII – neomycin phosphotransferase II gene; TNOs – sequence of nopalin synthase terminator; desC – gene encoding Δ9-desaturase Synechococcus vulcanus; Lch – leader sequence of the gene encoding a small the ribulose subunit-1,5-bisphosphate carboxylase Arabidopsis thaliana, which provides delivery of the encoded protein to chloroplasts; LeB4 – the leader sequence of the pea LeB4 gene (Vicia faba), encoding the promoter of legumin B4, which ensures the compartmentalization of the protein product into the endoplasmic reticulum (EPR); the sequence ER, SKRDEL in the 3’ region of the target gene, encoding C-terminal amino acids to retain the target protein in the EPR; poly-A, signaling

Download (467KB)
3. Fig. 2. PCR amplification of the Tom52 (a), nptII (b), VirB (c) and desC (d) genes on genomic DNA samples of suspected transformants and nontransgenic tomato plants. M – molecular weight marker (GeneRuler 100 bp DNA Ladder, Fermentas, Lithuania); 2 – negative control (YALF line); 3-18 – independent transformed tomato lines; 19 – positive control (pVIG-DesC plasmid).

Download (557KB)
4. Fig. 3. Phenotype of control plants and primary plant transformants. (a) – YALF control plant (agarized MS medium), (b) – transgenic plant (94Cyt line) (agarized MS medium + kanamycin), (c) – transgenic plant (line 8ER) an “unusual” phenotype (agarized MS medium + kanamycin).

Download (353KB)
5. Fig. 4. Relative representation of desC gene transcripts in different lines of transformed tomatoes. The expression of the 94Cyt line is taken as a unit.

Download (131KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».