Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Молекулярно-генетические аспекты устойчивости растений к алюминию

10.11.2018

Методы, позволяющие определить природу и количество генов, контролирующих устойчивость к алюминию в растениях, включают:

• идентификацию локусов устойчивости и молекулярное маркирование;

• выделение и характеристику генов, индуцируемых в период токсического воздействия алюминия;

• создание мутантных растений;

• использование трансгенных растений.

Все эти методы важны не только при создании устойчивых к алюминию сортов, но и при изучении механизмов устойчивости.

Рассмотрим в качестве примера наиболее хорошо изученную в этом отношении пшеницу. Сорта и генотипы пшеницы, использовавшиеся в США и Бразилии для определения генетических и физиологических основ устойчивости, включают устойчивые (Atlas 66, ЕТЗ, Waalt, BH 1146; Neepawa) и чувствительные (Scout 66 and ES3, Warigal, Fredrick; Anahuac) формы. Путем создания рекомбинантных инбредных линий от скрещивания устойчивого (BH 1146) и чувствительного (Anahuac) сортов установлено, что устойчивость к алюминию контролируется одним геном. Локус AltBH на хромосоме 4DL идентифицирован как наиболее важный ген устойчивости для сорта BH 1146. Эти результаты подтвердили более ранние данные о том, что по признаку устойчивости линии пшеницы расщепляются по единственному локусу Alt1. RFLP-картирование F2-поколений рекомбинантных инбредных линий пшеницы, происходящих от скрещивания BH 1146 х Anahuac, показало, что два ДНК-маркера Xbcd 1230 и Xcdo 1395 связаны с геном устойчивости AltBH. При этом первый теснее связан с локусом устойчивости и объясняет 85% вариаций ростовых параметров корня на алюминийсодержащем растворе. При выращивании в питательном растворе, содержащем алюминий, 14 мутантных линий, полученных путем у-облучения семян сорта Anahuac, продемонстрировали сравнимые скорости роста корней и, соответственно, схожую с устойчивым сортом BH 1146 степень устойчивости. Затем каждую мутантную линию скрестили с растениями дикого типа устойчивого (BH 1146) и чувствительного (Anahuac) генотипов. Многие полученные в поколении F2 устойчивые мутантные линии отличались от чувствительного исходного сорта парой доминантных аллелей. Единственная пара аллелей, присутствующая в мутантных линиях, показала тот же уровень экспрессии, что и аллели в устойчивом сорте BH 1146. Следовательно, устойчивость к алюминию у сорта BH 1146 контролирует пара доминантных генов. He исключено, что чувствительность к алюминию у растений дикого типа чувствительного сорта Anahuac может быть связана с отсутствием экспрессии гена устойчивости AltBH.

Охарактеризована и секвенирована кДНК генов, которые активируются при воздействии алюминия на корешки пшеницы, в частности гены wali (от англ. wheat aluminum induced) и war (от англ. wheat aluminum regulated). Дифференциальный скрининг библиотеки кДНК в кончике корня чувствительного сорта пшеницы Варигал (Warigal) выявил семь генов (wali1—wali7), которые активировались при действии алюминия. Накопление транскриптов этих генов возросло после 24-часового воздействия алюминия на корни как чувствительного (Warigal), так и устойчивого (Waalt) сортов пшеницы, хотя для индукции wali-генов в корнях последнего требовались повышенные концентрации алюминия.

Как и в случае с кДНК гена wali, транскрипты мРНК кДНК war-гена индуцировались повышенными концентрациями алюминия как в чувствительных (Fredrick), так и в устойчивых (Atlas 66) сортах пшеницы. Белки, кодируемые кДНК генов wali и war, продемонстрировали определенную степень гомологии со стресс-белками растений, такими, как металлотионинподобные белки (wali1), фенилаланин-аммонийлиаза (wali4, war7.2), пероксидаза (war4.2), ингибиторы протеиназы и цистеинпротеиназа (wali3, wali5, wali6, war5.2), аспарагинсинтаза (wali7) и оксалатоксидаза (war13.2). Повышенное накопление транскриптов мРНК wal1-, wali3-, wali4-, wali5-генов в корневом кончике пшеницы после 48-часового воздействия повышенными концентрациями таких металлов, как Cu, Cd, Fe, Zn, Ga, In, La, оказалось таким же, как в механически поврежденных листьях пшеницы. У устойчивого сорта пшеницы алюминийсвязывающий белок с молекулярной массой 23 кДа секретируется корнями в ответ на стрессовое воздействие алюминия. Микросеквенирование этого белка выявило его сходство с Mn-СОД, экспрессия которой индуцировалась под воздействием алюминия в кончиках корней устойчивого генотипа пшеницы. Возможно, она участвует в обезвреживании АФК, образующихся при окислительном стрессе в результате токсического воздействия алюминия.

По сравнению с пшеницей, генетические основы устойчивости к алюминию у других культур изучены хуже. Так, анализ 37 генотипов ячменя и потомства от их скрещиваний показал, что устойчивость к алюминию контролируется единственным геном по типу множественного аллелизма, что, собственно, и обусловливает различную степень устойчивости толерантных сортов. Искомый ген расположен на 4-й хромосоме и обозначен как Pht и Alp. He исключено, что гены устойчивости AltBH и Alp пшеницы и ячменя могут быть ортологами.

Множественный аллелизм по одному гену присущ, видимо, также сортам и гибридам кукурузы и риса. После 5-кратного самоопыления растений кукурузы, полученных из культуры ткани, охарактеризован сомаклональный вариант, полученный из каллусной культуры устойчивой инбредной линии кукурузы Cat-100-6. Вариант был идентифицирован благодаря слабому росту корней в питательном растворе, содержащем алюминий, который однако не ингибировал рост корня исходной родительской линии Cat-100-6. Скрининг популяции F2 от скрещивания S1587-17 х Cat-100-6 и реципрокных скрещиваний с выращиванием на среде с алюминием, позволил предположить, что устойчивость к алюминию у кукурузы может контролироваться единственным геном по типу неполного доминирования. Однако генетическое и молекулярное картирование с использованием F2-потомства от скрещивания S1587-17 х Cat-100-6 расширило количество генов устойчивости до двух различных локусов Alm1 и Аlт2, расположенных на 10-й и 6-й хромосомах соответственно. Оказалось, что ген Alm1 имеет более сильное влияние на устойчивость кукурузы к алюминию, чем ген Аlт2.

Используя RFLP-анализ популяций F2 от скрещивания устойчивого и чувствительного сортов удалось определить количество генов, контролирующих устойчивость у риса. Примерно 9 регионов в геноме из 8 хромосом вовлечены в детерминацию устойчивости, причем один локус — QAlRla, идентифицированный при помощи ДНК-маркера WG110 на хромосоме 1, показал наибольшее влияние алюминия на рост корня риса в водной культуре.

У сои также обнаружены устойчивые и чувствительные сорта. В популяции F4 от их скрещивания выявлено до 5 QTL, каждый с отрицательными эффектами, что демонстрирует полигенный механизм контроля устойчивости к алюминию.

Люцерна очень чувствительна к алюминию и плохо растет на кислых почвах. Однако заметных вариаций по уровню устойчивости как культурных, так и интродуцированных форм при скрининге на кислых почвах не обнаружено. Полученная путем перекрестного опыления зародышевая плазма с признаками повышенной устойчивости не обнаружила значимых различий по урожайности по сравнению с неотобранными элитными сортами. Эти неудачи можно объяснить тем, что люцерна — тетраплоид и строгий перекрестник, поэтому селекция на устойчивость к алюминию может быть затруднена, в частности, из-за инбредной депрессии, маскирующей устойчивость к алюминию.

Особо значимым может быть картирование двух локусов количественных признаков и пяти эпистатических локусов, отвечающих за устойчивость к алюминию растений Arabidopsis thaliana. Причем два QTL объясняли 32 и 11% всей вариации OCP корня у 100 линий рекомбинантных инбредных популяций. Последние были получены путем скрещивания чувствительного и устойчивого генотипов. Указанные два локуса QTL, идентифицированные на хромосомах 1 и 4, были тесно связаны с маркерами ARR4 и mi51 соответственно. Картирование позиций двух QTL является уникальным, поскольку они расположены в локусах, отличных от локусов устойчивости к алюминию, о которых сообщалось ранее для мутантных линий арабидопсиса. Что касается эпистатических локусов, то четыре из них обнаружены в ранее определенных позициях и связаны с генами устойчивости в мутантных растениях устойчивого экотипа, а пятый оказался уникальным и нанесен на хромосому 2.

Изменение числа ап- и даун-регулируемых генов под действием алюминия показано на рисунке 12.10.

У устойчивого к алюминию генотипа кукурузы С100-6 число ап- и даун-регулируемых генов было стабильным на протяжение всего опыта, в то время как у неустойчивого генотипа L56 это число значительно повысилось. Похожие данные были получены на обоих генотипах относительно даун-регулируемых генов. Количество генов с ап-регулированием в начале опыта (отметка 2 ч) было значительно выше у устойчивого генотипа. Возможно, это отличие может быть отнесено к более ранней активации генов, ответственных за толерантность к алюминию у устойчивого генотипа. После 24-часовой экспозиции в присутствии алюминия рост корней у растений С100-6 практически не был ингибирован, тогда как у чувствительного генотипа — сильно ингибирован, также имелись видимые следы повреждений. Большое число дифференциально регулируемых генов в корнях L53 после 24-часовой экспозиции, по всей видимости, связано с сильным токсическим действием алюминия на биологические процессы. Ag- и даун-регулируемые гены в корнях L53 были распределены в соответствии с функциональными категориями, базирующимися на генной ортологии (рис. 12.11).

Почти половина (49%) ап-регулируемых генов и 34% даун-регулируемых генов не были отнесены ни к какой функциональной категории. Анализ генов, сгруппированных по функциональным категориям, показал, что различные метаболические процессы, связанные с генерацией энергии, контролируются ап-регулируемыми генами. Гены, вовлеченные в протеолитические процессы, ап-регулируемы алюминием, как и гены, отвечающие за восстановление ДНК и белки теплового шока, — с генами стрессовых состояний и защитных реакций. Различные транскрипционные факторы являлись ап-регулируемыми, что соответствует большому числу генов, подверженных транскрипционной регуляции в ответ на стресс. Большое количество генов, участвующих в транскрипции и трансляции оказались даун-регулируемыми, включая различные рибосомальные белки. Природа биологических процессов, подверженных даун-регуляции, после 24 ч экспозиции в присутствии алюминия наводит на мысль о подавлении роста клеток корня и нарушениях процессов деления клеток алюминием у чувствительного генотипа L53.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: