Effect of the overexpression of external alternative NADH dehydrogenase gene in Arabidopsis on the resistance of transformed tobacco plants to negative temperatures

封面

如何引用文章

全文:

详细

The study aims to confirm the functional activity and localization of the At_NDB2 transgenic protein of Arabidopsis in tobacco cells and to evaluate the effect produced by the permanent expression of external alternative NADH dehydrogenase on the resistance of a heat-loving plant to low temperatures. Proteins and mitochondria were isolated from the leaves of tobacco plants grown at 25 °С (day/night) at the 7-leaf stage. At_NDB2 protein localization in mitochondria was determined via electrophoresis and immunoblotting. The functional activity of At_NDB2 was confirmed through the polarography of isolated mitochondria and the specific mitochondrial complex I inhibitor (rotenone). It was also found that the cyanide-resistant respiration rate and the activity of an alternative oxidase enzyme were significantly higher in transgenic plants than in wild-type plants. In order to determine the resistance to low temperatures, the parent and transgenic tobacco plants were grown in soil until the 2–3 and 6–7 leaf stages, after which they were kept at 3 to -3 °С for a day in the dark and left to regrow at 25 °С for seven days. Although it was previously shown that oxidative stress is reduced in transgenic plants at low temperatures as compared to wild-type plants, it was established that the tolerance of transgenic and nontransformed plants does not differ. Thus, alternative NADH dehydrogenase activity was found to reduce oxidative stress and increase alternative oxidase activity, without enhancing the resistance of Nicotiana tabacum to negative temperatures.

作者简介

G Borovskii

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: borovskii@sifibr.irk.ru

E. Gorbyleva

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: dzubina@sifibr.irk.ru

A. Katyshev

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: byacky78@mail.ru

N. Korotaeva

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: korotaeva73@sifibr.irk.ru

E. Polyakova

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: polyackova.elizaveta727@yandex.ru

D. Pyatrikas

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: galdasova@sifibr.irk.ru

I. Fedoseeva

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: fedoseeva.irina2009@yandex.ru

A. Shigarova

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: anas_shig@mail.ru

参考

  1. Michalecka A.M., Svensson A.S., Johansson F.I., Agius S.C., Johanson U., Brennicke A., et al. Arabidopsis genes encoding mitochondrial type II NAD(P)H dehydrogenases have different evolutionary origin and show distinct responses to light. Plant Physiology. 2003;133(2):642-652. doi: 10.1104/pp.103.024208.
  2. Elhafez D., Murcha M.W., Clifton R., Soole K.L., Day D.A., Whelan J. Characterization of mitochondrial alternative NAD(P)H dehydrogenases in Arabidopsis: intraorganelle location and expression. Plant and Cell Physiology. 2006;47(1):43-54. doi: 10.1093/pcp/pci221.
  3. Møller I.M. Plant mitochondria and oxidative stress: electron transport, NADPH turnover, and metabolism of reactive oxygen species. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. 2001;52(1):561-591. doi: 10.1146/annurev.arplant.52.1.561.
  4. Sweetman C., Waterman C.D., Rainbird B.M., Smith P.M.C., Jenkins C.D., Day D.A., et al. AtNDB2 is the main external NADH dehydrogenase in mitochondria and is important for tolerance to environmental stress. Plant Physiology. 2019;181(2):774-788. doi: 10.1104/pp.19.00877.
  5. Yerlikaya B.A., Ates D., Abudureyimu B., Aksoy E. Effect of climate change on abiotic stress response gene networks in Arabidopsis thaliana. In: Prakash C.S., Fiaz S., Fahad S. (eds). Principles and practices of OMICS and genome editing for crop improvement. Cham: Springer; 2022, p. 149-172.
  6. Stupnikova I., Benamar A., Tolleter D., Grelet J., Borovskii G., Dorne A.J., Macherel D. Pea seed mitochondria are endowed with a remarkable tolerance to extreme physiological temperatures. Plant Physiology. 2006;140(1):326-335. doi: 10.1104/pp.105.073015.
  7. Jethva J., Lichtenauer S., Schmidt-Schippers R., Steffen-Heins A., Poschet G., Wirtz M., et al. Mitochondrial alternative NADH dehydrogenases NDA1 and NDA2 promote survival of reoxygenation stress in Arabidopsis by safeguarding photosynthesis and limiting ROS generation. New Phytologist. 2023;238(1):96-112. doi: 10.1111/nph.18657.
  8. Alizadeh R., Kumleh H.H., Rezadoost M.H. The simultaneous activity of cytosolic and mitochondrial antioxidant mechanisms in neutralizing the effect of drought stress in soybean. Plant Physiology Reports. 2023;28(1):78-91. doi: 10.1007/s40502-022-00704-6.
  9. Borovskii G.B., Korotaeva N.E., Katyshev A.I., Fedoseeva I.V., Fedyaeva A.V., Kondakova M.A., et al. The overexpression of the Arabidopsis NDB2 gene in tobacco plants affects the expression of genes encoding the alternative mitochondrial electron transport pathways and stress proteins. In: Plant Genetics, Genomics, Bioinformatics, and Biotechnology: abstracts of the 6th International scientific conference. 14–18 June 2021, Novosibirsk. Novosibirsk; 2021, p. 42.
  10. Korotaeva N.E., Shigarova A.M., Katyshev A.I., Fedoseeva I.V., Fedyaeva A.V., Sauchyn D.V., et al. Effect of expression of the NDB2 heterologous gene of Arabidopsis thaliana on growth and respiratory activity of Nicotiana tabacum. Russian Journal of Plant Physiology. 2023;70:93. doi: 10.1134/S1021443723600885.
  11. 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.
  12. Hameed M.W., Juszczak I., Bock R., van Dongen J.T. Comparison of mitochondrial gene expression and polysome loading in different tobacco tissues. Plant Methods. 2017;13:112. doi: 10.1186/s13007-017-0257-4.
  13. Grabelnykh O.I., Yakovenko K.V., Polyakova E.A., Korsukova A.V., Stepanov A.V., Fedotova O.A., et al. Functioning of mitochondria in transgenic potato tubers with the gox gene for glucose oxidase from Penicillium funiculosum during different storage periods. Russian Journal of Plant Physiology. 2022;69:112. doi: 10.1134/S1021443722060097.
  14. Garmash E.V., Velegzhaninov I.O., Ermolina K.V., Rybak A.V., Malyshev R.V. Altered levels of AOX1a expression result in changes in metabolic pathways in Arabidopsis thaliana plants acclimated to low dose rates of ultraviolet B radiation. Plant Science. 2020;291:110332. doi: 10.1016/j.plantsci.2019.110332.
  15. Clifton R., Lister R., Parker K.L., Sappl P.G., Elhafez D., Millar A.H., et al. Stress-induced co-expression of alternative respiratory chain components in Arabidopsis thaliana. Plant Molecular Biology. 2005;58:193-212. doi: 10.1007/s11103-005-5514-7.
  16. Yoshida K., Noguchi K. Differential gene expression profiles of the mitochondrial respiratory components in illuminated Arabidopsis leaves. Plant and Cell Physiology. 2009;50(8):1449-1462. doi: 10.1093/pcp/pcp090.
  17. Smith C., Barthet M., Melino V., Smith P., Day D., Soole K. Alterations in the mitochondrial alternative NAD(P) H dehydrogenase NDB4 lead to changes in mitochondrial electron transport chain composition, plant growth and response to oxidative stress. Plant and Cell Physiology. 2011;52(7):1222-1237. doi: 10.1093/pcp/pcr073.
  18. Sweetman C., Waterman C.D., Wong D.C.J., Day D.A., Jenkins C.L.D, Soole K.L. Altering the balance between AOX1A and NDB2 expression affects a common set of transcripts in Arabidopsis. Frontiers in Plant Science. 2022;13:876843. doi: 10.3389/fpls.2022.876843.
  19. Wanniarachchi V.R., Dametto L., Sweetman C., Shavrukov Y., Day D.A., Jenkins C.L.D., et al. Alternative respiratory pathway component genes (AOX and ND) in rice and barley and their response to stress. International Journal of Molecular Sciences. 2018;19(3):915. doi: 10.3390/ijms19030915.
  20. Liu Y.J., Norberg F.E.B., Szilágyi A., De Paepe R., Åkerlund H.-E., Rasmusson A.G. The mitochondrial external NADPH dehydrogenase modulates the leaf NADPH/NADP+ ratio in transgenic Nicotiana sylvestris. Plant and Cell Physiology. 2008;49(2):251-263.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML


Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名 4.0国际许可协议的许可

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».