Экспрессия генов стрессовых белков и идентификация молекулярных маркеров устойчивости растений к повышенным температурам и засухе

Л.П. Хохлова

Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

Полный текст PDF

Аннотация

В работе проведен поиск молекулярных биомаркеров устойчивости растений к отдельному и совместному действию повышенных температур (42 ?С) и засухи. С этой целью впервые прослежена корреляция между экспрессией генов четырех стрессовых белков: нефотосинтетического малик-энзима TaNADP-ME2, серин-треонин киназы W55a, дегидрина DHN14, липокалина TaTIL – и степенью устойчивости к стрессорным факторам восьми сортов яровой пшеницы. Экспрессию генов изучали методом ОТ-ПЦР по содержанию транскриптов, фиксированных на электрофореграммах. Показано отсутствие сортоспецифичных ответов двух генов TaNADP-ME2 и серин-треонин киназы W55a, уровень генной активности которых не зависел от выносливости сортов к тепловому шоку и водному дефициту. Однако экспрессия двух других генов DHN14 и TaTIL была генотипически детерминированной и положительно коррелировала с высокой устойчивостью отдельных сортов. Сделан вывод, что активность гена дегидрина DHN14 и гена липокалина TaTIL являются потенциальными молекулярными маркерами тепло- и засухоустойчивости яровой пшеницы и могут использоваться в технологиях трансгенной селекции при создании более адаптированных к условиям среды новых фенотипов сельскохозяйственных культур.

Ключевые слова: Triticum aestivum, разные сорта (генотипы), гипертермия, водный дефицит, стрессовые белки, экспрессия генов

Литература

1. Александров В.Я., Кислюк И.М. Реакция клеток на действие теплового шока. Физиологический аспект // Физиология растений. – 1994. – Т. 36, № 1. – С. 43–49.
2. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В. Формирование адаптивных реакций растений на действие абиотических стрессоров. – Киев: Основа, 2010. – 350 с.
3. Wahid A., Gelani S., Ashraf M., Foolad M.R. Heat tolerance in plants: An overview // Environ. Exper. Bot. – 2007. – V. 61, No 3. – P. 199–223. – doi: 10.1016/j.envexpbot.2007.05.011.
4. Генкель П.А. О сопряженной и конвергентной устойчивости растений // Физиология растений. – 1979. – Т. 26, № 5. – С. 921–924.
5. Кузнецов Вл.В., Ракитин В.Ю., Опоку Л., Жолкевич В.Н. Взаимодействие теплового шока и водного стресса у растений. 1. Влияние теплового шока и последующей почвенной засухи на водный режим и устойчивость хлопчатника // Физиология растений. – 1997. – Т. 44, № 1. – С. 54–58.
6. Титов А.Ф., Таланова В.В. Устойчивость растений и фитогормоны. – Петрозаводск: Карел. науч. центр РАН, 2009. – 206 с.
7. Sung D.V., Kaplan F., Lee K.J., Guy C.L. Acquired tolerance to temperature extremes // Trends Plant Sci. – 2003. – V. 8, No 4. – P. 179–187. – doi: 10.1016/S1360-1385(03)00047-5.
8. Ионова Н.Э., Хохлова Л.П., Валиуллина Р.Н., Ионов Э.Ф. Роль отдельных органов в продукционном процессе яровой пшеницы разного эколого-географического происхождения // Сельскохозяйственная биология. – 2009. – № 1. – С. 60–67.
9. Marcum K. Cell membrane thermostability and whole – plant heat tolerance of Kentucky bluegrass // Crop. Sci. – 1998. – V. 38, No 5. – P. 1214–1218. – doi: 10.2135/cropsci1998.0011183X003800050017x.
10. Хохлова Л.П., Валиуллина Р.Н., Мидер Д.Р., Акберова Н.И. Термостабильность мембран и экспрессия генов низкомолекулярных белков теплового шока (мБТШ) при действии на растения повышенных температур и водного дефицита // Биологические мембраны. – 2015. – Т. 32, № 1. – С. 59–71. – doi: 10.7868/S0233475515010065.
11. Blum A., Klueva N., Nquyen H.T. Wheat cellular thermotolerance is related to yield under heat stress // Euphytica. – 2001. – V. 117, No 2. – P. 117–123. – doi: 10.1023/A:1004083305905.
12. Liu S., Cheng Y., Zhang X., Guan Q., Nishiuchi S., Hase K., Takano T. Expression of an NADP-malic enzyme gene in rice (Oryza sativa. L) is induced by environmental stresses; over-expression of the gene in Arabidopsis confers salt and osmotic stress tolerance // Plant Mol. Biol. – 2007. – V. 64, No 1–2. – P. 49–58. – doi: 10.1007/s11103-007-9133-3.
13. Morris E.R., Walker J.C. Receptor-like protein kinases: the keys to response // Curr. Opin. Plant Biol. – 2003. – V. 6, No 4. – P. 339–342. – doi: 10.1016/S1369-5266(03)00055-4.
14. Xu Z.S., Liu L., Ni Z.Y., Liu P., Chen M., Li L.C., Chen Y.F., Ma Y.Z. W55a encodes a novel protein kinase that is involved in multiple stress responses // J. Integr. Plant Biol. – 2009. – V. 51, No 1. – P. 58–66. – doi: 10.1111/j.1744-7909.2008.00776.x.
15. Mao X., Zhang H., Tian S., Chang X., Jing R. TaSnRK2.4, an SNF1-type serine/threonine protein kinase of wheat (Triticum aestivum L.), confers enhanced multistress tolerance in Arabidopsis // J. Exp. Bot. – 2010. – V. 61, No 3. – P. 683–696. – doi: 10.1093/jxb/erp331.
16. Dure L. III, Crouch M., Harada J., Ho T.H., Mundy J., Quatrano R., Thomas T., Sung Z.R. Common amino acid sequence domains among the LEA proteins of higher plants // Plant Mol. Biol. – 1989. – V. 12, No 5. – P. 475–486. – doi: 10.1007/BF00036962.
17. Close T.J. Dehydrins: Emergence of a biochemical role of a family of plant dehydration proteins // Physiol. Plant. – 1996. – V. 97, No 4. – P. 795–803. – doi: 10.1111/j.1399-3054.1996.tb00546.x.
18. Close T.J. Dehydrins: A commonality in the response of plants to dehydration and low temperature // Physiol. Plant. – 1997. – V. 100. – P. 291–296.
19. Mayhew M., Hartl F.U. Molecular chaperone proteins // Neidhardt F.C., Curtiss III R., Ingraham J.L., Lin E.C.C., Low K.B. Jr., Magasanik B., Reznikoff W.S., Riley M., Schaechter M., Umbarger H.E. (Eds.) Escherichia coli and Salmonella: cellular and molecular biology. – Washington DC: Am. Soc. Microbiol., 1996. – P. 922–937.
20. Lopez C.G., Banowetz G.M., Peterson C.J., Kronstad W.E. Dehydrin expression and drought tolerance in seven wheat cultivars // Crop Sci. – 2002. – V. 43, No 2. – P. 577–582. – doi: 10.2135/cropsci2003.5770.
21. Flower D.R. The lipocalin protein family: structure and function // Biochem. J. – 1996. – V. 318, Pt. 1. – P. 1–14.
22. Frenette-Charron J.B., Breton G., Badawi M., Sarhan F. Molecular and structural analyses of a novel temperature stress-induced lipocalin from wheat and Arabidopsis // FEBS Lett. – 2002. – V. 517, No 1–3. – P. 129–132. – doi: 10.1016/S0014-5793(02)02606-6.
23. Clouse S.D., Sasse J.M. Brassinosteroids: essential regulators of plant growth and development // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. – 1998. – V. 49. – P. 427–451. – doi: 10.1146/annurev.arplant.49.1.427.
24. Murata N., Los D.A. Membrane fluidity and temperature perception // Plant Physiol. – 1997. – V. 115, No 3. – P. 875–879.
25. Bishop R.E., Penfold S.S., Frost L.S., Höltje J.V., Weiner J.H. Stationary phase expression of a novel Escherichia coli outer membrane lipoprotein and its relationship with mammalian apolipoprotein D. Implications for the origin of lipocalins // J. Biol. Chem. – 1995. – V. 270, No 39. – P. 23097–23103.
26. Лось Д.А. Десатуразы жирных кислот. – М.: Науч. мир, 2014. – 372 с.
27. Finka A., Cuendet A.F.H., Maathuis F.J.M., Saidi Y., Goloubinoff P. Plasma membrane cyclic nucleotide gated calcium channels control land plant thermal sensing and acquired thermotolerance // Plant Cell. – 2012. – V. 24, No 8. – P. 3333–3348. – doi: 10.1105/tpc.112.095844.
28. Gao F., Han X., Wu J., Zheng S., Shang Z., Sun D., Zhou R., Li B. A heat-activated calcium-permeable channel – Arabidopsis cyclic nucleotide-gated ion channel 6 – is involved in heat shock responses // Plant J. – 2012. – V. 70, No 6. – P. 1056–1069. – doi: 10.1111/j.1365-313X.2012.04969.x.

Поступила в редакцию

24.02.16

Хохлова Людмила Петровна, доктор биологических наук, профессор кафедры ботаники и физиологии растений

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: Ludmila.Khokhlova@kpfu.ru; hohlova.ludmila2011@mail.ru

Для цитирования: Хохлова Л.П. Экспрессия генов стрессовых белков и идентификация молекулярных маркеров устойчивости растений к повышенным температурам и засухе // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2016. – Т. 158, кн. 2. – С. 225–238.

For citation: Khokhlova L.P. Gene expression of stress proteins and identification of molecular markers of plant resistance to high temperatures and drought. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2016, vol. 158, no. 2, pp. 225–238. (In Russian)

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.