ВЛИЯНИЕ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И КАДМИЯ НА ЭКСПРЕССИЮ ГЕНА ДЕГИДРИНА WCS120 В ЛИСТЬЯХ ПШЕНИЦЫ

Наталья Сергеевна Репкина, Александр Федорович Титов, Вера Викторовна Таланова, Natalia Repkina, Alexandr Titov, Vera Talanova

Аннотация


Проведено сравнительное изучение влияния низкой закаливающей температуры (4°С) и сульфата кадмия (100 мкМ) на экспрессию гена дегидрина WCS120 в листьях проростков озимой пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Московская 39. Показано, что низкая температура и кадмий, вызывая торможение роста проростков, не оказывают отрицательного влияния на оводненность тканей побега и проницаемость мембран клеток листа. Установлено также, что уже через 0,5 ч от начала действия температуры 4°С происходит достоверное повышение холодоустойчивости проростков пшеницы, которая затем монотонно увеличивается, достигая максимума на 6–7-е сутки эксперимента. Воздействие на проростки кадмия также приводило к повышению их холодоустойчивости, но в меньшей степени, чем действие низкой температуры. Закаливание проростков пшеницы сопровождалось увеличением содержания мРНК гена дегидрина WCS120 в листьях, которое зафиксировано уже через 0,5 – 1 ч действия холода, когда наблюдалось начальное повышение холодоустойчивости растений, и сохранялось в дальнейшем на повышенном уровне в течение 7 суток. В отличие от этого, обработка проростков кадмием не сказывалась на содержании транскриптов этого гена в листьях пшеницы, которое оставалось практически неизменным как в начальный период действия кадмия, ни при его более длительном воздействии (1 – 7 сут). Полученные результаты свидетельствуют о зависимости экспрессии гена дегидрина WCS120 от действия холода и указывают на возможность использования индукции экспрессии данного гена, как и его продукта  белка WCS120 в качестве молекулярного маркера устойчивости растений пшеницы к действию низких температур.

 


Ключевые слова


низкая температура; кадмий; пшеница; экспрессия гена WCS120; устойчивость; проницаемость мембран; оводненность тканей

Полный текст:

PDF

Литература


Аникиев В. В., Кутузов Ф. Ф. Новый способ определения площади листовой поверхности у злаков // Физиология растений. 1961. № 8. С. 375–377.

Балагурова Н. И., Дроздов С. Н., Хилков Н. И. Метод определения устойчивости растительных тканей к промораживанию. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1982. 6 с.

Войников В. К. Энергетическая и информационная системы растительных клеток при гипотермии. Новосибирск: Наука, 2013. 212 с.

Гришенкова Н. Н., Лукаткин А. С. Определение устойчивости растительных тканей к абиотическим стрессам с использованием кондуктометрического метода // Поволжский экологический журнал. 2005. № 1. С. 3–11.

Колесниченко А. В., Войников В. К. Белки низкотемпературного стресса растений. Иркутск: Арт-Пресс, 2003. 196 с.

Репкина Н. С., Батова Ю. В., Титов А. Ф., Таланова В. В. Экспрессия гена глутатионсинтетазы GS3 в корнях и листьях проростков пшеницы при действии кадмия // Труды КарНЦ РАН. 2015. № 11. С. 67–75. doi: 10.17076/eb229

Рогожин В. В., Рогожина Т. В. Практикум по физиологии и биохимии растений. СПб.: ГИОРД, 2013. 352 с.

Таланова В. В., Титов А.Ф., Репкина Н. С., Топчиева Л. В. Гены холодового ответа COR/LEA участвуют в реакции растений пшеницы на действие тяжелых металлов // Доклады академии наук. 2013. Т. 448, № 2. С. 242–245. doi: 10.7868/S0869565213020308

Титов А. Ф., Казнина Н. М., Таланова В. В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. 194 с.

Титов А. Ф., Таланова В. В. Устойчивость растений и фитогормоны. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2009. 206 с.

Трунова Т. И. Растения и низкотемпературный стресс. М.: Наука, 2007. 54с.

Clemens S., Aarts M. G. M., Thomine S., Verbruggen N. Plant science: the key to preventing slow cadmium poisoning // Trends in Plant Science. 2013. Vol. 18, N 2. P. 92–99. doi: 10.1016/j.plants.2012.08.003

Close T. J. Dehydrins: A commonalty in the response of plants to dehydration and low temperature // Physiol. Plant. 1996. Vol. 97. P. 795–803. Doi: 10.1111/j.1399-3054.1997.tb04785.x

Dalal M., Tayal D., Chinnusamy V., Bansal K. C. Abiotic stress and ABA-inducible Group 4 LEA from Brassica napus plays a key role in salt and drought tolerance // J. Biotech. 2009. V. 139. P. 137–145. doi: 10.1016/j.biotech.2008.09.014

Fowler S., Thomashow M. F. Arabidopsis transcriptome profiling indicates that multiple regulatory pathways are activated during cold acclimation in addition to the CBF cold response pathway // Plant Cell. 2001. V. 14. P. 1675–1690.

Goyal K., Walton L. J., Tunnacliffe A. LEA proteins prevent protein aggregation due to water stress // Biochem. J. 2005. Vol. 388. P. 151–157. doi: 10.1042/BJ20041931

Grelet J., Benamar A., Teyssier E., Avelange-Macherel M. H., Grunwald D., Macherel D. Identification in pea seed mitochondria of a late-embriogenesis abundant protein able to protect enzyme from drying // Plant Physiol. 2005. Vol. 137. P. 157–167.

Heyen B. J., Alshekh M. K., Smith E. A., Torvik C. F., Seals D. F., Randall S. K. The calcium-binding activity of a vacuole-associated, dehydrin-like protein is regulated by phoshorylation // Plant. Physiol. 2002. Vol. 130. P. 675–687.

Holkova L., Prasil T., Bradacova M., Vitamvas P., Chloupek O. Screening for frost tolerance in wheat using the expression of dehydrine genes Wcs120 and Wdhn13 at 17°C // Plant Breeding. 2009. V. 128. P. 420–422. doi: 10.1111/j.1439-0523.2008.01606.x.

Hong-Bo S., Zong-Suo L., Ming-An S. LEA proteins in higher plants structure, function, gene expression and regulation // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2005. Vol. 45. P. 131–135. doi: 10.1016/j.colsurfb.2005.07.017

Houde M., Danyluk J., Laliberte J. F., Rassart E., Dhinda D. S., Sarhan F. A molecular marker to select for freezing tolerance in Gramineae // Mol. Gen. Genet. 1992. V. 234. P. 43–48.

Jan N., Hussain M., Andrabi K. I. Cold resistance in plants: A mystery unresolved // Electronic Journal of Biotechnology. 2009. V.12 N. 3. P. 1 15. doi:10.2225/vol12-issue3-fulltext-3

Kosova K., Vitamvas P., Prasil I. T. Expression of dehydrins in wheat and barley under different temperatures // Plant Sci. 2011. Vol. 180. P. 46–52. doi: 10.1016/j.plantsci.2010.07.003.

Kosova K., Vitamvas P., Prasilova P., Prasil I.T. Accumulation of WCS120 and DHN5 proteins in differently frost-tolerant wheat and barley cultivars grown under a broad temperature scale // Biol. Plant. 2013. V. 57. P. 105–112.

Manara A. Plants and Heavy metals. Ed. A. Furini. , The Netherlands. Springer, 2012. P. 27–53.

Thomashow M. F. Role of cold-responsive genes in plant freezing tolerance // Plant Physiol. 1998. V. 118, N 1. P. 1–7.

Vitamvas P., Kosová K., Prasilova P., Prasil T. Accumulation of WCS120 protein in wheat cultivars grown at 9°C or 17°C in relation to their winter survival // Plant Breeding. 2010. V. 129. P. 611–616. doi: 10.1111/j.1439-0523.2010.01783.x.

Wanner L. A., Junttila O. Cold-induced freezing tolerance in Arabidopsis // Plant Physiol. 1999. V. 120. P. 391–399.

Wenda-Piesik A., Holkova L., Solařová E., Pokorný R. Attributes of wheat cultivars for late autumn sowing in genes expression and field estimates // Europ. J. Agronomy. 2016. V. 75. P. 42–49. doi: 10.1016/j.eja.2016.01.002

Winfield M. O., Lu C., Wilson I. D., Coghill J. A., Edwards K. J. Plant response to cold: transcriptome analysis of wheat // Plant Biotech. J. 2010. V. 8. P. 749–771. doi: 10.1111/j.1467-7652.2010.00536.x.

Zalunskaitė I., Rugienius R., Vinskienė J., Bendokas V., Gelvonauskienė D., Stanys Stanys V. Expression of COR gene homologues in different plants during cold acclimation // Biologija. 2008. V. 54. N. 1. P. 33–35.

REFERENCES in ENGLISH

Anikiev V. V., Kutuzov F. F. Novyj sposob opredelenija ploshhadi listovoj poverhnosti u zlakov [A new method for leaf area estimation in cereals]. Fiziologija rastenij [Russ. J. Plant Physl.]. 1961. No. 8. P. 375–377.

Balagurova N. I., Drozdov S. N., Hilkov N. I. Metod opredelenija ustojchivosti rastitel’nyh tkanej k promorazhivaniju [Method for determination of the resistance of plant tissues to freezing]. Petrozavodsk: Karel. fil. AN SSSR, 1982. 6 p.

Grishenkova N. N., Lukatkin A. S. Opredelenie ustojchivosti

rastitel’nyh tkanej k abioticheskim stressam s ispol’zovaniem konduktometricheskogo metoda [A conductometric technique to estimate the plant tissue stability to abiotic stresses]. Povolzhskij jekologicheskij zhurnal [Povolzhskiy J. Ecology]. 2005. No. 1. P. 3–11.

Kolesnichenko A. V., Vojnikov V. K. Belki nizkotemperaturnogo

stressa rastenij [Proteins of low-temperature stress in plants]. Irkutsk: Art-Press, 2003. 196 p.

Repkina N. S., Batova Ju. V., Titov A. F., Talanova V. V. Jekspressija gena glutationsintetazy GS3 v kornjah i list’jah prorostkov pshenicy pri dejstvii kadmija [Glutathione synthetase (GS3) gene expression in the leaves and roots of wheat seedlings under cadmium impact]. Trudy KarNTs RAN [Trans. KarRC RAS]. 2015. No. 11. P. 67–75.

Rogozhin V. V., Rogozhina T. V. Praktikum po fiziologii i biohimii rastenij [Practical course on plant physiology and biochemistry]. St. Petersburg: GIORD, 2013. 352 p.

Talanova V. V., Titov A. F., Repkina N. S., Topchieva L. V. Geny holodovogo otveta COR/LEA uchastvujut v reakcii rastenij pshenicy na dejstvie tjazhelyh metallov [Cold-responsive COR/LEA genes participate in the response of wheat plants to heavy metals stress]. Doklady Akademii nauk [Proc. Acad. Sci.]. 2013. Vol. 448, no. 2. P. 242–245.

Titov A. F., Kaznina N. M., Talanova V. V. Tjazhelye metally i rastenija [Heavy metals and plants]. Petrozavodsk: KarRC of RAS, 2014. 194 p.

Titov A. F., Talanova V. V. Ustojchivost’ rastenij i fitogormony [Plant resistance and phytohormones]. Petrozavodsk: KarRC of RAS, 2009. 206 p.

Trunova T. I. Rastenija i nizkotemperaturnyj stress [Plants and low-temperature stress]. Moscow: Nauka, 2007. 54 p.

Vojnikov V. K. Jenergeticheskaja i informacionnaja sistemy rastitel’nyh kletok pri gipotermii [Energy and information systems of plant cells under hypothermia]. Novosibirsk: Nauka, 2013. 212 p.

Clemens S., Aarts M. G. M., Thomine S., Verbruggen N. Plant science: the key to preventing slow cadmium poisoning. Trends in Plant Science. 2013. Vol. 18, no. 2. P. 92–99. doi: 10.1016/j.plants. 2012.08.003

Close T. J. Dehydrins: A commonalty in the response of plants to dehydration and low temperature. Physiol. Plant. 1996. Vol. 97. P. 795–803. doi: 10.1111/j.1399-3054.1997.tb04785.x

Dalal M., Tayal D., Chinnusamy V., Bansal K. C. Abiotic stress and ABA-inducible Group 4 LEA from Brassica napus plays a key role in salt and drought tolerance. J. Biotech. 2009. Vol. 139. P. 137–145. doi: 10.1016/j.biotech.2008.09.014

Fowler S., Thomashow M. F. Arabidopsis transcriptome profiling indicates that multiple regulatory pathways are activated during cold acclimation in addition to the CBF cold response pathway. Plant Cell. 2001. Vol. 14. P. 1675–1690.

Goyal K., Walton L. J., Tunnacliffe A. LEA proteins prevent protein aggregation due to water stress. Biochem. J. 2005. Vol. 388. P. 151–157. doi: 10.1042/BJ20041931

Grelet J., Benamar A., Teyssier E., Avelange-Macherel M. H., Grunwald D., Macherel D. Identification in pea seed mitochondria of a late-embriogenesis abundant protein able to protect enzyme from drying. Plant Physiol. 2005. Vol. 137. P. 157–167.

Heyen B. J., Alshekh M. K., Smith E. A., Torvik C. F., Seals D. F., Randall S. K. The calcium-binding activity of a vacuole-associated, dehydrin-like protein is regulated by phoshorylation. Plant. Physiol. 2002. Vol. 130. P. 675–687.

Holkova L., Prasil T., Bradacova M., Vitamvas P., Chloupek O. Screening for frost tolerance in wheat using the expression of dehydrine genes Wcs120 and Wdhn13 at 17°C. Plant Breeding. 2009. Vol. 128. P. 420–422. doi: 10.1111/j.1439-0523.2008.01606.x

Hong-Bo S., Zong-Suo L., Ming-An S. LEA proteins in higher plants structure, function, gene expression and regulation. Colloids and SurfacesB: Biointerfaces. 2005. Vol. 45. P. 131–135. doi: 10.1016/j.colsurfb.2005.07.017

Houde M., Danyluk J., Laliberte J. F., Rassart E., Dhinda D. S., Sarhan F. A molecular marker to select for freezing tolerance in Gramineae. Mol. Gen. Genet. 1992. Vol. 234. P. 43–48.

Jan N., Hussain M., Andrabi K. I. Cold resistance in plants: A mystery unresolved. Electronic Journal of Biotechnology. 2009. Vol. 12, no. 3. P. 1–15. doi: 10.2225/vol12‑issue3‑fulltext-3

Kosová K., Vitamvas P., Prasil I. T. Expression of dehydrins in wheat and barley under different temperatures. Plant Sci. 2011. Vol. 180. P. 46–52. doi: 10.1016/j.plantsci.2010.07.003

Kosová K., Vitamvas P., Prasilova P., Prasil I. T. Accumulation

of WCS120 and DHN5 proteins in differently frost-tolerant wheat and barley cultivars grown under a broad temperature scale. Biol. Plant. 2013. Vol. 57. P. 105–112.

Manara A. Plants and Heavy metals. Ed. A. Furini. The Netherlands. Springer, 2012. P. 27–53.

Thomashow M. F. Role of cold-responsive genes in plant freezing tolerance. Plant Physiol. 1998. Vol. 118, no. 1. P. 1–7.

Vitamvas P., Kosová K., Prasilova P., Prasil T. Accumulation

of WCS120 protein in wheat cultivars grown at 9°C or 17°C in relation to their winter survival. Plant Breeding. 2010. Vol. 129. P. 611–616. doi: 10.1111/j.1439-0523.2010.01783.x

Wanner L. A., Junttila O. Cold-induced freezing tolerance in Arabidopsis. Plant Physiol. 1999. Vol. 120. P. 391–399.

Wenda-Piesik A., Holkova L., Solařová E., Pokorný R. Attributes of wheat cultivars for late autumn sowing in genes expression and field estimates. Europ. J. Agronomy. 2016. Vol. 75. P. 42–49. doi: 10.1016/j.eja.2016.01.002

Winfield M. O., Lu C., Wilson I. D., Coghill J. A., Edwards K. J. Plant response to cold: transcriptome analysis of wheat. Plant Biotech. J. 2010. Vol. 8. P. 749–771. doi: 10.1111/j.1467-7652.2010.00536.x

Zalunskaitė I., Rugienius R., Vinskienė J., Bendokas V., Gelvonauskienė D., Stanys Stanys V. Expression of COR gene homologues in different plants during cold acclimation. Biologija. 2008. Vol. 54, no. 1. P. 33–35.




DOI: http://dx.doi.org/10.17076/eb364

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


© Труды КарНЦ РАН, 2014-2019