Особенности фенотипического проявления rol-генов Agrobacterim rhizogenes в растениях

Авторы:
Кагирова А.С. , Гумерова Г.Р. , Гуменко Р.С. , Кашапова Г.М. , Кулуев Б.Р.
Название:
Особенности фенотипического проявления rol-генов Agrobacterim rhizogenes в растениях
Страницы:
304-316
скачано
32 раз(а)


Фитопатогенность Agrobacterium rhizogenes обусловлена наличием Ri плазмиды
индуцирующей образование так называемых «hairy roots»
известных в русскоязычной литературе как бородатые
косматые
или генетически трансформированные pRi корни. Ключевая роль в формировании таких корней принадлежит генам rol
расположенным в Т-ДНК Ri плазмиды. В процессе взаимодействия бактерий с растениями происходит передача и устойчивое встраивание генов rolA
B
C и D в растительный геном. Белковые продукты rol-генов являются регуляторами активности фитогормонов
и их экспрессия в растениях проявляется изменением многих физиологических и морфологических признаков. Так
rolB стимулирует образование ауксинсвязывающих белков
индуцирует образование корней
формирование случайных почек и увеличение размеров цветков. К тому же
трансгенные по rolB-генам растения характеризуются устойчивостью к солевому стрессу
низким и высоким температурам
чрезмерному свету и активным формам кислорода. Продукты генов rol могут не только влиять на ростовые процессы
но и повышать защитные функции растений
а также способствовать синтезу ценных первичных и вторичных метаболитов в культурах hairy roots. Поэтому технологии культивирования косматых корней являются перспективными для использования в фармацевтической
пищевой и парфюмерной промышленности. Несмотря на большой объем исследований rol-генов
их функции остаются не до конца изученными. В данной обзорной статье осуществлена попытка обобщить результаты исследований особенностей фенотипического проявления rol-генов в растениях и культурах hairy roots.
Введение
Для создания трансгенных растений чаще всего используют два вида агробактерий – Agrobacterium tumefaciens
[Чемерис и др.
2014; 2015; Кулуев и др.
2014] и Agrobacterium rhizogenes
[Кулуев и др.
2016; Knyazev et al.
2017]. Последний из них в процессе генетической трансформации довольно часто способствует переносу и интеграции в геном растений четырех генов
обозначаемых rolA
B
C и D (от root locus)
что приводит к разрастанию адвентивных корней
известных под названием hairy roots или бородатые/косматые корни. Экспрессия генов rol в целых растениях приводит к проявлению многочисленных фенотипических отклонений от нормы
часть которых могут оказаться весьма полезными для использования в биотехнологии. Функции этих четырех rol-генов остаются не до конца изученными
[Павлова и др.
2013]. Целью данной обзорной статьи была попытка описать некоторые изученные к данному моменту фенотипические проявления экспрессии генов rol в трансгенных растениях и культурах корней hairy roots.
Краткая характеристика агробактерий
К Agrobacterium относят аэробные мезофильные бактерии
преимущественно обитающие в почвенной сфере. Это короткие
подвижные грамотрицательные палочки с перитрихиальными жгутиками
образующие на своей поверхности полисахаридную капсулу. При культивировании на обогащенной питательными веществами среде формируют большое количество инволюционных скоплений
представленных V-образными фигурами. Агробактерии не образуют спор
способны к утилизации глюкозы и продукции бета-лактозы
дают положительный тест на каталазу
[Чумаков
2001].
Большинство агробактерий являются фитопатогенами двудольных растений и способны вызывать у них раковые заболевания в результате горизонтального переноса онкогенов
[Mohajjel-Shoja
2010]. Например
Agrobacterium vitis
или агробактерия «виноградная»
поражает корни винограда. «Опухолеобразующая» бактерия
или A. tumefaciens вызывает болезнь «корончатый галл» у большого числа хозяев
а A. rhizogenes
или агробактерия «корнеродная» является причиной заболевания «hairy root»
что можно перевести как «бородатый корень»
[Чумаков и др.
2001; Мусин и др.
2017] или «косматый корень»
[Кулуев и др.
2015]. Для обозначения hairy roots в русскоязычной литературе также используют термин генетически трансформированные pRi корни
[Кузовкина и др.
2012; Эрст и др.
2017].
Патогенность агробактерий запрограммирована в особых мегаплазмидах
размер которых колеблется в пределах от 200 до 800 т.п.н. и более
[Costantino et al.
1994]. Наиболее изучены агробактериальные плазмиды двух типов. Первый тип – это Ti плазмиды (от англ. tumor inducing— вызывающие образование опухолей)
ко второму типу относятся Ri плазмиды (от англ. root inducing— вызывающие образование корней). Ri плазмида содержит Т-ДНК
включающую в себя гены rol (от root locus) (А
В
С
D)
ответственные за индукцию генетически трансформированных pRi корней. Т-ДНК транскрибируется в эукариотических клетках РНК-полимеразой II
[Costantino et al
1994; Mohajjel-Shoja
2010].
Механизм передачи Т-ДНК агробактериальной плазмиды
Т-регион агробактериальной Ri плазмиды состоит из двух участков: один из них – это левый фрагмент или TL (left) и правый фрагмент
который так же обозначают как TR (right). Rol-гены
индуцирующие hairy roots
локализованы в районе TL-ДНК
тогда как гены синтеза опинов (источников питания агробактерий) ближе к TR-ДНК. Встраивание rol-генов нарушает нормальное функционирование организма-хозяина за счет изменения гормонального баланса
что
в конечном итоге
приводит к неопластическому росту hairy roots
[Barampuram et al.
2011; Павлова и др.
2013]. Стоит отметить
что гены
закодированные в Т-ДНК
в самих бактериях не функционируют
так как они находятся под управлением эукариотических промоторов.
Механизм агробактериальной трансформации растений на сегодняшний день в целом изучен
[Чумаков
2013]. Рассмотрим данный процесс на примере A. tumefaciens. В природных условиях агробактерии инфицируют здоровые растения
проникая через повреждения корней
которые выделяют в ризосферу большое количество полисахаридов
кислот
фенольных соединений
в том числе ацетосирингон. Эти вещества активируют экспрессию vir-генов и способствуют инфицированию растений. Vir-система (virulence—патогенность) кодирует гены
контролирующие синтез и перенос Т-ДНК в растительный организм и содержит в себе 7 оперонов: virA
virB
virC
virD
virE
virF и virG. Каждый из них несет информацию о белках
участвующих в образовании одноцепочечной Т-ДНК
транспорте через мембрану
интеграции Т-ДНК в хромосому клеток растений
[Jill
1995]. Белок VirА
кодируемый одноименным геном в составе Vir-региона
является связанным с мембраной рецептором к ацетосирингону
который выделяется растениями при повреждении. После того
как белок–рецептор воспринял сигнал о повреждении участка растения
он передает информацию внутриклеточному белку VirG
который запускает процесс активации всех остальных генов
отвечающих за инфицирование. Белок VirD1 совместно с белком VirD2 “находят” в плазмиде определённые участки
состоящие из 25 пар нуклеотидов
и разрезают их
перемещая ковалентную связь с конца ДНК на белок VirD2. Область ДНК
располагающаяся между двумя повторами размером 25 пар оснований – «right border» и «left border»
носит название Т-ДНК (от англ. «transfer» – переносимая)
[Чуб
2011].
Далее комплекс из одноцепочечной Т-ДНК с белком VirD2 связывается с белком VirE2 (образуется Т-комплекс)
который защищает Т-ДНК от расщепления ферментными системами клетки. На поверхности агробактерии при помощи разнообразных белков VirB образуется специальный белковый комплекс для транспортировки ДНК из агробактериальной клетки в растительную. После этого комплекс одноцепочечной Т-ДНК с Vir-белками проникает в цитоплазму
а затем и в ядро растительной клетки. Белок VirE2 отвечает за узнавание ядерной поры и за процесс встраивания Т-ДНК в растительную хромосому
[Mohajjel-Shoja
2010; Чуб
2011].
Таблица
Фенотипические проявления экспрессии онкогенов A. rhizogenes
[по Schmülling et al.
1988; Dehio et al.
1993; Кулаева и др.
2006; Shkryl et al.
2008;
Mohajjel-Shoja
2010; Avramenko
2015; Mauro et al.
2017]
ОнкогенФенотипические проявления в растениях
rolAПовышает чувствительность клеток к ауксину во время цветения; вызывает снижение содержания цитокининов
гибберелловой и абсцизовой кислот
ауксина. Стимулирует корнеобразование и рост корней
укорочение междоузлий и формирование морщинистых листьев.
rolBУчаствует в сигнальной трансдукции ауксина; способствует повышенному образованию придаточных корней
образованию цветочных зачатков
формированию случайных почек
увеличению размеров цветков; активирует ответные реакции на стрессовые воздействия и синтез вторичных метаболитов.
rolCВлияет на метаболизм цитокининов и гиббереллинов; способствует формированию более разветвленных корней
карликового фенотипа
коротких междоузлий
ланцетовидных листьев
раннего цветения
уменьшению размера цветка и количества пыльцы; активирует ответные реакции на стрессовые воздействия и синтез вторичных метаболитов.
rolDВызывает раннее наступление цветения и ускоренный переход из вегетативной стадии в репродуктивную. Уменьшает укоренение
вызывает гетеростилию и формирование меристем в постэмбриональный период. Не способен самостоятельно индуцировать формирование hairy roots.
Функциональная характеристика rol-генов
Чтобы идентифицировать вклад каждого гена-индуктора корнеобразования
Уайт с коллегами в 1985 провели инсерционно-делеционный анализ Т-ДНК штамма A4 A. rhizogenes. Результаты исследования позволили определить наличие по меньшей мере четырех генетических локусов
которые были обозначены как rolA
rolB
rolC и rolD
соответствующие рамкам считывания: ORF10
ORF11
ORF12 и ORF15
[White et al.
1985; Avramenko
2015]. Дальнейшие исследования показали
что для индукции hairy roots достаточно использовать как отдельные rol-гены
так и их комбинации
[Spena et al.
1987; Mohajjel-Shoja
2010]
а трансгенные растения
регенерировавшие из них
фенотипически сходны с растениями
несущими всю TL-ДНК. Более того
rol-гены могут быть перенесены в растения даже без использования агробактерий методом бомбардировки золотыми частицами
[Ясыбаева и др.
2016; Yasybaeva et al.
2017]. Несмотря на бактериальную природу rol-генов
они снабжены регуляторными последовательностями
во многом напоминающими эукариотические
что обеспечивает их активность в клетках растений. Несмотря на то
что исследование генов rol проводится уже длительный период времени
влияние экспрессии этих генов на физиологические параметры растений остается не до конца изученным (таблица)
[Moriuchi et al.
2004; Кулаева и др.
2006].
В настоящее время hairy roots считаются перспективными продуцентами различных первичных и вторичных метаболитов
[Кулуев и др.
2015; Михайлова и др.
2017; Эрст и др.
2017]. Так как метаболизм растений сопряжен со сложными механизмами защитного ответа на раздражающие факторы
совместная или индивидуальная экспрессия бактериальных онкогенов может приводить к увеличению устойчивости трансгенных клеток к негативным абиотическим факторам. Так
например
показано
что каллусные культуры марены сердцелистной (Rubia cordifolia)
трансформированные генами rolB и rolC
характеризуются устойчивостью к солевому стрессу
низким и высоким температурам и чрезмерному свету
[Bulgakov et al.
2013]. На сегодняшний день также известно о способности rol-генов активировать продукцию антрахинонов
гинзенозидов
[Kunshi et al.
1998]
гинкголидов
[Ayadi et al.
2003] и других вторичных метаболитов у растений
[Bonhomme et al.
2000]. Такие метаболиты выполняют обширные функции
например
регулируют процессы роста и дифференцировки растительных клеток
препятствуют поеданию животными
обладают антимикробными свойствами
способны выделяться в атмосферу в виде летучих эфиров и посылать сигнал об опасности
активируя защитные ответы в здоровых растениях
[Avramenko
2015].
Гены rolA
Гены rolA присутствуют во всех Ri плазмидах и кодируют небольшой белок
молекулярная масса которого составляет около 11 кДа
[Mohajjel-Shoja
2010]. N-конец этого белка высоко консервативен у различных видов штаммов A. rhizogenes
в то время как у С-конца отмечаются значительные вариации
[Павлова и др.
2013]. Установлено
что экспрессия данного онкогена увеличивает чувствительность к ауксину в период цветения
стимулирует корнеобразование и рост корней
[Кулаева и др.
2006].
Экспрессия гена rolA под контролем собственного промотора ингибирует рост растяжением клеток паренхимы в проводящих пучках
что приводит к укорочению междоузлий и формированию морщинистых листьев
[Guivarch et al.
1996; Павлова и др.
2013]. В связи с этим трансгенные растения табака с геном rolA демонстрировали специфический фенотип: растения имели морщинистые листья
короткие междоузлия и аномальные соцветия
[Schmülling et al.
1988; Carnerio et al.
1993].
Показано
что в тканях стебля rolA-трансгенных растений наблюдается повышенная экспрессия гена rolA
а в корнях и листьях уровень экспрессии оказался низким
[Sinkar et al.
1988; Carneiro et al.
1993]. В 1994 году Магрелли с соавторами обнаружили интрон в 5'-нетранслируемой области гена rolA и показали
что мутации сайта сплайсинга приводят к подавлению фенотипа rolA
[Magrelli et al.
1994]. Также известно
что присутствие rolA повышает ß-глюкоронидазную активность в 50 раз
на основе чего было высказано предположение о том
что этот белок препятствует денатурации белка GUS
[Barros et al.
2003].
Экспрессия rolA в табаке может приводить к резкому снижению количества некоторых гормонов таких как цитокинины
ауксины
гибберелловая и абсцизовая кислоты. Степень снижения содержания фитогормонов зависит от стадии развития растения и типа трансформированной ткани
[Dehio et al.
1993]. Несмотря на низкий уровень ауксина в трансформантах
они проявляют повышенную чувствительность к этому гормону
[Maurel et al.
1991].
Промоторная область гена rolA состоит из трех функциональных доменов A
B и C
[Guivarch et al.
1996]. Последовательное удаление каждого из них влечет за собой уменьшение количества транскрипта rolA в листьях и в итоге приводит к полному его отсутствию. Возможно
что все три домена промотора выполняют совместную регуляцию экспрессии онкогена rolA. У трансгенных растений
содержащих в промоторной области только домен А
ген rolA экспрессировался только в листьях
но не обнаруживался в тканях стебля и корня. Потеря функциональности в результате делеции домена А приводила к обратному эффекту
[Dehesh et al.
1990]. Молекулярный механизм такого процесса
на сегодняшний день
остается неизученным. Эксперименты показали
что домен А является ингибитором работы доменов В и С. Кооперативный механизм действия доменов B и C приводил к появлению морщинистых листьев и укороченных междоузлий
а присутствие только домена С определяло карликовый фенотип с нормальной формой листьев
[Павлова и др.
2013].
Гены rolВ
В течение достаточно продолжительного времени считалось
что именно rolB играет ключевую роль в корнеобразовании
[Nilsson et al
1997]
поскольку трансформация растений всеми остальными онкогенами при инактивированном rolB-гене
не приводила к неопластическому росту
а встраивание в геном растений rolB способствовало обильному образованию hairy roots. RolВ экспрессируется во всех меристематических тканях и в проводящей системе растения
[Altamura
2004].
Все индуцирующие корнеобразование Ri плазмиды содержат в себе гены rolВ. Гомология соответствующих последовательностей гена у разных штаммов составляет около 60%. Протяженность кодирующей области гена rolВ варьирует от 765 п.н. (штамм 8196) до 840 п.н (штамм 2659). Продукт гена rolB штаммов 1724 и 2659 имеет дополнительные 17 аминокислот в N-концевой части в отличие от белка штамма 1855 (А4) 8196
[Meyer et al.
2000]. С 1985 года усиленно изучался механизм функционирования гена rolB. RolB является единственным среди представителей rol-генов
который при инактивации полностью подавляет индукцию hairy roots на листьях каланхоэ
к тому же только его экспрессия приводит к индуцированию укоренения почти так же эффективно
как T-ДНК дикого типа A. rhizogenes в пораженных стеблях и листьях табака
[White et al.
1985
Spena et al.
1987; Bellincampi et al.
1996]. A4-rolB трансгенные растения табака
в которых rolB находится под контролем 35S промотора
[Кулуев
2012] или его собственного промотора
имели следующие аномалии: изменение морфологии листьев и размера цветка и увеличение образования корней на стебле
[Schmülling et al.
1988].
Несмотря на то
что многие авторы определяют rolB как основной индуктор корнеобразования
его функции этим не ограничиваются. Так
например
в культуре in vitro тонких срезов цветоножек и стеблей табака rolB в значительной степени способствует образованию de novo как корней
так и цветочных зачатков. Считается
что такие эффекты зависят от компетентности клеток и растительного гормонального статуса
[Altamura et al.
1994]. Стимулирование роста корней и цветков из клеток дикого типа в значительной степени зависит от участия экзогенного ауксина
а образование побегов осуществляется под действием экзогенного цитокинина. Исходя из этого
была высказана гипотеза о том
что стимулирующее действие rolB на меристематическую ткань происходит вследствие повышенной восприимчивости клеток
экспрессирующих данный ген
к ауксину
[Mohajjel-Shoja
2010].
Морфологические аномалии rolB-трансформантов наиболее ярко проявляются в ответ на растительный гормон ауксин. Ауксин ответственен за апикальное доминирование и за индукцию корней во всех растениях и культурах тканей
выполняет ключевую функцию во многих этапах развития цветка и женских органов
[Okada et al.
1991; Oka et al.
1999; Nemhauser et al.
2000; Tobena-Santamaria et al.
2002]. При культивировании in vitro rolB-трансгенные листья табака демонстрируют способность образовывать корни при чрезвычайно низких концентрациях ауксина
в отличие от листьев растений дикого типа
что указывает на повышенную чувствительность к гормону у rolB-трансформантов
[Spano et al.
1988; Costantino et al
1994]. В промоторной области гена rolB находится сайт связывания с факторами транскрипции NtBBF1 и RBF1
восприимчивыми к ауксину
[De Paolis et al.
1996]
а добавление экзогенного ауксина приводит к активному синтезу транскриптов онкогена rolB. Предполагают
что продукт гена rolB может активировать экспрессию ауксин-связывающих белков и/или увеличивать их активность
[Avramenko
2015]. Таким образом
белок rolB участвует в каскаде реакций
определяющих трансдукцию ауксинового сигнала
и уровень экспрессии этого белка является ауксин-зависимым
[Кулаева и др.
2006]. Добавление ауксина к культуре эксплантов приводит к индукции адвентивных корней с фенотипом типичным для rolB–корней
[Capone et al
1994].
Промотор гена rolB представляет собой комплекс из пяти доменов: A
B
C и E. Каждый из этих доменов взаимодействует с различными растительными регуляторами и модулирует работу онкогена относительно типа ткани
гормональных сигналов и стадии развития растения. В корневой части наличие всех доменов в промоторе приводит к экспрессии гена в корневом чехлике
протодерме
меристемах кортекса и в проводящей системе
т.е. в тех клетках
из которых развиваются различные ткани корня. Появление делеции в домене A влечет за собой подавление экспрессии в корневом чехлике и протодерме
такая же мутация в доменах B и E блокирует работу гена по всей меристеме. В состав транскрипционного фактора NtBBF1 Nicotiana tabacum (Nicotiana tabacum rolB domain B Factor 1) входит единичный цинковый палец
принадлежащий к семейству белков с Dof-доменами (DNA binding with one finger). Это семейство представляет собой специфические транскрипционные факторы
играющие роль активаторов и репрессоров во многих биологических процессах в растительных организмах
[Yanagisawa
2004; Павлова и др.
2013]. Без домена D невозможна экспрессия в меристеме кортекса. Присутствие домена С требуется для экспрессии во внутренних меристематических тканях
к тому же благодаря ему подавляется экспрессия в протодерме. Наиболее значимым считается домен В
выполняющий важную роль в регуляции транскрипции rolB. В том случае
когда в данном домене возникает делеция
онкоген не экспрессируется в меристемах и не индуцируется ауксином
[Capone et al.
1994; Павлова и др.
2013].
Известна способность гена rolB активировать защитные системы растения в ответ на появление АФК. Этот эффект при чрезмерном их накоплении становился настолько сильным
что трансгенные клетки R. cordifolia могли переносить сверхвысокие дозы АФК продолжительное время
[Bulgakov et al.
2013]. С физиологической точки зрения такой эффект аналогичен адаптации
во время которой растения производят каталазы
пероксидазы
аскорбаты и другие АФК-детоксицирующие ферменты для защиты своих клеток от стрессовых воздействий
[Gechev et al.
2006; Bulgakov et al.
2013]. Это приводит к устойчивой антиоксидантной защите и защите растений от последующих стрессов. Установлено так же
что rolB способен предотвращать гибель некротических клеток и уменьшать апоптотические симптомы у трансформантов
[Bulgakov et al.
2013].
Среди всех онкогенов семейства rol-генов
именно rolB оказывает наибольшее влияние на изменения вторичного метаболизма у генетически модифицированных растений
[Shkryl et al.
2008]. Опыты на R. cordifolia свидетельствуют
что присутствие rolB (штамма A4) в геноме каллусов влечет за собой активацию экспрессии PR-генов (от англ. pathogenesis-related genes)
а также генов
кодирующих пероксидазы 3-го класса. Представленный онкоген повышает экспрессию антиоксидантных ферментов: аскорбатпероксидазы
каталазы
супероксиддисмутазы
[Bulgakov et al.
2013; Mauro et al.
2017] и ферментов синтеза фитоалексинов
[Veremeichik et al.
2012]. Имеются данные
что rolB увеличивает биосинтез ресвератрола в культурах клеток Vitis amurensis более чем в 100 раз
[Kiselev et al.
2007]
а также повышает производство антрахинонов в 15 раз
[Avramenko
2015]. Ресвератролом называют важный природный фитоалексин
обладающий антиоксидантными
противовоспалительными
антибактериальными
противовирусными и противогрибковыми свойствами. Это вещество так же является сильным противоопухолевым агентом
эффективным против многих видов раковых заболеваний
[Aggarwal et al.
2004]. В трансгенной по генам rolB и rolC полыни Artemisia carvifolia увеличивалось содержание артемизинина
[Dilshad et al.
2015]. Есть сведения о том
что ген rolB может вызывать нарушение баланса кальция в растительном организме
[Bulgakov et al.
2003; Павлова и др.
2013]. Предполагается
что одной из причин проявления эффектов продукта гена rolB является подавление экспрессии различных генов посредством стимуляции сверхэкспрессии микроРНК (miRNA)
регулирующих биологические процессы
в том числе и механизмы вторичного метаболизма
[Bulgakov et al.
2015; Mauro et al.
2017].
Гены rolС
Самый консервативный из онкогенов ген rolC присутствует в геноме всех изученных штаммов A. rhizogenes. Длина гена rolC
выделенного из различных Ri плазмид
варьирует от 537 (штамм 8196) до 543 п.н. (штаммы 2659
1724
A4). Они кодируют белки размером от 178 до 180 аминокислот (приблизительно 20 кДа) со степенью гомологии около 65%
[Meyer et al.
2000].
RolС впервые исследовали в 80-х годах прошлого века. Благодаря проведенным в 1985 г
[White et al.
1985] опытам удалось установить
что инактивация этого онкогена в агробактериях A. rhizogenes (штамм A4) влечет за собой ослабление индукции корней на листовых пластинах каланхоэ. Дальнейшие исследования показали
что ген rolC штамма А4 способен как сам по себе
так и под контролем 35S промотора образовывать более разветвленные корни на листьях табака
чем корни
индуцированные при помощи генов rolA или rolB. Однако подобного эффекта на листьях каланхоэ получить не удалось
[Mohajjel-Shoja
2010].
Отмечается
что экспрессия гена rolC орган-специфична
так
она максимальна в корнях и уменьшается в ряду: корни–стебель–цветки–листья. На тканевом уровне продукты транскрипции rolC обнаруживались во флоэме и в железистых клетках табака
[Guivarch et al.
1996; Павлова и др.
2013]. Растения
трансформированные геном rolC под контролем собственного промотора
имели следующие фенотипические признаки: уменьшение апикального доминирования
приводящего к усилению ветвления
появление карликовости
коротких междоузлий
ланцетовидных листьев
раннего цветения
уменьшение размера цветка и производства пыльцы. Следует подчеркнуть
что скорость роста и развития корней была больше
чем у корней дикого типа
однако меньше
чем у образцов
в геном которых были встроены все 4 rol-гена
[Spena et al.
1987; Schmülling et al.
1988; Ono et al.
1990; Palazоn et al.
1998]. Трансформированные геном rolC растения клубники обладали более тяжелыми плодами и повышенной толерантностью к паразитам Phytophthora cactorum. Существуют работы по трансформации геном rolС некоторых декоративных цветковых растений с целью улучшения их декоративных свойств
[Landi et al.
2009]. Так
ценные морфологические признаки наблюдались у таких родов
как Syzygium
[Zuker et al.
2001]
Kalanchoe
[Christensen et al.
2008] и Limonium
[Mercuri et al.
2001
Mauro et al.
2017].
Стимулирование роста корней при помощи rolC может быть объяснено ауксиноподобным эффектом онкогена
[Schmülling et al.
1988; Zuker et al.
2001]. Измерение трансмембранной гиперполяризации в ответ на ауксин показало
что протопласты табака
имеющие в своем геноме ген rolC
более чувствительны к ауксину
чем их аналоги дикого типа
[Maurel et al.
1991; Mohajjel-Shoja
2010]. Также имеются данные
что белок rolC (продуцируемый в E. coli) обладает β-глюкоронидазной активностью
которая способствует высвобождению активных форм цитокининов из их неактивных глюкозидных конъюгатов
[Estruch et al.
1991].
Механизм регуляции экспрессии гена rolC усложняется взаимодействием с другими последовательностями Т-ДНК. Когда другие гены Т-ДНК отсутствуют
промотор онкогена rolC экспрессируется в корнях и стеблях
в то время как в листьях табака наблюдается довольно низкий уровень продукта гена
[Spena et al.
1987; Schmulling et al.
1988]. Однако в присутствии всей Т-ДНК
rolC также экспрессируется на высоком уровне и в листьях табака
[Durand-Tardif et al.
1985; Leach et al
1991]. Несмотря на то
что область экспрессии rolC
как правило
ограничивается клетками флоэмы
ген может быть индуцирован в любой клетке
при условии культивирования в среде
богатой сахарозой. Чувствительная к сахарозе промоторная область размещена между 135 и 94 п.н. и обогащена AT-последовательностями
[Faiss et al.
1996; Nilsson et al.
1997].
Доказано
что rolC
как и rolB
способен активизировать синтез значительного количества вторичных метаболитов. Онкоген индуцирует производство тропановых алкалоидов
[Bonhomme et al.
2000]
алкалоидов пиридина и индола
[Palazon et al.
1998]
гинсенозидов
[Bulgakov et al.
2002] и антрахиноновых фитоалексинов
[Shkryl et al.
2008]. Кроме того
в салате (Lactuca sativa) rolC повышает антиоксидантые и противовоспалительные свойства этого растения вследствие увеличения продукции фенолов и флавоноидов
[Ismail et al.
2016]. Растения
трансформированные генами rolА и rolC
демонстрируют повышенное производство никотина
[Palazon et al.
1998]
антрахинонов
гинсенозидов
[Bulgakov et al.
2002; Shkryl et al.
2008] и алкалоидов
[Palazon et al.
1998; Bonhomme et al.
2000; Mauro et al.
2017].
Флоэмо-специфическая экспрессия промотора rolC делает его полезным инструментом в биотехнологических целях
направленных на повышение устойчивости к растительным патогенам. Насекомых-переносчиков инфекционных заболеваний растений часто относят к решающим факторам фитопатогенеза
значительно усиливающих негативные последствия проявления болезни
вследствие взаимного усиления эффектов на растение. В число дендрофильных насекомых
осуществляющих перенос фитопатогенной инфекции
входит Homoptera (гемиптера). Лютеовирусы
реовирусы и большинство геминивирусов
способные реплицироваться лишь в клетках флоэмы
передаются при помощи гемиптерных насекомых
[Черпаков
2013]. А специфичная для флоэмы экспрессия инсектицидного гена
токсичного для таких биологических переносчиков
поможет непосредственно контролировать передачу патогена. Например
в трансгенных растениях риса
табака и нута
ген ASAL (Allium sativum leaf agglutinin)
кодирующий растительный лектин с инсектицидной активностью
помещенный под контроль промотора rolC
обеспечивает устойчивость к гемиптерийным вредителям
[Mohajjel-Shoja
2010].
Гены rolD
Ген rolD входит в состав только TL-ДНК агропиновых Ri плазмид
[Christey
2001]. Основными из фенотипических признаков rolD генно-модифицированных растений табака можно назвать раннее цветение и уменьшение укоренения. Из-за раннего перехода от вегетативного роста к репродуктивному на некоторых растениях не образуются почки
к тому же высота трансформантов меньше
чем у контрольных образцов. У цветков отмечается явление гетеростилии
тем не менее
семена
полученные от самоопыления
жизнеспособны
[Mauro et al.
1996; Павлова и др.
2013]. Закодированный данным онкогеном цитозольный белок проявляет активность орнитинцикламидаминазы (OCD)
способной превращать орнитин в пролин
[Mauro et al.
1996; Trovato et al.
2001]. Было выдвинуто предположение
что раннее цветение связано с синтезом пролина
поскольку его высокие уровни наблюдаются именно в цветках
[Trovato et al.
2001]. В культуре тонких срезов экспрессия гена rolD приводила к обильному формированию цветковых меристем
даже в том случае
когда в норме должны появиться корни
т.е. можно выдвинуть предположение
что данный онкоген подавляет образование корней. Опыты
продемонстрированные на целом растении
никаких значительных эффектов на корневую систему не оказали. Такие же данные были получены на томате
[Mauro et al.
1996] и на арабидопсисе
[Falasca et al.
2010]. Среди всех онкогенов семейства rol
только rolD не способен самостоятельно спровоцировать образование hairy roots
[Mauro et al.
1996; Avramenko
2015]. На основе вышесказанного следует сделать вывод
что основное проявление rolD — это формирование меристем в постэмбриональный период
в частности пазушных почек
[Павлова и др.
2013]. Экспрессия онкогена не является специфичной для тканей
но регулируется в процессе развития растения. Активность промотора гена rolD наблюдается в удлиняющихся и дифференцирующихся тканях каждого органа взрослого растения
за исключением апикальных меристем. Доказано
что в процессе роста растений экспрессия гена rolD уменьшается и прекращается при их старении. Подобно rolB
rolD рассматривается как ген
индуцируемый гормоном ауксином. Однако в то время как активация промотора rolB усиливается с увеличением концентрации ауксина
индукция промотора rolD
напротив
достигает определенного максимума и уменьшается при более высоких концентрациях ауксина. Промотор гена rolD так же
как и промотор гена rolB несет в себе Dof-связывающий элемент
участвующий в индукции данного гормона
[Trovato et al.
1997; Mohajjel-Shoja
2010].
Заключение
A. rhizogenes является природным переносчиком онкогенов rol A
B
C и D в клетки растений
что вызывает заболевание «hairy root». Экспрессия каждого из таких rol-генов
оказывая влияние на параметры роста
приводит к определённым фенотипическим эффектам в растениях. У трансформантов отмечаются нарушения фитогормонального и кальциевого статуса
приобретение новых морфологических и фенотипических признаков
повышение устойчивости по отношению к различным стрессовым воздействиям. Поэтому rol-гены A. rhizogenes могут оказаться перспективными при создании трансгенных растений
характеризующихся улучшенными параметрами роста и повышенной стрессоустойчивостью. Причем rol-гены могут быть перенесены в строго определенные места генома растений при помощи технологии CRISPR/Cas9
[Кулуев и др.
2017]. Однако на сегодняшний день для планирования работ по использованию rol-генов в генной инженерии и геномном редактировании не хватает эмпирических данных и поэтому продолжение этого направления исследований остается весьма актуальным.
Получаемые при агробактериальной трансформации культуры hairy roots используются для синтеза первичных и вторичных метаболитов
и эти технологии могут быть полезны в фармацевтической
пищевой и парфюмерной промышленности. Оптимизированные для жидких культур hairy roots можно выращивать в промышленных биореакторах для получения широкого спектра фитохимикатов
[Ono et al.
2011]. Так
на сегодняшний день при помощи hairy roots уже синтезируются ресвератрол
антиоксидантные ферменты: аскорбатпероксидаза
каталаза и супероксиддисмутаза
ферменты синтеза фитоалексинов
алкалоиды: тропановые
пиридиновые
индольные; гинсенозиды
фитоалексины
артемизинины и т.д. При этом тонкая регуляция экспрессии rol-генов может быть использована для модуляции синтеза вторичных метаболитов.
Перенос генов A. rhizogenes в растения может быть не только стратегией
помогающей выживанию агробактерий
но и в свете новых данных может рассматриваться как симбиоз между бактерией и растением. Если даже это взаимодействие не является симбиозом в привычном понимании этого термина
в любом случае это пример возникшей в процессе длительной эволюции устойчивой природной системы
которая может быть полезной не только для агробактерии
но и для растения-хозяина. Дальнейшие детальные исследования структуры
функции и биохимической активности rol-генов и их белковых продуктов помогут прояснить тонкие механизмы регуляции процессов взаимодействия агробактерий и растений
а также функционирования Т-ДНК в растительном геноме. Эти знания могут приблизить нас в будущем к разработке методов целенаправленного управления ростом и продуктивностью как целых растений
так и их частей
с применением
в том числе
онкогенов агробактерий. По крайней мере
агробактерии в процессе эволюции уже давно “научились” управлять ростом растений
поэтому изучение молекулярных механизмов агробактериальной трансформации растений
может и нас приблизить к решению этой актуальной проблемы науки о растениях.
Заказ
Оформите заказ, наш сотрудник свяжется с вами для уточнения деталей.
Ваша заявка успешно отправлена!
Необходимо принять условия соглашения
Вы заполнили не все обязательные поля
Произошла ошибка, попробуйте ещё раз

Обратный звонок
Представьтесь, мы вам перезвоним.
Ваша заявка успешно отправлена!
Необходимо принять условия соглашения
Вы заполнили не все обязательные поля
Произошла ошибка, попробуйте ещё раз