научная статья по теме ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНСГЕННЫХ РАСТЕНИЙ РАПСА, ЭКСПРЕССИРУЮЩИХ ГЕН АНТИМИКРОБНОГО ПЕПТИДА ЦЕКРОПИНА Р1 Биология

Текст научной статьи на тему «ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНСГЕННЫХ РАСТЕНИЙ РАПСА, ЭКСПРЕССИРУЮЩИХ ГЕН АНТИМИКРОБНОГО ПЕПТИДА ЦЕКРОПИНА Р1»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2013, том 60, № 3, с. 424-433

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 581.1

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНСГЕННЫХ РАСТЕНИЙ РАПСА, ЭКСПРЕССИРУЮЩИХ ГЕН АНТИМИКРОБНОГО ПЕПТИДА

ЦЕКРОПИНА Р1

© 2013 г. Н. С. Захарченко*, Я. И. Бурьянов*, А. А. Лебедева*, С. В. Пиголева*, Д. В. Ветошкина**, Е. В. Локтюшов***, М. А. Чепурнова**, В. Д. Креславский****, А. А. Кособрюхов****

*Филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Пущино, Московская обл. **Учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет", Тула ***Пущинский государственный естественно-научный институт, Пущино, Московская обл.

****Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт фундаментальных проблем биологии

РАН, Пущино, Московская обл.

Поступила в редакцию 27.07.2012 г.

Получены и исследованы трансгенные растения рапса масличного (Brassica napus L.) с искусственным геном антимикробного пептида цекропина Р1 (сесР1). Агробактериальную трансформацию проводили методом вакуумной инфильтрации семян агробактериями GV3101(pMP90RK), содержавшими бинарный вектор рОЛ482::сесР1. Экспрессия гена сесР1 в канамицин-устойчивых растениях показана вестерн-блот анализом и подтверждена определением антимикробной активности растительных экстрактов. Полученные растения проявляли устойчивость к бактериальным и грибным фитопатогенам Erwinia carotovora и Fusarium sporotrichioides. Проведено сравнительное исследование фотосинтетической активности контрольных и трансгенных растений в условиях биотического стресса при заражении фитопатогеном E. carotovora. Установлено меньшее снижение скорости фотосинтеза у цекропин Р1-экспрессирующих растений в условиях заражения. Показана повышенная устойчивость сесР1-растений к окислительному стрессу, вызванному действием пара-квата. Полученные результаты указывают на возможность включения гена цекропина Р1 в интегральную антистрессовую защитную систему растений.

Ключевые слова: Brassica napus - цекропин P1 — агробактериальная трансформация - фотосинтез — микробные фитопатогены — устойчивость - стрессы

DOI: 10.7868/S0015330313030160

ВВЕДЕНИЕ

Рапс — ценное масличное растение сем. Brassi-caceae. Содержание масла в семенах рапса доходит до 40—50%. Продуктивность рапса может снижаться за счет различных заболеваний, вызываемыми фитопатогенными микроорганизмами: Erwinia carotovora, Sclerotinia sclerotiorum, Verticilli-um и др. Для создания новых коммерческих сортов этой культуры используются многие достиже-

Сокращения: ДЭТК — диэтилдитиокарбамат; ЗФл — замедленная флуоресценция хлорофилла а; НСТ — тетразолий нитросиний; СОД — супероксиддисмутаза; сесР1 — цекропин Р1; Кт — канамицин; прШ — неомицинфосфотрансфе-раза II.

Адрес для корреспонденции: Захарченко Наталья Сергеевна. 142290 Московская обл., Пущино, Проспект Науки, 6. Филиал Института биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН. Электронная почта: zachar@fibkh.serpukhov.su

ния генетической инженерии. Проводятся работы по улучшению качества и соотношения жирных кислот в масле семян [1], улучшению кормовых качеств семян [2], получению растений, устойчивых к гербицидам и патогенам [3, 4]. Одним из методов повышения устойчивости растений к фитопатогенам может быть трансформация растений генами антимикробных пептидов, обладающих широким спектром бактерицидной и фунгицидной активности [5, 6].

Целью нашей работы было получение и фи-зиолого-биохимическое исследование трансгенных растений рапса, экспрессирующих искусственный ген антимикробного пептида цекропина Р1 для повышения устойчивости растений к микробным фитопатогенам и к некоторым стрессовым факторам.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Растительный материал. Объектами исследования служили растения рапса (Brassica napus L.) отечественного сорта Глант, полученные из ГНУ Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур им. В.С. Пустовойта РАСХН (Краснодар). Семена стерилизовали 1.5 мин в 70% этаноле, затем 2 мин в 20% растворе гипохлорита натрия и промывали 3 раза (по 10 мин) в стерильной дистиллированной воде. Семена проращивали на безгормональной среде Мурасига—Скуга (МС), содержавшей 7 г/л агара, 30 г/л сахарозы (рН 5.8) и стандартный набор солей [7]. Растения культивировали при температуре 22-24°С, 16-часовом дне и освещенности 2 клк. Укорененные растения переносили в теплицу. Для анализов брали полностью развитые листья 4-5 ярусов.

Штаммы бактерий и условия их культивирования. Для трансформации использовали агробак-терии GV3101(pMP90RK), содержавшие вектор pGA482 [8] с искусственным геном антибактериального пептида цекропина Р1 (cecP1) [9] и агро-бактерии с "пустым вектором" GV3101 (pMP90RK, pGA482). Ночную культуру бактерий выращивали в среде LB [10], разводили до оптической плотности 1.0 при 600 нм и использовали для трансформации.

В работе использовали фитопатогенные штаммы: 1) штамм бактерии Erwinia carotovora subsp. carotovora В15, полученный из Horticulture СеПхе (Канада), и 2) штамм гриба Fusarium sporotrichio-ides, полученный из ГНУ Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур им. В.С. Пустовойта.

Трансформация рапса. Для генетической трансформации использовали агробактерии с "пустым" и рекомбинантным вектором с искусственным геном антибактериального пептида cecP1. Трансформацию растений проводили методом вакуумной агроинфильтрации семян [11]. Стерильные семена погружали в 3 колбы: 1 — с суспензией агробактерий GV3101(pMP90RK), содержавших вектор pGA482-сесР1; 2 — с агробак-териями GV3101(pMP90RK), содержавшими пустой вектор pGA482 и 3 — в жидкую среду LB без аг-робактерий. Колбы с семенами помещали в вакуумный эксикатор на 5 мин при отрицательном давлении —0.8 атм. После этого семена помещали на стерильную фильтровальную бумагу для удаления избытка влаги и переносили на агаризованную среду МС. Через двое суток семена перекладывали на свежую среду МС. Для трансформированных семян среда МС содержала антибиотики для элиминации агробактерий (цефотаксим, 500 мг/л) и селекции трансформантов (канамицин, Km, 50 мг/л).

Выделение ДНК из листьев рапса и ПЦР. Для ПЦР анализа выделяли растительную ДНК из листьев [12], которая впоследствии являлась матрицей

в ПЦР анализах. Для этого были использованы праймеры для гена cecP1: (1) 5'-CGGGATC-CATGGGCTCTTG-3' и (2) 5'-CGAGATCTCTACT-TAGCGCGGC-3'. Реакционная смесь содержала 0.1 мкг геномной ДНК рапса, 10 мМ Трис-HCl, pH 8.8, 50 мМ KCl, 0.1% Тритон Х-100, 1.5 мМ MgCl2, 0.2 мМ смеси дНТФ ("USB", США), по 50 пкмолей каждого праймера и 2.5 ед. ДНК по-лимеразы Taq ("Promega", США). Реакцию проводили в объеме 25 мкл при следующих условиях: 94°C - 5 мин; 30 циклов: 94°C - 1 мин, 55°C - 30 с, 72°C — 30 с, затем 72°C — 7 мин на амплификато-ре Gene Amp® PCR System 2400 ("Perkin Elmer", США). Продукты амплификации анализировали с помощью электрофореза в 6% ПААГ в Трис-бо-ратном буфере.

Вестерн-блот анализ. Для определения экспрессии гена сесР1 в трансгенных растениях получали бесклеточные экстракты [13]. Электрофорез проводили в трициновой системе ДСН-ПААГ, белки переносили на нейлоновую мембрану PDVF ("Amersham Pharmacia Bio tech", Великобритания) [14]. Иммуноферментный анализ сесР1 проводили с помощью полученных к этому синтетическому пептиду кроличьих поликлональных антител и антикроличьих иммуноглобулинов, конъюгированных с пероксидазой хрена. Синтетический сесР1 был получен методом твердофазного синтеза. Проявку мембраны производили с помощью хемилюминесцентной системы ECL ("Pierce", США).

Анализ антимикробной активности растительных экстрактов. Для определения бактерицидного эффекта экстрактов трансгенных растений на клетки фитопатогенных бактерий E. carotovora использовали метод радиальной диффузии [15]. Экстракционный буфер содержал: 10% глицерин, 40 мМ ЭДТА, 150 мМ NaCl, 100 мМ NH4Cl, 4 мМ фенилметилсульфонилфторид, 10.0 мМ Трис-HCl, pH 7.5, 3.0 мг/мл дитиотрейтола, 0.2 мг/мл лейпептина, 0.2 мг/мл ингибитора трипсина; 2 мг/мл бычьего сывороточного альбумина [16]. Экстракты, содержавшие около 1 мг общего белка, вносили в лунки диаметром 5 мм и глубиной 10 мм, приготовленные в 1.5% LB-агаре с бактериями (108 клеток/мл). Агаровые блоки инкубировали 8 ч при 4° С для диффузии экстрактов в агар, затем блоки переносили на 25°С и через 2 дня локализовали стерильные зоны вокруг лунок.

Биотесты на изолированных листьях и растениях. Для проверки устойчивости трансгенных растений к фитопатогенам листья инфицировали суспензией бактерий E. carotovom или заражали кусочками мицелия гриба F. sporotrichioides [6]. В качестве контроля использовали растения in vivo трех вариантов: 1 - растения рапса, выращенные из стерильных семян, предварительно культивированные 3 нед. in vitro, 2 - растения рапса, выра-

щенные из стерильных семян, подвергшиеся инфильтрации в среде LB, 3 — растения рапса, выращенные из семян, после трансформации агробактериями GV3101(pMP90RK), содержащие пустой вектор pGA482. Фитопатогенными бактериями (суспензия 103—105 клеток/мл) и грибами инокулировали черешки листьев, помещали их на агаризованную питательную среду МС в чашки Петри, выдерживали их в закрытом состоянии при 24°С и 16-часовом световом дне и через 1-14 суток оценивали степень повреждения. Целые растения заражали уколом иглы, смоченной в суспензии патогенных бактерий, в междоузлия. Для заражения грибным патогеном кусочек агара с мицелием помещали в пазушные почки. В каждом варианте опыта заражали по 4 листа.

Исследование газообмена, транспирации и устьичной проводимости. Измерения СО2-газооб-мена, транспирации и устьичной проводимости осуществляли с помощью переносного инфракрасного газового анализатора LCPro+ фирмы "ADC BioScientific Ltd." (Великобритания), соединенного с листовой камерой, поставляемой одновременно с прибором для определения скорости газообмена отдельных листьев. Площадь рабочей поверхности камеры 6.25 см2. Работу проводили с листьями, взятыми с растений, выращенных в теплице, спустя 24 ч

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком