RU2378379C1 - Use of membrane pyrophosphotase gene of bacterium rhodospirillum rubrum for changing plant properties - Google Patents
Use of membrane pyrophosphotase gene of bacterium rhodospirillum rubrum for changing plant properties Download PDFInfo
- Publication number
- RU2378379C1 RU2378379C1 RU2008139513/13A RU2008139513A RU2378379C1 RU 2378379 C1 RU2378379 C1 RU 2378379C1 RU 2008139513/13 A RU2008139513/13 A RU 2008139513/13A RU 2008139513 A RU2008139513 A RU 2008139513A RU 2378379 C1 RU2378379 C1 RU 2378379C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plants
- gene
- plant
- membrane
- pyrophosphatase
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Breeding Of Plants And Reproduction By Means Of Culturing (AREA)
Abstract
Description
Область примененияApplication area
Изобретение относится к биотехнологии и может быть применено для направленного изменения свойств растений. Предлагается способ создания трансгенных растений, обладающих улучшенными хозяйственно-ценными свойствами, в результате экспрессии в их клетках гена мембранной пирофосфатазы бактерии Rhodospirillum rubrum.The invention relates to biotechnology and can be used to directionally change the properties of plants. A method is proposed for creating transgenic plants with improved economically valuable properties as a result of the expression of the membrane pyrophosphatase gene of the bacterium Rhodospirillum rubrum in their cells.
Одной из основных причин снижения урожайности сельскохозяйственных культур является воздействие различных стрессовых факторов, таких как низкие и высокие температуры, засоленность, недостаток влаги в почве и т.д. О силе стрессового воздействия на растения можно судить по интенсивности их роста в условиях стресса, приросту биомассы, биологической продуктивности, причем эти показатели находятся в обратно пропорциональной зависимости от силы воздействия. Практически во всех случаях сильно ингибируются ростовые функции растений, изменяется их морфология, что связано со значительными нарушениями биохимических, физиологических и генетических механизмов.One of the main reasons for reducing crop yields is the impact of various stress factors, such as low and high temperatures, salinity, lack of moisture in the soil, etc. The strength of the stress effect on plants can be judged by the intensity of their growth under stress, biomass growth, biological productivity, and these indicators are inversely proportional to the strength of the effect. In almost all cases, the growth functions of plants are strongly inhibited, their morphology changes, which is associated with significant violations of biochemical, physiological and genetic mechanisms.
Большинство сельскохозяйственных растений чрезвычайно чувствительны к засолению, что вызывает существенные потери урожая вследствие действия этого фактора. По данным программы ООН «По защите окружающей среды» приблизительно 70% земель сельскохозяйственного назначения в мире подвержены засолению. На территории Российской Федерации засоленные почвы составляют 27,7 млн. гектаров (14,8%) сельскохозяйственных угодий, в том числе 12,4 млн. гектаров (11%) пахотных земель. В отдельные годы из-за засоления почв и неравномерного распределения осадков, особенно в период формирования генеративных органов, урожайность сельскохозяйственных культур снижается до 30-60%. В связи с этим создание сортов культурных растений с улучшенными хозяйственно-ценными признаками и устойчивых к засолению почвы методами генетической инженерии является одной из актуальных задач современной биотехнологии.Most agricultural plants are extremely sensitive to salinization, which causes significant yield losses due to this factor. According to the United Nations Environment Program, approximately 70% of the world's agricultural land is subject to salinization. In the Russian Federation, saline soils account for 27.7 million hectares (14.8%) of agricultural land, including 12.4 million hectares (11%) of arable land. In some years, due to soil salinization and uneven distribution of precipitation, especially during the formation of generative organs, crop yields are reduced to 30-60%. In this regard, the creation of cultivated plant varieties with improved economically valuable traits and resistant to soil salinization by genetic engineering methods is one of the urgent tasks of modern biotechnology.
Решение этой проблемы предусматривает как изучение механизмов приспособления определенных растений к таким факторам, так и выявление генов, продукты которых играют ключевую роль в формировании устойчивости. Перенося такие гены методами генетической инженерии в другие растения, можно создавать новые высоко устойчивые к стрессовым воздействиям сорта важных сельскохозяйственных культур.The solution to this problem involves both studying the mechanisms of adaptation of certain plants to such factors, and identifying genes whose products play a key role in the formation of resistance. Transferring such genes by genetic engineering methods to other plants, it is possible to create new varieties of important crops that are highly resistant to stress.
Уровень техникиState of the art
Одним из главных эндогенных факторов, влияющих на рост, морфологию, регенерацию и развитие растений, являются фитогормоны, которые находят все более широкое применение в современном растениеводстве. Одним из таких регуляторов роста является индолилуксусная кислота (ИУК) - фитогормон ауксин, продуцируемый растущими верхушками (апексами) стеблей, корней и перемещающийся в зону растяжения клеток, усиливая рост стеблей, листьев и корней. Современное представление о механизме действия ИУК основывается на индуцировании увеличения степени растяжимости клеточных стенок, усиления дыхания, синтеза белка и нуклеиновых кислот. Важное значение имеет явление апикального доминирования ИУК в побегах и ее роль в механизмах, обеспечивающих координированное влияние на целостность всего растения. От функциональной активности верхушки побега зависят многие физиологические и морфологические процессы, протекающие как в надземных органах, так и в корневой системе [1].One of the main endogenous factors affecting the growth, morphology, regeneration and development of plants are phytohormones, which are increasingly used in modern crop production. One of these growth regulators is indolylacetic acid (IAA) - the auxin phytohormone produced by the growing tops (apexes) of stems, roots and moving into the cell extension zone, enhancing the growth of stems, leaves and roots. The current understanding of the mechanism of action of IAA is based on the induction of an increase in the degree of extensibility of cell walls, increased respiration, and the synthesis of protein and nucleic acids. Of great importance is the phenomenon of apical dominance of IAA in shoots and its role in the mechanisms that provide a coordinated effect on the integrity of the whole plant. Many physiological and morphological processes that occur both in the aboveground organs and in the root system depend on the functional activity of the shoot tip [1].
Механизм полярного транспорта ауксина заключается в том, что ИУК проникает пассивно вместе с ионами Н+ в апикальный конец клетки, а в базальном конце активно секретируется через клеточную мембрану. Установлено, что в плазмалемме ауксин индуцирует работу Н+-помпы, в результате чего матрикс клеточных стенок закисляется. Это приводит к усилению активности кислых гидролаз и размягчению клеточных стенок, что является необходимым условием для роста клеток растяжением.The mechanism of polar auxin transport is that IAA penetrates passively with H + ions into the apical end of the cell, and is actively secreted through the cell membrane in the basal end. It was established that in the plasmalemma, auxin induces the work of the H + pump, as a result of which the matrix of cell walls is acidified. This leads to increased activity of acid hydrolases and softening of cell walls, which is a necessary condition for cell growth by stretching.
Повышение концентрации Н+ в апопласте повышает скорость реакции протонирования ИУК, что приводит к усилению транспорта ауксина через растительную клетку, обуславливая эффект удлинения органов растения. В этом случае наблюдается прямая зависимость между ростом осевых органов путем растяжения и генерированием разности электрического потенциала на клеточной мембране.An increase in the concentration of H + in the apoplast increases the rate of protonation of IAA, which leads to increased transport of auxin through the plant cell, causing the effect of elongation of plant organs. In this case, there is a direct relationship between the growth of axial organs by extension and the generation of the difference in electric potential on the cell membrane.
Недавно в ряде работ была предложена схема влияние протонных насосов на транспорт индолилуксусной кислоты (ИУК) - фитогормона (ауксина), в частности, было показано, что при суперэкспрессии гена AVP1, кодирующего вакуолярную Н+пирофосфатазу A. thaliana, повышалась активность Н+-АТФазы, белков-переносчиков ИУК и, соответственно, усиливался транспорт ИУК через растительную клетку [2]. С этой точки зрения представляется закономерным, что трансгенные растения A.thaliana с суперэкспрессией гена AVP1 имели более развитую корневую систему, более розеточные листья и большую листовую поверхность по сравнению с родительскими немодифицированными формами.Recently, in a number of studies, a scheme was proposed for the effect of proton pumps on the transport of indolylacetic acid (IAA) - phytohormone (auxin), in particular, it was shown that by overexpression of the A. thaliana AVP1 gene encoding the vacuolar H + pyrophosphatase, the H + -ATPase activity increased , carrier proteins of IAA and, accordingly, increased transport of IAA through the plant cell [2]. From this point of view, it seems logical that transgenic A.thaliana plants with overexpression of the AVP1 gene had a more developed root system, more rosette leaves, and a larger leaf surface compared to the parent unmodified forms.
В настоящее время также установлено, что повышенная экспрессия различных протонных насосов (АТФаз Р-типа, вакуолярных Н+-АТФаз и H+-пирофосфатаз) увеличивает доступность протонов для Н+/Nа+-антипортера и усиливает процесс активного выведения ионов Na+ из цитоплазмы, что повышает уровень солеустойчивости растений [3, 4, 5]. Так, например, экспрессия гена AVP1, кодирующего вакуолярную Н+-пирофосфатазу Arabidopsis thaliana, в дрожжах, которые не содержат собственной мембранной пирофосфатазы, повышает солеустойчивость чувствительного к соли мутанта дрожжей [6], а введение того же гена в A. thaliana приводит к получению засухо- и солеустойчивых растений [5].At present, it has also been established that increased expression of various proton pumps (P-type ATPases, vacuolar H + -ATPases and H + pyrophosphatases) increases the availability of protons for the H + / Na + antiporter and enhances the process of active removal of Na + ions from the cytoplasm , which increases the level of salt tolerance of plants [3, 4, 5]. For example, expression of the AVP1 gene encoding the vacuolar H + pyrophosphatase of Arabidopsis thaliana in yeast that does not contain its own membrane pyrophosphatase increases the salt tolerance of salt-sensitive mutant yeast [6], and the introduction of the same gene in A. thaliana results in drought and salt tolerant plants [5].
Следует, однако, отметить, что исследования, проводимые в этом направлении, сосредоточены, главным образом, на изменении свойств растений за счет повышения экспрессии либо их собственного гена пирофосфатазы, либо гомологичного гена другого растения.However, it should be noted that studies conducted in this direction are mainly focused on changing the properties of plants by increasing the expression of either their own pyrophosphatase gene or the homologous gene of another plant.
Основным недостатком такого подхода является возможность активации посттранскрипционного ген-сайленсинга, направленного против экспрессируемого гена. Во многих случаях это явление приводит к тому, что полученные трансгенные растения синтезируют не большее, а меньшее количество целевого белка, чем немодифицированные (примеры приведены в работах [7, 8, 9, 10, 11]), причем активация посттранскрипционного ген-сайленсинга происходит на различных стадиях развития растения непредсказуемым образом. Соответственно, растения, модифицированные введением гена растительной пирофосфатазы, в случае развития посттранскрипционного ген-сайленсинга будут обладать не повышенной, а пониженной солеустойчивостью.The main disadvantage of this approach is the ability to activate post-transcriptional gene silencing directed against the expressed gene. In many cases, this phenomenon leads to the fact that the resulting transgenic plants synthesize not more but less of the target protein than unmodified ones (examples are given in [7, 8, 9, 10, 11]), and activation of post-transcriptional gene silencing occurs at various stages of plant development in an unpredictable way. Accordingly, plants modified by the introduction of the plant pyrophosphatase gene, in the case of the development of post-transcriptional gene silencing, will have not increased, but reduced salt tolerance.
По мнению создателей настоящего изобретения, перспективным в плане преодоления указанного недостатка и, соответственно, разработки более надежных и эффективных способов получения трансгенных растений с повышенной устойчивостью к засолению и сопутствующим улучшением других полезных свойств (см. выше), является подход, заключающийся в использовании функциональных аналогов вакуолярной Н+-пирофосфатазы растений, имеющих бактериальное происхождение. О существовании таких аналогов сообщается, например, в работе [12]. Во-первых, есть все основания полагать, что использование бактериальных генов для получения трансгенных растений должно существенно снизить вероятность активации посттранскрипционного ген-сайленсинга и других нарушений развития растения, обусловленных отклонением уровня экспрессии его собственных генов от естественного. Во-вторых, использование генов бактериальных мембранных пирофосфатаз позволяет рассчитывать на дополнительное повышение эффективности пирофосфат-зависимого транспорта H+, благодаря возможности встраивания экспрессированного фермента не только в мембрану вакуолей, но и во внешнюю клеточную мембрану, результатом чего должно быть выведение ионов натрия из клетки наружу, во внеклеточное пространство. Кроме того, использование бактериальных источников для получения (клонирования?) генов предпочтительно в технологическом отношении.According to the creators of the present invention, an approach consisting in the use of functional analogues is promising in terms of overcoming this drawback and, accordingly, developing more reliable and efficient methods for producing transgenic plants with increased resistance to salinization and concomitant improvement of other beneficial properties (see above). vacuolar H + pyrophosphatase of plants of bacterial origin. The existence of such analogues is reported, for example, in [12]. Firstly, there is every reason to believe that the use of bacterial genes to obtain transgenic plants should significantly reduce the likelihood of activation of post-transcriptional gene silencing and other plant development disorders due to deviations in the expression level of its own genes from the natural one. Secondly, the use of bacterial membrane pyrophosphatase genes allows one to count on an additional increase in the efficiency of the pyrophosphate-dependent H + transport due to the possibility of incorporating the expressed enzyme not only into the vacuole membrane, but also into the external cell membrane, which should result in the removal of sodium ions from the cell to the outside into the extracellular space. In addition, the use of bacterial sources to obtain (clone?) Genes is technologically preferable.
До настоящего времени предлагаемый авторами настоящего изобретения подход к решению задачи получения трансгенных растений с улучшенными хозяйственно-ценными свойствами не применялся.To date, the proposed by the authors of the present invention approach to solving the problem of obtaining transgenic plants with improved economically valuable properties has not been applied.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
При создании настоящего изобретения ставилась задача разработки надежного и эффективного способа улучшения хозяйственно-ценных признаков растений и/или повышения солеустойчивости. Этот способ состоит во включении в геном растения гена мембранной H+-пирофосфатазы прокариотического происхождения, в частности, из бактерии Rhodospirillum rubrum.When creating the present invention, the task was to develop a reliable and effective way to improve economically valuable traits of plants and / or increase salt tolerance. This method consists in incorporating a gene of membrane H + pyrophosphatase of prokaryotic origin into the plant genome, in particular from the bacterium Rhodospirillum rubrum.
Результатом реализации изобретения является получение трансгенных растений (в одном из конкретных воплощений - растений табака), экспрессирующих ген мембранной H+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum, которые обладают ускоренным ростом растений. При этом у полученных трансгенных растений наблюдается повышение уровня солеустойчивости и другие, известные для случаев применения растительных пирофосфатаз, позитивные изменения хозяйственно-ценных признаков, а именно повышенная биологическая продуктивность, увеличение длины и массы корневой системы, а также массы листьев.The result of the invention is the production of transgenic plants (in one of the specific embodiments - tobacco plants) expressing the gene of the membrane H + pyrophosphatase Rhodospirillum rubrum, which have accelerated plant growth. At the same time, the obtained transgenic plants show an increase in the level of salt tolerance and others, known for cases of using plant pyrophosphatases, positive changes in economically valuable traits, namely, increased biological productivity, an increase in the length and weight of the root system, as well as leaf mass.
Однако в отличие от описанных ранее способов ускорения роста, повышения биологической продуктивности, увеличения длины и массы корневой системы, а также массы листьев, повышения солеустойчивости растений, основанных на экспрессии генов вакуолярных пирофосфатаз растений, способ по изобретению позволяет не просто обратимо локализовать ионы натрия в вакуолях, но понизить общее содержания натрия в растении за счет его выведения из клетки (см. пример 10), что имеет следствием получение более выраженного и стабильного эффекта. Кроме того, при осуществлении настоящего изобретения не было отмечено случаев получения аномальных результатов (торможение ростовых процессов, снижение биопродуктивности и солеустойчивости на фоне экспрессии включившегося гена) вследствие активации посттрансляционного ген-сайленсинга, что также свидетельствует в пользу более высокой надежности и эффективности предложенного способа в сравнении с известными аналогами. Очевидно, что указанные преимущества достигаются за счет использования гена мембранной пирофосфатазы бактериального, а не растительного происхождения.However, in contrast to the previously described methods of accelerating growth, increasing biological productivity, increasing the length and weight of the root system, as well as the mass of leaves, increasing the salt tolerance of plants based on the expression of genes of vacuolar pyrophosphatases of plants, the method according to the invention allows not only reversibly localizing sodium ions in vacuoles , but to lower the total sodium content in the plant due to its elimination from the cell (see example 10), which results in a more pronounced and stable effect. In addition, in the implementation of the present invention, there were no cases of obtaining abnormal results (inhibition of growth processes, decreased bio-productivity and salt tolerance against the background of expression of the included gene) due to activation of post-translational gene silencing, which also indicates the higher reliability and effectiveness of the proposed method in comparison with well-known analogues. Obviously, these advantages are achieved through the use of a membrane pyrophosphatase gene of bacterial rather than plant origin.
Предлагаемый способ улучшения хозяйственно-полезных свойств и повышения солеустойчивости, основанный на использовании гена мембранной Н+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum, включает следующие стадии: а) конструирование вектора, обеспечивающего экспрессию целевого гена, б) трансформацию указанным вектором растительного материала и выращивание растений, в) молекулярно-биологический анализ растений на наличие введенного гена и уровень экспрессии кодируемого фермента и г) анализ фенотипических признаков трансгенных растений (роста и развития побегов и корневой системы, биопродуктивности, уровня солеустойчивости).The proposed method for improving economic useful properties and increasing salt tolerance, based on the use of the Rhodospirillum rubrum membrane H + pyrophosphatase gene, includes the following steps: a) constructing a vector for the expression of the target gene, b) transforming the plant material with the indicated vector and growing plants, c) molecular biological analysis of plants for the presence of the introduced gene and the level of expression of the encoded enzyme; and d) analysis of phenotypic traits of transgenic plants (growth and development obegov and root systems, bio-productivity, salt tolerance level).
В качестве исходных форм в способе по изобретению для трансформации могут использоваться различные виды растений. В конкретном воплощении, результаты которого приведены в экспериментальной части описания, использовали растения табака (Nicotiana tabacum).Various types of plants can be used as starting forms in the method of the invention for transformation. In a specific embodiment, the results of which are given in the experimental part of the description, tobacco plants (Nicotiana tabacum) were used.
Ген мембранной пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum (SEQ ID № AF 044912) может быть выделен из генома этой бактерии, в частности получен путем ПЦР с использованием праймеров PR1 (5'-ATGGCTGGCATCTATCTTTTCG) и PR2 (5'-TTAGTGGGCCAGCACCGCCA). Векторные конструкции для переноса гена мембранной Н+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum в растительные клетки подбирают в зависимости от выбранной формы растения и метода его генетической трансформации. Примеры некоторых плазмидных конструкций, которые могут быть использованы в способе по изобретению, приведены в табл.2.The membrane pyrophosphatase gene Rhodospirillum rubrum (SEQ ID No. AF 044912) can be isolated from the genome of this bacterium, in particular, obtained by PCR using primers PR1 (5'-ATGGCTGGCATCTATCTTTTTCG) and PR2 (5'-TTAGTGGGCCACCCAC. The vector constructs for the transfer of the Rhodospirillum rubrum membrane H + pyrophosphatase gene into plant cells are selected depending on the chosen form of the plant and the method of its genetic transformation. Examples of some plasmid constructs that can be used in the method of the invention are shown in Table 2.
Для введения гена в клетки растений в предлагаемом способе применимы по существу любые известные методы: агробактериальная трансформация; бомбардировка микрочастицами; использование векторов на основе вирусов; прямое введение генов в протопласты растений; микроинъекции; электропорация. В предлагаемом варианте получения трансгенных растений табака наилучшие результаты были получены при использовании агробактериальной трансформации, проводившейся, как и последующее выращивание растений, по стандартной методике (см. пример 2). При этом из трех выращенных в условиях in vivo и взятых для трансформации растений было получено 120 первичных трансформантов, из которых, по данным молекулярно-биологического анализа, 25 содержали ген бактериальной пирофосфатазы, уровень экспрессии которого варьировал.To introduce a gene into plant cells in the proposed method, essentially any known methods are applicable: agrobacterial transformation; microparticle bombardment; the use of virus-based vectors; direct introduction of genes into plant protoplasts; microinjection; electroporation. In the proposed embodiment for the production of transgenic tobacco plants, the best results were obtained using agrobacterial transformation, which was carried out, as well as subsequent plant growth, according to the standard method (see example 2). Of the three plants grown in vivo and taken for transformation, 120 primary transformants were obtained, of which, according to molecular biological analysis, 25 contained the bacterial pyrophosphatase gene, the expression level of which varied.
При этом результаты исследования роста и развития побегов и корневой системы, биопродуктивности, а также солеустойчивости трансгенных растений показали, что лучшие показатели изменения названных свойств демонстрируют растения с наиболее высоким уровнем экспрессии гена H+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum.Moreover, the results of a study of the growth and development of shoots and root system, bio productivity, and also salt tolerance of transgenic plants showed that the plants with the highest level of expression of the Rhodospirillum rubrum H + pyrophosphatase gene show the best indicators of changes in these properties.
Таким образом, предлагаемое изобретение относится к а) способу получения трансгенного растения с улучшенными хозяйственно-ценными свойствами (в частности, ускоренным ростом, увеличенной длиной и массой корневой системы и большей массой листьев, повышенной устойчивостью к засолению), осуществляемому путем введения в геном растения экзогенного гена пирофосфатазы, отличающегося тем, что в качестве транформирующего агента используют ген мембранной пирофосфатазы бактерии Rhodospirillum rubrum, б) полученному этим способом трансгенному растению, обладающему улучшенными хозяйственно-ценными свойствами (ускоренным ростом, и/или увеличенной длиной и массой корневой системы, и/или большей массой листьев, и/или повышенной биологической продуктивностью, и/или повышенной устойчивостью к засолению); в) клетке трансгенного растения, которая содержит ген мембранной пирофосфатазы бактерии Rhodospirillum rubrum и продуцирует кодируемый названным геном фермент, и г) потомству полученного трансгенного растения, сохранившему в ряду поколений ген мембранной пирофосфатазы бактерии Rhodospirillum rubrum и определяемые названным геном фенотипические признаки.Thus, the present invention relates to a) a method for producing a transgenic plant with improved economically valuable properties (in particular, accelerated growth, increased length and weight of the root system and greater mass of leaves, increased resistance to salinization), carried out by introducing exogenous pyrophosphatase gene, characterized in that the membrane pyrophosphatase gene of the bacterium Rhodospirillum rubrum is used as a transforming agent, b) a transgenic plant obtained by this method, possessing improved economically valuable properties (accelerated growth, and / or increased length and mass of the root system, and / or greater mass of leaves, and / or increased biological productivity, and / or increased resistance to salinization); c) a cell of a transgenic plant that contains the membrane pyrophosphatase gene of the bacterium Rhodospirillum rubrum and produces an enzyme encoded by the named gene, and d) the offspring of the obtained transgenic plant, which has preserved the gene of the membrane pyrophosphatase of the bacterium Rhodospirillum rubrum and phenotypic characters determined by the named gene.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1 - схема переноса гена bar с терминатором из плазмиды pBIBar в pUC19.Figure 1 - scheme of the transfer of the bar gene with the terminator from plasmid pBIBar in pUC19.
Фиг.2 - ПЦР - амплификация Pnos промотера и создание в векторе pUC19 кассеты экспрессии nosP-bar-nosT.Figure 2 - PCR amplification of the Pnos promoter and the creation in the pUC19 vector of the expression cassette nosP-bar-nosT.
Фиг.3 - схема замены кассеты nosP-nptII-nosT на nosP-bar-nosT в векторе pBIBar.Figure 3 is a diagram of the replacement of the cassette nosP-nptII-nosT with nosP-bar-nosT in the vector pBIBar.
Фиг.4 - схема клонирования гена H+-пирофосфатазы R.rubrum из плазмиды pET22RPP в полученный вектор pNR.Figure 4 - scheme of the cloning of the gene H + -pyrophosphatase R.rubrum from the plasmid pET22RPP in the resulting vector pNR.
Фиг.5 - результаты электрофоретического анализа продуктов ПЦР-амплификации на наличие части гена BAR (праймеры BARATF и BARATR) размером 350 п.о.Figure 5 - results of electrophoretic analysis of PCR amplification products for the presence of a portion of the BAR gene (BARATF and BARATR primers) of 350 bp.
М - маркер; -к - ПЦР на ДНК исходного сорта; +к - ПЦР на плазмидной ДНК Samsun NN; 0 - проба без матрицы; 1-12 - ПЦР на ДНК первичных трансформантов.M is a marker; -c - PCR for DNA of the original variety; + k - PCR on plasmid DNA Samsun NN; 0 - sample without a matrix; 1-12 - PCR for DNA of the primary transformants.
Фиг.6 - результаты электрофоретического анализа продуктов ПЦР-амплификации на наличие части гена RPP (SB1 RPP11) размером 300 п.о.6 - the results of electrophoretic analysis of PCR amplification products for the presence of part of the RPP gene (SB1 RPP11) of 300 bp
М - маркер; - к - ПЦР на ДНК исходного сорта; +к - ПЦР на плазмидной ДНК Samsun NN; 0 - проба без матрицы; 1-12 - ПЦР на ДНК первичных трансформантов.M is a marker; - k - PCR for DNA of the original variety; + k - PCR on plasmid DNA Samsun NN; 0 - sample without a matrix; 1-12 - PCR for DNA of the primary transformants.
Фиг.7 - результаты электрофоретического анализа продуктов ПЦР-амплификации на наличие части гена RPP (NOSR-RPP12) размером 490 п.о.Fig.7 - the results of electrophoretic analysis of PCR amplification products for the presence of part of the RPP gene (NOSR-RPP12) of 490 bp
М - маркер; -к - ПЦР на ДНК исходного сорта; +к - ПЦР на плазмидной ДНК Samsun NN; 0 - проба без матрицы; 1-12 - ПЦР на ДНК первичных трансформантов.M is a marker; -c - PCR for DNA of the original variety; + k - PCR on plasmid DNA Samsun NN; 0 - sample without a matrix; 1-12 - PCR for DNA of the primary transformants.
Фиг.8 - результаты Вестерн-блот анализа контрольных и трансгенных растений табака.Fig. 8 shows the results of a Western blot analysis of control and transgenic tobacco plants.
1, 2 - растения исходного сорта Samsun NN; 3-6 - трансгенные растения табака (линии RPP08, RPP12, RPP04 и RPP06 соответственно).1, 2 - plants of the original cultivar Samsun NN; 3-6 - transgenic tobacco plants (lines RPP08, RPP12, RPP04 and RPP06, respectively).
Фиг.9 - содержание хлорофилла в листьях контрольных (светло-серый) и трансгенных (темно-серый) растений табака.Fig.9 - the content of chlorophyll in the leaves of the control (light gray) and transgenic (dark gray) tobacco plants.
Фиг.10 - всхожесть семенного материала контрольной (слева) и трансгенной (справа) линий табака на MS-среде с содержанием хлорида натрия 150 мм.Figure 10 - the germination of the seed of the control (left) and transgenic (right) tobacco lines on MS-environment with a sodium chloride content of 150 mm
Фиг.11 - влияние 125 мМ хлорида натрия на рост и развитие контрольных (1-3) и трансгенных (4-10) растений табака.11 - the effect of 125 mm sodium chloride on the growth and development of control (1-3) and transgenic (4-10) tobacco plants.
Фиг.12 - влияние 250 мМ хлорида натрия на рост и развитие контрольных (1-3) и трансгенных (4-10) растений табака.Figure 12 shows the effect of 250 mM sodium chloride on the growth and development of control (1-3) and transgenic (4-10) tobacco plants.
Фиг.13 - уровень накопления натрия в тканях контрольных (светло-серый) и трансгенной (темно-серый) линий табака, выращенных на MS-среде с различным содержанием хлорида натрия.Fig. 13 shows the level of sodium accumulation in the tissues of the control (light gray) and transgenic (dark gray) tobacco lines grown on MS medium with different contents of sodium chloride.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Далее приводятся конкретные примеры осуществления изобретения, которые не могут рассматриваться как ограничивающие его объем.The following are specific examples of the invention, which cannot be construed as limiting its scope.
Пример 1. Конструирование вектора, обеспечивающего экспрессию целевого гена.Example 1. Construction of a vector for the expression of the target gene.
Для получения рекомбинантного бинарного вектора была использована плазмида pBIBar. Данная плазмида содержит две кассеты экспрессии: первая несет ген bar, кодирующий синтез фосфинотрицинацетилтрансферазы, определяющий устойчивость к гербициду биалофосу, находящийся под контролем 358-промотера вируса мозаики цветной капусты и nosT терминатора гена нопалинсинтетазы. Вторая содержит ген устойчивости к канамицину nptII, кодирующего синтез аминогликозид-3'-фосфотрансферазы под контролем nosP промотера и nosT терминатора.To obtain a recombinant binary vector, the plasmid pBIBar was used. This plasmid contains two expression cassettes: the first carries the bar gene, which encodes the synthesis of phosphinotricin acetyl transferase, which determines the herbicide resistance of bialophos, which is controlled by the 358 promoter of cauliflower mosaic virus and the nosT of the nopalin synthetase gene terminator. The second contains the nptII kanamycin resistance gene, which encodes the synthesis of aminoglycoside-3'-phosphotransferase under the control of the nosP promoter and nosT terminator.
На первом этапе ген BAR с терминатором из плазмиды pBIBar был перенесен в вектор pUC19. Плазмиды pUC19 и pBIBar расщепляли с помощью рестриктаз BamHI и EcoRI. После выделения необходимых фрагментов ДНК из агарозного геля, лигирования и трансформации штамма Е. coli DH10B с отбором трансформантов по устойчивости к ампициллину получена плазмида pUC19B-T, содержащая вставку bar-позТ (фиг.1).At the first stage, the BAR gene with the terminator from plasmid pBIBar was transferred to the vector pUC19. Plasmids pUC19 and pBIBar were digested with restriction enzymes BamHI and EcoRI. After isolation of the necessary DNA fragments from the agarose gel, ligation and transformation of E. coli strain DH10B with selection of transformants for ampicillin resistance, the plasmid pUC19B-T containing the bar-posT insert was obtained (Fig. 1).
В составе плазмиды pUC19 сконструирована кассета nosP-bar-nosT. Проведена ПЦР - амплификации nosP промотора. Затем необходимый фрагмент ДНК, содержащий nosP (размером 361 п.н.), выделяли из агарозного геля, обрабатывали эндонуклеазами HindIII и BglII и лигировали с вектором pUC19, расщепленным ферментами HindIII и BamHI. Полученной дотированной смесью трансформировали штамм DH10B с отбором трансформантов по устойчивости к ампициллину. В результате отобрана плазмида pUCP-B-T, содержащая кассету экспрессии nosP-bar-nosT (фиг.2). Корректность процедур амплификации и клонирования подтверждена с помощью секвенирования nosP - промотера.The nosP-bar-nosT cassette was constructed as part of the pUC19 plasmid. PCR amplification of the nosP promoter was performed. Then, the desired DNA fragment containing nosP (361 bp in size) was isolated from an agarose gel, treated with HindIII and BglII endonucleases, and ligated with the pUC19 vector digested with HindIII and BamHI enzymes. The obtained subsidized mixture transformed strain DH10B with selection of transformants for ampicillin resistance. As a result, the pUCP-B-T plasmid containing the nosP-bar-nosT expression cassette was selected (FIG. 2). The correctness of amplification and cloning procedures was confirmed by sequencing the nosP promoter.
Кассета nosP-bar-nosT клонирована в составе вектора pBIBar. Плазмиду pUCP-B-T обрабатывали эндонуклеазами PmeI и NdeI. После выделения из агарозного геля необходимый фрагмент ДНК лигировали с плазмидой pBIBar, обработанной PmeI и VspI. Полученным продуктом трансформировали штамм E.coli DH10B с отбором трансформантов по устойчивости к канамицину. В результате рестрикционного анализа плазмидной ДНК, выделенной из клонов трансформантов, отобрана плазмида pNR (фиг.3).The nosP-bar-nosT cassette is cloned as part of the pBIBar vector. Plasmid pUCP-B-T was treated with PmeI and NdeI endonucleases. After isolation from the agarose gel, the desired DNA fragment was ligated with the plasmid pBIBar treated with PmeI and VspI. The resulting product was transformed with E. coli strain DH10B with selection of transformants for resistance to kanamycin. As a result of restriction analysis of plasmid DNA isolated from transformant clones, the pNR plasmid was selected (FIG. 3).
На заключительном этапе клонировали ген Н+пирофосфотазы R.rubrum из плазмиды pET22RPP в полученный вектор pNR. ДНК pET-RPP обрабатывали с помощью эндонуклеазы XhoI и застраивали липкие концы с помощью фрагмента Кленова. Полученный препарат обрабатывали рестриктазой XbaI. Фрагмент ДНК, несущий ген Н+-пирофосфатазы выделяли из агарозного геля и лигировали с вектором pBI-NR, обработанным эндонуклеазами Ес1136II и XbaI. Полученной лигазной смесью трансформировали штамм E.coli DH10B с отбором трансформантов по устойчивости к ампициллину. В результате рестрикционного анализа плазмидной ДНК, выделенной из клонов трансформантов, отобрана плазмида pNR-RPP, содержащая ген Н+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum. (фиг.4). Корректность процедуры клонирования пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum в составе вектора pBI-NR подтверждена с помощью секвенирования вставки.At the final stage, the R.rubrum H + pyrophosphotase gene was cloned from the plasmid pET22RPP into the resulting pNR vector. PET-RPP DNA was treated with an XhoI endonuclease and sticky ends were built up using a Klenov fragment. The resulting preparation was treated with restriction enzyme XbaI. A DNA fragment carrying the H + pyrophosphatase gene was isolated from an agarose gel and ligated with the pBI-NR vector treated with endonuclease Ec1136II and XbaI. The E. coli strain DH10B was transformed with the obtained ligase mixture with selection of transformants for ampicillin resistance. As a result of restriction analysis of plasmid DNA isolated from transformant clones, the pNR-RPP plasmid containing the Rhodospirillum rubrum H + pyrophosphatase gene was selected. (figure 4). The correctness of the procedure for cloning the pyrophosphatase of Rhodospirillum rubrum in the vector pBI-NR was confirmed by sequencing of the insert.
Плазмиду pNRRPP перенесли в штамм Agrobacterium tumefaciens GV3101 методом трехродительской конъюгации [13].Plasmid pNRRPP was transferred to the Agrobacterium tumefaciens GV3101 strain by three parent conjugation [13].
Бактериальные штаммы, использованные в работеTable 1
Bacterial strains used in the work
Плазмиды, использованные в работеtable 2
Plasmids used in the work
Для проведения ПЦР-амплификации nosP промотера использовали синтетические олигонуклеотиды, Pnos1 (CCCAAGCTTGTTTAAACTGAAGCCGGGA) и Pnos2 (GAAGATCTCGATCCAGATCCGGTGCA).Synthetic oligonucleotides, Pnos1 (CCCAAGCTTGTTTAAACTGAAGCCGGGA) and Pnos2 (GAAGATCTCGATCCAGATCCGGTGCA) were used to perform PCR amplification of the nosP promoter.
Все манипуляции с ДНК - субклонирование в плазмидные вектора, ПЦР-амплификацию, секвенирование, лигирование и т.п. проводили согласно общепринятым методикам [18].All DNA manipulations are subcloning into plasmid vectors, PCR amplification, sequencing, ligation, etc. carried out according to standard methods [18].
Пример 2. Создание трансгенных растений табака.Example 2. The creation of transgenic tobacco plants.
Для создания трансгенных растений табака, экспрессирующих ген Н+пирофосфатазы, использовали метод агробактериальной трансформации. Растения Nicotiana tabacum сорт Samsun NN, выращенные в условиях in vitro трансформировали по стандартной методике [19]. В ходе трансформационных экспериментов получили 120 первичных трансформантов, прошедших отбор на среде, содержащей селективный агент фосфинотрицин - 5 мг/л.To create transgenic tobacco plants expressing the H + pyrophosphatase gene, the method of agrobacterial transformation was used. Plants of Nicotiana tabacum cultivar Samsun NN grown in vitro were transformed according to standard methods [19]. In the course of transformation experiments, 120 primary transformants were obtained that were selected on a medium containing a selective agent phosphinotricin - 5 mg / L.
Пример 3. Молекулярно-биологический анализ полученных первичных трансформантов.Example 3. Molecular biological analysis of the obtained primary transformants.
Молекулярно-биологический анализ включал в себя ПЦР-анализ на наличие части гена BAR и частей гена RPP, а также определение уровня экспрессии методом Вестерн-блот.Molecular biological analysis included PCR analysis for the presence of part of the BAR gene and parts of the RPP gene, as well as determination of the expression level by Western blot.
ПЦР-анализPCR analysis
Для ПЦР-анализа генома растений на наличие части гена BAR были использованы праймеры:For PCR analysis of the plant genome for the presence of part of the BAR gene, primers were used:
BarAtF: 5' ggc gga cat gcc ggc ggt ctg cac сBarAtF: 5 'ggc gga cat gcc ggc ggt ctg cac with
BarAtR: 5' cag ccc gat gac agc gac cac gct сBarAtR: 5 'cag ccc gat gac agc gac cac gct with
Условия проведения ПЦР: горячий старт: 1 цикл - 95°С - 1 мин; 40 циклов: 95°С - 30 сек, 65°С - 30 сек, 72°С - 30 сек.Conditions for PCR: hot start: 1 cycle - 95 ° C - 1 min; 40 cycles: 95 ° С - 30 sec, 65 ° С - 30 sec, 72 ° С - 30 sec.
Данные электрофоретического анализа продуктов ПЦР-амплификации показали наличие части гена BAR размером 350 п.о. у 32 трансформантов (фиг.5). Данные трансформанты отобрали для дальнейшей работы.The data of electrophoretic analysis of PCR amplification products showed the presence of a portion of the 350 bp BAR gene. in 32 transformants (Fig. 5). These transformants were selected for further work.
Для ПЦР-анализа генома этих растений на наличие частей гена RPP подобрали и использовали две пары праймеров:For PCR analysis of the genome of these plants for the presence of parts of the RPP gene, two pairs of primers were selected and used:
Sb1: cca cta tcc tcc gca aga ccc ttc сSB1: cca cta tcc tcc gca aga ccc ttc s
RPP11: gac ggc gat gtt ctt gta ctg acg aRPP11: gac ggc gat gtt ctt gta ctg acg a
Условия проведения ПЦР:PCR conditions:
40 циклов (95°С - 30 сек; 68°С - 30 сек; 72°С - 30 сек) и окончательная полимеризация - 7 минут.40 cycles (95 ° C - 30 sec; 68 ° C - 30 sec; 72 ° C - 30 sec) and final polymerization - 7 minutes.
RPP12: саа gaa gta cat cga aga cgRPP12: saa gaa gta cat cga aga cg
NOS-R: tta tcc tag ttt gcg cgc taNOS-R: tta tcc tag ttt gcg cgc ta
Условия проведения ПЦР:PCR conditions:
40 циклов (95°С - 30 сек; 55°С - 30 сек; 72°С - 30 сек) и окончательная полимеризация - 7 минут.40 cycles (95 ° C - 30 sec; 55 ° C - 30 sec; 72 ° C - 30 sec) and final polymerization - 7 minutes.
Данные электрофоретического анализа продуктов ПЦР-амплификации показали наличие частей гена RPP размером: Sb1-RPP11 - 300 п.о. (фиг.6) и NOSR-RPP12 - 490 п.о. у 25 трансформантов (фиг.7).The data of electrophoretic analysis of PCR amplification products showed the presence of parts of the RPP gene in size: Sb1-RPP11 - 300 bp (Fig.6) and NOSR-RPP12 - 490
Проведение ПЦР-анализа осуществляли с использованием ДНК-амплификатора («Techne Genius»).PCR analysis was performed using a DNA amplifier ("Techne Genius").
Состав реакционной смеси для ПЦР:The composition of the reaction mixture for PCR:
- Праймеры - по 2 мкл каждого;- Primers - 2 μl each;
- 10Х буфер-2 мкл;- 10X buffer-2 μl;
- 10Х dNТР-2 мкл;- 10X dNTP-2 μl;
- Taq полимераза - 1 единица;- Taq polymerase - 1 unit;
- ДНК-матрица - 1 мкл;- DNA matrix - 1 μl;
- Н2O - 11 мкл.- H 2 O - 11 μl.
В качестве матрицы использовали выделенные образцы геномной ДНК.As a matrix, isolated genomic DNA samples were used.
Выделение ДНК осуществляли следующим способом. 20-100 мг растительной ткани (фрагменты листовых пластинок) растирали в гомогенизаторе в 120 мкл буфера I (50 mM Tris HCl, рН8.0; 10 mМ EDTA; 50 мкг/мл панкреатической РНКазы, предварительно подогретой 30 минут на кипящей водяной бане) до получения гомогенной суспензии. Затем к гомогенату добавляли 125 мкл лизирующего буфера II (0.2 М NaOH; 1% додецил сульфата Na). Полученную смесь обрабатывали в шейкере 2 минуты при комнатной температуре, перенесли в пробирки, которые помещали в термостат и инкубировали при 65°С в течение 45 минут. По окончании инкубации лизат охлаждали до температуры 20-25°С и добавляли в каждую пробирку по 125 мкл нейтрализующего раствора III (2.5 mM ацетата К, рН 4.5). Содержимое пробирок тщательно перемешивали на шейкере и центрифугировали при 14000 об/мин в течение 10 минут. Надосадочную жидкость перенесли в новые микроцентрифужные пробирки, содержащие 500 мкл смолы Wizard MaxiPreps и далее выделяли ДНК согласно рекомендациям фирмы Promega для набора Wizard Preps.DNA isolation was carried out as follows. 20-100 mg of plant tissue (fragments of leaf blades) were ground in a homogenizer in 120 μl of buffer I (50 mM Tris HCl, pH8.0; 10 mM EDTA; 50 μg / ml pancreatic RNase, preheated for 30 minutes in a boiling water bath) until obtaining a homogeneous suspension. Then, 125 μl of lysis buffer II (0.2 M NaOH; 1% Na dodecyl sulfate) was added to the homogenate. The resulting mixture was processed in a shaker for 2 minutes at room temperature, transferred to tubes, which were placed in a thermostat and incubated at 65 ° C for 45 minutes. At the end of the incubation, the lysate was cooled to a temperature of 20-25 ° C and 125 μl of neutralizing solution III (2.5 mM acetate K, pH 4.5) was added to each tube. The contents of the tubes were thoroughly mixed on a shaker and centrifuged at 14,000 rpm for 10 minutes. The supernatant was transferred to new microcentrifuge tubes containing 500 μl of Wizard MaxiPreps resin and DNA was further isolated according to the Promega recommendations for the Wizard Preps kit.
Для центрифугирования использовали настольную микроцентрифугу (Eppendorf 5415С) с максимальной скоростью вращения ротора 14000 об/мин. Термостатирование образцов осуществляли в сухом термостате («Термо 28-23»). Анализ продуктов ПЦР осуществляли методом электрофореза в агарозном геле при напряженности электрического поля 6 В/см с последующим окрашиванием гелей бромистым этидием (концентрация красящего раствора 1 мкг/мл в воде, время окрашивания - 20 минут при комнатной температуре) и фотографировали полученную картину в ультрафиолете (длина волны - 260-280 нм) цифровым фотоаппаратом. Обработку оцифрованной информации проводили при помощи пакета Adobe Photoshop 7.0.For centrifugation, a benchtop microcentrifuge (Eppendorf 5415C) was used with a maximum rotor speed of 14,000 rpm. Thermostating of the samples was carried out in a dry thermostat ("Thermo 28-23"). The analysis of PCR products was carried out by agarose gel electrophoresis at an electric field of 6 V / cm followed by staining of the gels with ethidium bromide (the concentration of the staining solution was 1 μg / ml in water, the staining time was 20 minutes at room temperature) and the resulting picture was photographed in ultraviolet wavelength - 260-280 nm) with a digital camera. Digitized information was processed using the Adobe Photoshop 7.0 package.
Заключение о встраивании в геном растения чужеродного гена делали на основании появления продукта ПЦР с ожидаемым (в зависимости от использованных специфических праймеров) размером.The conclusion about the incorporation of a foreign gene into the plant genome was made on the basis of the appearance of a PCR product with the expected size (depending on the specific primers used).
Вестерн-блот анализWestern blot analysis
Уровень экспрессии гена H+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum в трансгенных растениях табака поколения ТО определяли с помощью Вестерн-блотт анализа.The expression level of the Rhodospirillum rubrum H + pyrophosphatase gene in transgenic tobacco plants of the TO generation was determined using Western blot analysis.
Для выделения белковых препаратов листья трансгенных растений табака гомогенизировали в буфере (0.4 М сахароза, 50 мМ Трис рН 8.0, 10 мМ КСl, 5 мМ MgCl2, 10% глицерин, 10 мМ меркаптоэтанола). Полученный раствор центрифугировали 5000 g - 10 мин, осадок отбрасывали. Концентрацию белка в супернатанте определяли по Брэдфорду.To isolate protein preparations, the leaves of transgenic tobacco plants were homogenized in buffer (0.4 M sucrose, 50 mM Tris pH 8.0, 10 mM KCl, 5 mM MgCl 2 , 10% glycerol, 10 mM mercaptoethanol). The resulting solution was centrifuged 5000 g - 10 min, the precipitate was discarded. The protein concentration in the supernatant was determined by Bradford.
При проведении электрофоретического анализа в полиакриламидном геле на каждую дорожку наносили по 100 мкрг общего белка выделенного из 25 трансгенных растений и контрольного нетрансгенного растения табака.When conducting electrophoretic analysis in polyacrylamide gel, 100 μg of total protein isolated from 25 transgenic plants and a control non-transgenic tobacco plant were applied to each lane.
В результате проведенного анализа выявлено различие в уровне экспрессии гена Н+-пирофосфатазы у проанализированных трансформантов (фиг.8).The analysis revealed a difference in the level of expression of the H + pyrophosphatase gene in the analyzed transformants (Fig. 8).
Вестерн-блот анализ и связанные процедуры проводили, следуя указаниям производителей мембран и системы детекции (Amersham).Western blot analysis and related procedures were performed following the instructions of the manufacturers of membranes and detection systems (Amersham).
Пример 4. Получение семенного материала трансгенных растений табака - поколение Т1.Example 4. Obtaining seed of transgenic tobacco plants - generation T1.
Трансгенные растения табака с различным уровнем экспрессии гена Н+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum (T0), отобранные по результатам Вестерн-блот анализа, адаптировали к условиям in vivo и культивировали до получения семенного материала. Растения формировали соцветия на 45-50 день. Так как табак является самоопыляющейся культурой, скрещивание между различными линиями трансгенных растений табака Т0 было исключено. С каждого растения получили семенной материал - поколение Т1.Transgenic tobacco plants with different levels of Rhodospirillum rubrum (T0) H + pyrophosphatase gene expression, selected according to the results of Western blot analysis, were adapted to in vivo conditions and cultured to obtain seed. Plants formed inflorescences on day 45-50. Since tobacco is a self-pollinating crop, crosses between different lines of transgenic T0 tobacco plants were excluded. From each plant received seed material - generation T1.
Пример 5. Изучение влияния экспрессии гена мембранной Н+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum на рост и развитие побегов и корневой системы растений.Example 5. The study of the effect of gene expression of the membrane H + pyrophosphatase Rhodospirillum rubrum on the growth and development of shoots and root system of plants.
Для изучения влияния экспрессии гена мембранной H+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum на рост и развитие побегов и корневой системы контрольные и трансгенные растения табака выращивали в условиях in vivo.To study the effect of Rhodospirillum rubrum membrane H + pyrophosphatase gene expression on the growth and development of shoots and root system, control and transgenic tobacco plants were grown in vivo.
Часть растений в возрасте 6-7 настоящих листьев оценивали по следующим параметрам: длина корня, масса корня, масса листьев, соотношение массы корневой системы к массе листьев.Some plants aged 6–7 true leaves were evaluated by the following parameters: root length, root mass, leaf mass, ratio of the mass of the root system to the mass of leaves.
Сравнение контрольных и трансгенных растений табака, экспрессирующих ген мембранной H+-пирофосфатазы R.rubrum, показало, что трансгенные растения превышают контрольные по длине корневой системы в 2 раза, по массе корневой системы в 2,9 раза, по массе листьев в 2 раза (табл.3).Comparison of control and transgenic tobacco plants expressing the R.rubrum membrane H + pyrophosphatase gene showed that transgenic plants exceed the control system by 2 times the length of the root system, 2.9 times the weight of the root system, and 2 times the weight of the leaves ( table 3).
Сравнение роста и развития побегов и корневой системы контрольных и трансгенных растенийTable 3
Comparison of the growth and development of shoots and root system of control and transgenic plants
Оставшиеся растения выращивали в условиях in vivo до получения семенного материала - поколение Т2. Наблюдение за растениями показало, что количество листьев у трансгенных растений в 1,3 раза больше, чем у контрольных. Расстояние между междоузлиями у трансгенных растений уменьшается ближе к соцветию по сравнению с контрольными. Также отмечено, что начало фазы цветения у трансгенных растений наступает на 7-8 дней раньше, чем у контрольных растений.The remaining plants were grown in vivo to produce seed — T2 generation. Observation of plants showed that the number of leaves in transgenic plants is 1.3 times greater than in the control. The distance between internodes in transgenic plants decreases closer to the inflorescence in comparison with the control. It was also noted that the beginning of the flowering phase in transgenic plants occurs 7-8 days earlier than in control plants.
Полученные данные свидетельствуют, что экспрессия гена Н+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum стимулирует рост побегов и развитие корневой системы у трансгенных растений.The data obtained indicate that the expression of the Rhodospirillum rubrum H + pyrophosphatase gene stimulates shoot growth and root system development in transgenic plants.
Пример 6. Изучение влияния экспрессии гена мембранной Н+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum на биологическую продуктивность растений.Example 6. The study of the effect of gene expression of the membrane H + pyrophosphatase Rhodospirillum rubrum on the biological productivity of plants.
Сравнение полученного семенного материала - поколение Т2 (см. пример 5) показало, что количество семенных коробочек на трансгенных растениях больше в 1,9 раз по сравнению с контрольными, масса и количество семенного материла, собранного с трансгенных растений, больше в 1,5 раза соответственно (табл.4).Comparison of the obtained seed material - generation T2 (see Example 5) showed that the number of seed bolls on transgenic plants is 1.9 times more than the control ones, the weight and quantity of seed collected from transgenic plants is 1.5 times more respectively (table 4).
Сравнение массы и количества семенного материала, полученного с контрольных и трансгенных растенийTable 4
Comparison of the mass and quantity of seed obtained from control and transgenic plants
В таблице приведены средние значения показателей для контрольных и трансгенных растений.The table shows the average values for the control and transgenic plants.
Полученные данные могут свидетельствовать о том, что экспрессия гена Н+пирофосфатазы оказывает стимулирующее влияние на биологическую продуктивность растения.The data obtained may indicate that the expression of the H + pyrophosphatase gene has a stimulating effect on the biological productivity of the plant.
Пример 7. Определение содержания хлорофилла в листьях трансгенных растений, экспрессирующих ген мембранной Н+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum.Example 7. Determination of the chlorophyll content in the leaves of transgenic plants expressing the gene of the membrane H + pyrophosphatase Rhodospirillum rubrum.
Содержание хлорофилла в листьях контрольных и трансгенных растений определяли по стандартной методике [20].The chlorophyll content in the leaves of the control and transgenic plants was determined by the standard method [20].
Содержание хлорофилла определяли на стадии начала цветения, когда его уровень достигает своего максимального значения. С каждого растения были взяты по 10 проб. Пробы отбирались с 9 по 18 лист (снизу вверх), тем самым мы исключили из выборки самые нижние старые листья - с очень низким уровнем хлорофилла и самые верхние молодые листья - уровень хлорофилла которых очень высок. Опыт показал, что листья трансгенных растений содержат в 1,8 раз больше хлорофилла, чем контрольные растения (табл.5, фиг.9).The content of chlorophyll was determined at the beginning of flowering, when its level reaches its maximum value. 10 samples were taken from each plant. Samples were taken from the 9th to the 18th leaf (from bottom to top), thus we excluded from the sample the lowest old leaves - with a very low level of chlorophyll and the uppermost young leaves - whose chlorophyll level is very high. Experience has shown that the leaves of transgenic plants contain 1.8 times more chlorophyll than control plants (Table 5, Fig. 9).
Сравнение содержания хлорофилла в листьях контрольных и трансгенных растенийTable 5
Comparison of the content of chlorophyll in the leaves of control and transgenic plants
В таблице приведены средние значения показателей для контрольных и трансгенных растений.The table shows the average values for the control and transgenic plants.
Пример 8. Определение влияния различных концентраций хлорида натрия на рост и развитие контрольных и трансгенных растений, экспрессирующих ген Н+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum.Example 8. Determination of the effect of various concentrations of sodium chloride on the growth and development of control and transgenic plants expressing the Rhodospirillum rubrum H + pyrophosphatase gene.
Для определения влияния действия хлорида натрия на рост и развитие растений провели тестирование контрольных и трансгенных растений, предварительно выращенных на MS-среде без добавления соли до получения 3-4 настоящих листьев, а затем пересаженных в пробирки с питательной средой, содержащей различные концентрации хлорида натрия в диапазоне от 0 до 250 мМ (шаг 25 мМ). Оценку проводили по морфологическим признакам (рост, развитие побегов и корневой системы, интенсивность окраски листьев, появление некрозов и т.д.).To determine the effect of sodium chloride on the growth and development of plants, we tested control and transgenic plants, previously grown on MS medium without adding salt to obtain 3-4 true leaves, and then transplanted into tubes with a nutrient medium containing various concentrations of sodium chloride in range from 0 to 250 mm (step 25 mm). The assessment was carried out according to morphological characters (growth, development of shoots and root system, the intensity of leaf color, the appearance of necrosis, etc.).
Опыт показал, что различия по морфологическим признакам между контрольными и трансгенными растениями слабо проявлялись на концентрациях от 25 мМ до 100 мМ NaCl. Значительное различие в росте и развитии трансгенных и контрольных растений наблюдалось на концентрации 125 мМ и выше (фиг.10), а на концентрации 250 mM NaCl наблюдали полную гибель контрольных растений (фиг.11).Experience has shown that differences in morphological characters between control and transgenic plants were weakly manifested at concentrations from 25 mM to 100 mM NaCl. A significant difference in the growth and development of transgenic and control plants was observed at a concentration of 125 mM or higher (Fig. 10), and at a concentration of 250 mM NaCl, complete death of the control plants was observed (Fig. 11).
Пример 9. Определения уровня накопления натрия в тканях контрольных и трансгенных растений табака, экспрессирующих ген H+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrum.Example 9. Determining the level of sodium accumulation in the tissues of control and transgenic tobacco plants expressing the Rhodospirillum rubrum H + pyrophosphatase gene.
Содержание натрия в растительных тканях определяли с помощью плазменного фотометра. Для анализа использовали образцы тканей листьев контрольных и трансгенных растений, выращенных на питательной среде с различной концентрацией хлорида натрия в диапазоне от 0 до 250 мМ (шаг 25 мМ).The sodium content in plant tissues was determined using a plasma photometer. For analysis, we used leaf tissue samples of control and transgenic plants grown on a nutrient medium with various concentrations of sodium chloride in the range from 0 to 250 mm (step 25 mm).
Для получения проб надземную часть контрольных и трансгенных растений высушивали в течение 72 часов при температуре 65°С до постоянной массы. После гомогенизации сухих листьев экстракцию осуществляли 1М раствором НСl в течение 1 часа (из расчета: на 50 мг свежих листьев - 1 мл 1М НСl). После центрифугирования собранный супернатант использовали для анализа.To obtain samples, the aerial part of the control and transgenic plants was dried for 72 hours at a temperature of 65 ° C to constant weight. After homogenization of the dry leaves, extraction was carried out with a 1 M HCl solution for 1 hour (based on: 50 mg of fresh leaves - 1 ml of 1 M HCl). After centrifugation, the collected supernatant was used for analysis.
Анализ образцов показал, что содержание натрия в листьях трансгенных и контрольных растений существенно не отличается при выращивании растений на средах с концентрацией NaCl от 0 до 175 мМ (табл.6).Analysis of the samples showed that the sodium content in the leaves of transgenic and control plants does not significantly differ when plants are grown on media with NaCl concentrations from 0 to 175 mM (Table 6).
Количество натрия в мг на 1 г сухого веществаTable 6
The amount of sodium in mg per 1 g of dry matter
Однако при концентрации NaCl 200 мМ, когда наблюдалось практически полное угнетение роста контрольных растений, концентрация натрия в листьях контрольных растений по сравнению с трансгенными возрастает в 1,7 раза (фиг.12).However, at a NaCl concentration of 200 mM, when almost complete growth inhibition of the control plants was observed, the sodium concentration in the leaves of the control plants increased 1.7 times compared to transgenic plants (Fig. 12).
Библиографические данныеBibliographic data
1. Полевой В.В. // Фитогормоны. Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1982.1. Field V.V. // Phytohormones. L .: Publishing house of Leningrad University, 1982.
2. Jisheng Li, Haibing Yang, Wendy Ann Peer, Gregory Richter, Joshua Blakeslee, 3 Anindita Bandyopadhyay, Boosaree Titapiwantakun, Soledad Undurraga, Mariya Khodakovskaya, Elizabeth L. Richards, Beth Krizek, Angus S. Murphy, Simon Gilroy, Roberto Gaxiola. // Arabidopsis H-PPase AVP1 Regulates Auxin-Mediated Organ Development, Science, 2005, v.310. p.121.2. Jisheng Li, Haibing Yang, Wendy Ann Peer, Gregory Richter, Joshua Blakeslee, 3 Anindita Bandyopadhyay, Boosaree Titapiwantakun, Soledad Undurraga, Mariya Khodakovskaya, Elizabeth L. Richards, Beth Krizek, Angus S. Murphy, Simon Gaxola. // Arabidopsis H-PPase AVP1 Regulates Auxin-Mediated Organ Development, Science, 2005, v. 310. p. 121.
3. Zhang H-X., Blumwald E. // Transgenic salt-tolerant tomato plants accumulate salt in foliage but not in fruit. Nature Biotechnology, 2001, vol.19, p.765-768.3. Zhang H-X., Blumwald E. // Transgenic salt-tolerant tomato plants accumulate salt in foliage but not in fruit. Nature Biotechnology, 2001, vol. 19, p. 765-768.
4. Apse M.P., Aharon G.S., Sneddon W.A., Blumwald E. // Salt tolerance conferred by overexpression of avacuolar Na+/H+ antiport in Arabidopsis. Science, 1999, vol.285, p.1256-1258.4. Apse M.P., Aharon G.S., Sneddon W.A., Blumwald E. // Salt tolerance conferred by overexpression of avacuolar Na + / H + antiport in Arabidopsis. Science, 1999, vol. 285, p.1256-1258.
5. Gaxiola R, Li J, Undurraga S, Dang LM, Alien GJ, Alper SL, Fink GR. // Drought-and salt-tolerant plants result from overexpression of the AVP1 H+ pump. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 98, 2001, 11444±11449.5. Gaxiola R, Li J, Undurraga S, Dang LM, Alien GJ, Alper SL, Fink GR. // Drought-and salt-tolerant plants result from overexpression of the AVP1 H + pump. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 98, 2001, 11444 ± 11449.
6. R.A.Gaxiola, R.Rao, A.Sherman, P.Grisafi, S.L.Alper, G.R.Fink, The Arabidopsis thaliana proton transporters, AtNhxl and Avpl, can function in cation detoxification in yeast. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 1999, 1480-1485.6. R.A. Gaxiola, R. Rao, A. Sherman, P. Grisafi, S. L. Alper, G. R. Fink, The Arabidopsis thaliana proton transporters, AtNhxl and Avpl, can function in cation detoxification in yeast. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 1999, 1480-1485.
7. Matzke, M., Matzke, A.J., and Kooter, J.M. // RNA: Guiding gene silencing. Science 293, 2001, 1080-1083.7. Matzke, M., Matzke, A.J., and Kooter, J.M. // RNA: Guiding gene silencing. Science 293, 2001, 1080-1083.
8. Vance, V., and Vaucheret, H. // RNA silencing in plants-Defense and counterdefense. Science 292, 2001, 2277-2280.8. Vance, V., and Vaucheret, H. // RNA silencing in plants-Defense and counterdefense. Science 292, 2001, 2277-2280.
9. Voinnet, O. // RNA silencing as a plant immune system against viruses. Trends Genet. 17, 2001, 449-459.9. Voinnet, O. // RNA silencing as a plant immune system against viruses. Trends Genet 17, 2001, 449-459.
10. Waterhouse, P.M., Wang, M.B., and Lough, T.// Gene silencing as an adaptive defence against viruses. Nature 411, 2001, 834-842.10. Waterhouse, P.M., Wang, M.B., and Lough, T. // Gene silencing as an adaptive defense against viruses. Nature 411, 2001, 834-842.
11. Baulcombe, D. // RNA silencing. Curr. Biol. 12, 2002, R82-R84.11. Baulcombe, D. // RNA silencing. Curr. Biol. 12, 2002, R82-R84.
12. Drozdowicz Y.M., Rea P.A. // Vacuolar H+ pyrophosphatases: from the evolutionary backwaters into the mainstream. // Trends of Plant Science, 2001, vol.6, p.1360-1385.12. Drozdowicz YM, Rea PA // Vacuolar H + pyrophosphatases: from the evolutionary backwaters into the mainstream. // Trends of Plant Science, 2001, vol. 6, p. 1360-1385.
13. Van Haute E., et al., // EMBO J., 1983, V.2, P.411-418.13. Van Haute E., et al., // EMBO J., 1983, V.2, P.411-418.
14. Grant SGN., Jessee J., Bloom FR., and Hanahan D. // PNAS 87, 1990, 4645-4649.14. Grant SGN., Jessee J., Bloom FR., And Hanahan D. // PNAS 87, 1990, 4645-4649.
15. Yanisch-perron, С., Vieira, J., and Messing, J. // Gene 33, 1985, 103-119.15. Yanisch-perron, C., Vieira, J., and Messing, J. // Gene 33, 1985, 103-119.
16. Падегимас, Л. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук. Москва, 1993.16. Padegimas, L. // Abstract of dissertation for the degree of candidate of chemical sciences. Moscow, 1993.
17. Baltscheffsky M, Nadanaciva S, Schultz A. // Biochim Biophys Acta. May 27; 1364(3): 301-6, 1998.17. Baltscheffsky M, Nadanaciva S, Schultz A. // Biochim Biophys Acta. May 27; 1364 (3): 301-6, 1998.
18. Sambrook, J., Fritsch E.F., and Maniatis, T. // Molecular cloning: a laboratory manual, 2nd ed. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, N.Y, 1989.18. Sambrook, J., Fritsch E.F., and Maniatis, T. // Molecular cloning: a laboratory manual, 2nd ed. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, N.Y., 1989.
19. Дрейпер Дж., Скотт Р., Уолден Р. // В сб.: Генетическая инженерия растений. Москва: Мир, 1991, 119-130.19. Draper J., Scott R., Walden R. // In Sat: Genetic Engineering of Plants. Moscow: Mir, 1991, 119-130.
20. Amon D.I.// Plant Physiology, 1949, V.24, 1-6.20. Amon D.I. // Plant Physiology, 1949, V.24, 1-6.
Список сокращенийList of abbreviations
AVP1 - ген вакуолярной Н+-пирофосфатазы Arabidopsis thalianaAVP1 - gene vacuolar H + pyrophosphatase Arabidopsis thaliana
RPP - ген мембранной H+-пирофосфатазы Rhodospirillum rubrumRPP - Rhodospirillum rubrum membrane H + pyrophosphatase gene
Bar - ген, кодирующий фосфинотрицинацетилтрансферазу иBar is a gene encoding phosphinotricin acetyltransferase and
обеспечивающий устойчивость к гербицидам на основе L-фосфинотрицинаproviding herbicide resistance based on L-phosphinotricin
H+-АТФаза - аденозинтрифосфат-зависимая протонная помпаH + -ATPase - adenosine triphosphate-dependent proton pump
ИУК (IAA) - индолил-3-уксусная кислотаIAA (IAA) - Indolyl-3-Acetic Acid
NaCl - хлорид натрияNaCl - Sodium Chloride
Na+ - ион натрияNa + - sodium ion
Н+ - протонH + - proton
ПЦР - полимеразная цепная реакцияPCR - polymerase chain reaction
MS-среда - питательная среда Muraashige and ScoogMS Environment - Muraashige and Scoog Culture Media
мкг - микрограммmcg - micrograms
мг - миллиграммmg - milligram
мкл - микролитрμl - microliter
об/мин - обороты в минутуrpm - revolutions per minute
В/см - вольт на сантиметрV / cm - volt per centimeter
t - температураt - temperature
л - литрl - liter
мл - миллилитрml - milliliter
°С - градусы по Цельсию° C - degrees Celsius
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008139513/13A RU2378379C1 (en) | 2008-10-07 | 2008-10-07 | Use of membrane pyrophosphotase gene of bacterium rhodospirillum rubrum for changing plant properties |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008139513/13A RU2378379C1 (en) | 2008-10-07 | 2008-10-07 | Use of membrane pyrophosphotase gene of bacterium rhodospirillum rubrum for changing plant properties |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2378379C1 true RU2378379C1 (en) | 2010-01-10 |
Family
ID=41644199
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008139513/13A RU2378379C1 (en) | 2008-10-07 | 2008-10-07 | Use of membrane pyrophosphotase gene of bacterium rhodospirillum rubrum for changing plant properties |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2378379C1 (en) |
-
2008
- 2008-10-07 RU RU2008139513/13A patent/RU2378379C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
PROC NATL ACAD USA, 2001, 98(20), 11444-9. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109627302B (en) | Soybean photosynthesis related gene GmGRF5-1 and encoding protein and application thereof | |
CN107674873B (en) | Wheat heat shock transcription factor gene TaHsfA2i, and coding protein and application thereof | |
CN101182523A (en) | Plants flower pesticide specificity promoter and uses thereof | |
BR112019025744A2 (en) | method for improving plant transformation efficiency and method for transforming plant | |
CN100532554C (en) | Plant anther specific promoter and its application | |
CN110804090B (en) | Protein CkWRKY33 and coding gene and application thereof | |
CN113372423A (en) | Application of wild soybean Bet _ v _1 family gene GsMLP328 | |
CN110564740B (en) | A gene AtPIP2 for improving disease resistance of plants; 7 and uses thereof | |
CN114736280B (en) | Application of ZmROA1 protein in regulation and control of plant tolerance | |
CN114085854B (en) | Drought-resistant and salt-tolerant gene OsSKL2 for rice and application thereof | |
CN112143737B (en) | Application of OsbZIP62-VP64 fusion expression in improving agronomic traits of rice | |
RU2378379C1 (en) | Use of membrane pyrophosphotase gene of bacterium rhodospirillum rubrum for changing plant properties | |
CN111909937B (en) | Rice drought-tolerant gene OsUGT55 and application thereof | |
CN112195187B (en) | Rice tillering angle regulation gene and protein coded by same and application of gene | |
CN111499709B (en) | RGN1 protein related to grain number per ear of rice as well as encoding gene and application thereof | |
CN114540373A (en) | Gene for reducing cadmium content in rice grains and application thereof | |
CN102337276B (en) | Non-fertilization endosperm autonomous initiation gene for rice and application of gene | |
CN114686488A (en) | Rice salt-tolerant stress gene OsAGL16 and application of encoding protein thereof | |
JP2000157287A (en) | Na+/H+ ANTIPORTER PROTEIN AND GENE CODING FOR THE SAME | |
CN111718942A (en) | Rice salt tolerance related gene GT3 and application thereof | |
AU2021101533A4 (en) | APPLICATION OF OsbZIP62-VP64 FUSION EXPRESSION IN IMPROVING AGRONOMIC TRAITS OF RICE | |
CN114214334B (en) | Application of gene EsH2A.3 from salt mustard in regulation and control of salt tolerance of plants | |
CN102260685A (en) | Application of chili CaWRKY40 gene in tobacco high temperature resistant gene engineering | |
CN113913441B (en) | Application of rice nascent polypeptide binding complex alpha subunit NACA gene in osmotic stress resistance of plants | |
CN113278056B (en) | Salt-tolerant CIN transcription factor gene and application |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20180921 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201008 |