Агробактериальная трансформация в природе является причиной развития заболеваний: корончатых галлов и косматых корней. Эти новообразования представляют собой трансгенные ткани на нетрансгенном растении.
Однако в природе возникают полноценные генетически модифицированные организмы, содержащие агробактериальные трансгены во всех клетках и передающие их в ряду половых поколений. Эти растения называют природно-трансгенными или природными генетически модифицированными организмами. За последние 3 года список видов при-
родных генетически модифицированных организмов был существенно расширен. Благодаря этому стало возможным сделать определенные обобщения и более предметно обсуждать возможную эволюционную роль данного явления.
Представленный мини-обзор посвящен обобщению данных относительно возможных функций генов агробактериального происхождения в геномах растений.
Идентификаторы и классификаторы
- УДК
- 631.523.11. Гены
Агробактерии — это сборная группа почвенных бактерий, состоящая из представителей нескольких родов [1], способных переносить и интегрировать в геном растения
фрагмент собственной ДНК, получившей название Т-ДНК (transferred DNA) [2]. В большинстве случаев при такой трансформации трансгенной оказывается только часть
тканей растения, как правило, в области корневой шейки. Остальные ткани, включая ткани генеративных органов, остаются нетрансгенными [3].
Список литературы
- Ormeno-Orrillo E., Servín-Garciduenas L.E., Rogel M.A., et al. Taxonomy of rhizobia and agrobacteria from the Rhizobiaceae family in light of genomics // Syst Appl Microbiol. 2015. Vol. 38. No. 4. P. 287–291. DOI: 10.1016/j.syapm.2014.12.002
- Chilton M.D. Agrobacterium Ti plasmids as a tool for genetic engineering in plants. In: Rains D.W., Valentine R.C., Hollaender A., editors. Genetic Engineering of Osmoregulation, Basic Life Sciences. Boston: Springer, MA, 1980. Vol. 14. P. 23–31. DOI: 10.1007/978-1-4684-3725-6_3
- Nester E.W. Agrobacterium: nature’s genetic engineer // Front Plant Sci. 2014. Vol. 5. ID730. DOI: 10.3389/fpls.2014.00730
- Matveeva T.V. Agrobacterium-mediated transformation in the evolution of plants // Curr Top Microbiol Immunol. 2018. Vol. 418. P. 421–441. DOI: 10.1007/82_2018_ 80
- Aubin E., El Baidouri M., Panaud O. Horizontal Gene Transfers in Plants // Life (Basel). 2021. Vol. 11. No. 8. ID857. DOI: 10.3390/life11080857
- Koonin E.V., Wolf Y.I. Evolution of microbes and viruses: a paradigm shift in evolutionary biology? // Front Cell Infect Microbiol. 2012. Vol. 13. No. 2. ID119. DOI: 10.3389/fcimb.2012.00119
- Richardson A.O., Palmer J.D. Horizontal gene transfer in plants // J Exp Bot. 2007. Vol. 58. No. 1. P. 1–9. DOI: 10.1093/jxb/erl148
- Husnik F., McCutcheon J.P. Functional horizontal gene transfer from bacteria to eukaryotes // Nat Rev Microbiol. 2018. Vol. 16. No. 2. P. 67–79. DOI: 10.1038/nrmicro.2017.137
- White F.F., Garfinkel D.J., Huffman G.A., et al. Sequences homologous to Agrobacterium rhizogenes T-DNA in the genomes of uninfected plants // Nature. 1983. Vol. 3012. P. 348–350. DOI: 10.1038/301348a0
- Kyndt T., Quispe D., Zhai H., et al. The genome of cultivated sweet potato contains Agrobacterium T-DNAs with expressed genes: an example of a naturally transgenic food crop // PNAS. 2015. Vol. 112. No. 18. P. 5844–5849. DOI: 10.1073/pnas.1419685112
- Matveeva T.V., Bogomaz D.I., Pavlova O.A., et al. Horizontal gene transfer from genus Agrobacterium to the plant Linaria in nature // Mol Plant Microbe Interact. 2012. Vol. 25. No. 12. P. 1542–1551. DOI: 10.1094/MPMI-07-12-0169-R
- Matveeva T.V., Kosachev P.A. Sequences homologous to Agrobacterium rhizogenes rolC in the genome of Linaria acutiloba // Proceedings of 2013 International Conference on Frontiers of Environment, Energy and Bioscience (ICFEEB2013). China, Beijing: 2013. Р. 541–546.
- Матвеева Т.В., Сокорнова С.В. Биологические особенности природно-трансгенных растений и их роль в эволюции // Физиология растений. 2017. Т. 64, № 5. C. 323–336.
DOI: 10.1134/S1021443717050089 - Matveeva T.V., Otten L. Widespread occurrence of natural genetic transformation of plants by Agrobacterium // Plant Mol Biol. 2019. Vol. 101. P. 415–437. DOI: 10.1007/s11103-019-00913-y
- Matveeva T.V. New naturally transgenic plants: 2020 update // Biol Commun. 2021. Vol. 66. No. 1. P. 36–46. DOI: 10.21638/spbu03.2021.105
- Лутова Л.А., Матвеева Т.В. Генная и клеточная инженерия в биотехнологии высших растений: учебник / под ред. И.А. Тихоновича. Санкт-Петербург: Эко-Вектор, 2016. 167 с.
- https://www.plantarium.ru/ [интернет]. Плантариум. Растения и лишайники России и сопредельных стран: открытый онлайн-атлас и определитель растений [дата обращения 1.11.2021]. Доступ по ссылке: https://www.plantarium.ru/.
- Morton J. Surinam cherry. In: Fruits of warm climates. Miami, 1987. P. 386–388.
- Муравьева Д.А. Тропические и субтропические лекарственные растения: 2-е изд. перераб. и доп. Москва: Медицина, 1983. 336 с.
- Еленевский А.Г. Ботаника. Систематика высших, или наземных, растений. Москва: Академия, 2004.
- Владимиров И.А., Матвеева Т.В., Лутова Л.А. Гены биосинтеза и катаболизма опинов // Генетика. 2015. Т. 51, № 2. С. 137–146. DOI: 10.1134/S1022795415020167
- Chen K., Dorlhac de Borne F., Sierro N., et al. Organization of the TC and TE cellular T-DNA regions in Nicotiana otophora and functional analysis of three diverged TE-6b genes // Plant J. 2018. Vol. 94. No. 2. P. 274–287. DOI: 10.1111/tpj.13853
- Chen K., Otten L. Natural Agrobacterium transformants: recent results and some theoretical considerations // Front Plant Sci. 2017. Vol. 8. ID1600. DOI: 10.3389/fpls.2017.01600
- Matveeva T.V., Otten L. Opine biosynthesis in naturally transgenic plants: Genes and products // Phytochemistry. 2021. Vol. 189. ID112813. DOI: 10.1016/j.phytochem.2021.112813
- Chen K., Dorlhac de Borne F., Szegedi E., Otten L. Deep sequencing of the ancestral tobacco species Nicotiana tomentosiformis reveals multiple T-DNA inserts and a complex evolutionary history of natural transformation in the genus Nicotiana // Plant J. 2014. Vol. 80. No. 4. P. 669–682. DOI: 10.1111/tpj.12661
- Otten L. Natural agrobacterium-mediated transformation in the genus Nicotiana. In: Ivanov N., Sierro N., Peitsch M.C., editors. The Tobacco Plant 10.1007/978-3-030-29493-9_12
- Levesque H., Delepelaire P., Rouze P., et al. Common evolutionary origin of the central portions of the Ri TL-DNA of Agrobacterium rhizogenes and the Ti T-DNAs of Agrobacterium tumefaciens // Plant Mol Biol. 1988. Vol. 11. P. 731–744. DOI: 10.1007/BF00019514
- Altamura M.M., Capitani F., Gazza L., et al. The plant oncogene rolB stimulates the formation of flower and root meristemoids in tobacco thin cell layers // New Phytol. 1994. Vol. 126. No. 2. P. 283–293. DOI: 10.1111/j.1469-8137.1994.tb03947.x
- Koltunow A.M., Johnson S.D., Lynch M., et al. Expression of rolB in apomictic Hieracium piloselloides Vill. causes ectopic meristems in planta and changes in ovule formation, where apomixis initiates at higher frequency // Planta. 2001. Vol. 214. P. 196–205. DOI: 10.1007/s004250100612
- Schmülling T., Schell J., Spena A. Single genes from Agrobacterium rhizogenes influence plant development // EMBO J. 1988. Vol. 7. No. 9. P. 2621–2629. DOI: 10.1002/j.1460-2075.1988.tb03114.x
- Casanova E., Trillas M.I., Moysset L., Vainstein A. Influence of rol genes in floriculture // Biotechnol Adv. 2005. Vol. 23. No. 1. P. 3–39. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2004.06.002
- Gorpenchenko T.Y., Kiselev K.V., Bulgakov V.P., et al. The Agrobacterium rhizogenes rolC-gene induced somatic embryogenesis and shoot organogenesis in Panax ginseng transformed calluses // Planta. 2006. Vol. 223. P. 457–467. DOI: 10.1007/s00425-005-0102-2
- Hansen G., Vaubert D., Heron J.H., et al. Phenotypic effects of overexpression of Agrobacterium rhizogenes T-DNA ORF13 in transgenic tobacco plants are mediated by diffusible factor(s) // Plant J. 1993. Vol. 4. No. 3. P. 581–585. DOI: 10.1046/j.1365-313X.1993.04030581.x
- Lemcke K., Schmülling T. Gain of function assays identify non-rol genes from Agrobacterium rhizogenes TL-DNA that alter plant morphogenesis or hormone sensitivity // Plant J. 1998. Vol. 15. No. 3. P. 423–433. DOI: 10.1046/j.1365-313X.1998.00223.x
- Stieger P.A., Meyer A.D., Kathmann P., et al. The orf13 T-DNA gene of Agrobacterium rhizogenes confers meristematic competenceto differentiated cells // Plant Physiol. 2004. Vol.
- No. 3. P. 1798–1808. DOI: 10.1104/pp.104.040899
- Kodahl N., Müller R., Lütken H. The Agrobacterium rhizogenes oncogenes rolB and ORF13 increase formation of generative shoots and induce dwarfism in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh // Plant Sci. 2016. Vol. 252. P. 22–29. DOI: 10.1016/j.plantsci.2016.06.020
- Matveeva T.V., Lutova L.A. Horizontal gene transfer from Agrobacterium to plants // Front Plant Sci. 2014. Vol. 5. ID326. DOI: 10.3389/fpls.2014.00326
- Aoki S., Kawaoka A., Sekine M., et al. Sequence of the cellular T-DNA in the untransformed genome of Nicotiana glauca that is homologous to ORFs 13 and 14 of the Ri plasmid and analysis of its expression in genetic tumours of N. glauca × N. langsdorffii. Mol Gen Genet. 1994;243(6):706–710. DOI: 10.1007/BF00279581.
- Матвеева Т.В., Богомаз О.Д., Голованова Л.А., и др. Гомологи гена rolC природно-трансгенных льнянок Linaria vulgaris и Linaria creticola экспрессируются in vitro // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018. Т. 22, № 2. С. 273–278. DOI: 10.18699/VJ18.359
- Quispe-Huamanquispe D.G., Gheysen G., Yang J., et al. The horizontal gene transfer of Agrobacterium T-DNAs into the series Batatas (Genus Ipomoea) genome is not confined to hexaploid sweetpotato // Sci Rep. 2019. Vol. 9. ID12584. DOI: 10.1038/s41598-019-48691-3
- Aoki S., Syono K. Function of ngrol genes in the evolution of Nicotiana glauca: conservation of the function of NgORF13 and NgORF14 after ancient infection by an Agrobacterium rhizogenes-like ancestor // Plant and Cell Physiol. 1999. Vol. 40. No. 2. P. 222–230. DOI: 10.1093/oxfordjournals.pcp.a029531
- Aoki S., Syono K. Horizontal gene transfer and mutation: ngrol genes in the genome of Nicotiana glauca // PNAS. 1999. Vol. 96.No. 23. P. 13229–13234. DOI: 10.1073/pnas.96.23.13229
- Mohajjel-Shoja H., Clément B., Perot J., et al. Biological activity of the Agrobacterium rhizogenes-derived trolC gene of Nicotiana tabacum and its functional relationship to other plast genes // Mol Plant Microbe Interact. 2011. Vol. 24. No. 1. P. 44–53. DOI: 10.1094/MPMI-06-10-0139
- Fründt C., Meyer A.D., Ichikawa T., Meins F. A tobacco homologue of the Ri-plasmid orf13 gene causes cell proliferation in carrot root discs // Mol Gen Genet. 1998. Vol. 259. P. 559–568. DOI: 10.1007/s004380050849
- Matveeva T.V., Sokornova S.V., Lutova L.A. Influence of Agrobacterium oncogenes on secondary metabolism of plants // Phytochem Rev. 2015. Vol. 14. P. 541–554. DOI: 10.1007/s11101-015-9409-1
- Matveeva T., Sokornova S. Agrobacterium rhizogenes Mediated Transformation of Plants for Improvement of Yields of Secondary Metabolites. In: Pavlov A., Bley T., editors. Reference Series in Phytochemistry. Bioprocessing of Plant in vitro Systems. Springer: 2016. P. 1–42. DOI: 10.1007/978-3-319-32004-5_18-1
- Palazon J., Cusido R.M., Gonzalo J., et al. Relation between the and indole alkaloid accumulation in Catharanthus roseus transformed root cultures // J Plant Physiol. 1998a. Vol. 153. No. 5–6. P. 712–718. DOI: 10.1016/S0176-1617(98)80225-3
- Palazon J., Cusido R.M., Roig C., Pino M.T. Expression of the rolC gene and nicotine production in transgenic roots and their regenerated plants // Plant Cell Rep. 1998b. Vol. 17. P. 384–390. DOI: 10.1007/s002990050411
- Amini G., Sokornova S.V., Mohajjel-Shoja H., et al. Induced expression of rolC for study of its effect on the expression of genes associated with nicotine synthesis in tobacco // Ecological genetics. 2020. Vol. 18. No. 4. P. 413–422. DOI: 10.17816/ecogen33768
- Clément B., Perot J., Geoffroy P., et al Abnormal accumulation of sugars and phenolics in tobacco roots expressing the Agrobacterium T-6b oncogene and the role of these compounds in 6b-induced growth // Mol Plant Microbe Interact. 2007. Vol. 20. No. 1. P. 53–62.
DOI: 10.1094/MPMI-20-0053 - Matveeva T., Berezina E., Isaeva I., et al. Influence of some rol genes on sugar content in Nicotiana and Vaccinium // BIO Web of Conferences. 2020. Vol. 18. ID00020. DOI: 10.1051/bioconf/20201800020
- Chen K., Dorlhac de Borne F., Julio E., et al. Root-specific expression of opine genes and opine accumulation in some cultivars of the naturally occurring GMO Nicotiana tabacum // Plant J. 2016. Vol. 87. No. 3. P. 258–269. DOI: 10.1111/tpj.13196
- Zhang Y., Wang D., Wang Y., et al. Parasitic plant dodder (Cuscuta spp.): a new natural Agrobacterium-to-plant horizontal gene transfer species // Sci China Life Sci. 2020. Vol. 63. P. 312–316. DOI: 10.1007/s11427-019-1588-x
- Beauchamp C.J., Chilton W.S., Dion P., Antoun H. Fungal catabolism of crown gall opines // Appl Environ Microbiol. 1990. Vol. 56. No. 1. P. 150–155. DOI: 10.1128/aem.56.1.150-155.1990
- Sokornova S.V., Matveeva T.V. Phylogenetic Relationships of Ascomycetes Opine Synthases // BMC Bioinformatics. (accepted for publication).
- Geddes B.A., Paramasivan P., Joffrin A., et al. Engineering transkingdom signalling in plants to control gene expression in rhizosphere bacteria // Nat Commun. 2019. Vol. 10. ID3430 DOI: 10.1038/s41467-019-10882-x
Выпуск
Другие статьи выпуска
В обзоре рассмотрены представления о роли активных форм кислорода в жизни растительной клетки. При этом уделяется внимание как отрицательным аспектам их воздействия на клеточные компоненты (перекисное окисление липидов, карбонилирование белков и повреждение ДНК), так и положительным функциям (участие в трансдукции сигналов, ответе на стрессорное воздействие и метаболизме). Рассмотрены также основные типы активных форм кислорода и места их генерации в растительной клетке. Сделано заключение, что активные формы кислорода, неизбежно возникающие у любых аэробных организмов, следует рассматривать как важнейший регулятор большого числа процессов у растений, таких как рост, развитие, метаболизм, старение и стрессовые реакции. При этом если роль активных форм кислорода при стрессе и в трансдукции сигналов изучена достаточно подробно, то их прямая метаболическая роль исследована относительно слабо, за исключением полимеризации лигнина и размягчения клеточной
стенки, что указывает на необходимость проведения дальнейших исследований в этой области.
Пищевые добавки и, в частности, пищевые красители получают все большее распространение во всех странах.
Работа посвящена наименее изученной проблеме оценки безопасности разрешенных к применению в Российской Федерации синтетических пищевых красителей — анализу их генотоксического действия (механизмам, способам определения и результатам исследований на различных живых объектах). Приведенные в обзоре результаты полувекового изучения генотоксичности синтетических пищевых красителей показали, что среди изученных красителей нет ни одного, для которого были бы получены однозначные результаты исследований на генотоксичность, что создает уверенность в возможности их реальной мутагенной и/или канцерогенной опасности. Показано, что проблема выбора
диапазона доз при тестировании на генотоксичность, связанная с ней проблема контроля примесей, а также подходы к выбору тест-систем и тест-объектов являются ключевыми для обеспечения генетической/канцерогенной безопасности ПК. Поскольку в Российской Федерации нет единой системы оценки генетической безопасности пищевых красителей, основную задачу настоящей публикации мы видим в доказательстве насущной необходимости ее создания и очерчиванию группы основных проблем, с этим связанных.
Научно-обоснованная оценка безопасного совместного выращивания нетрансформированных и генетически модифицированных растений и, в частности, кукурузы в России пока отсутствует. В полевых модельных опытах 2020 г. впервые в условиях России (Юго-Восток Европейской части России, Саратовская область) получены экспериментальные данные о влиянии барьера из рослых гибридных растений кукурузы (Каз ЛК 178 и ES Регейн, высотой 2,15–2,90 м) между донором (Пурпурной Саратовской) и реципиентом (кукурузой лопающейся) пыльцы на частоту скрещивания.
Впервые установлено, что наличие барьерной зоны из рослых растений кукурузы полностью исключает переопыление между донором и реципиентом кукурузы с различающимися сроками цветения. При исследовании барьерных растений, как реципиентов, для установления полноценности пыльцы донора, выявлено, что процент скрещиваний на початках у барьерных растений колебался от 0,1 до 7,1 %. Основываясь на результатах модельных экспериментов, можно рекомендовать при совместном выращивании сортов кукурузы использовать сорта с различающимися сроками цветения, в сочетании с барьером для пыльцы из высокорослых гибридов кукурузы.
Цель — сравнение генетического разнообразия двух природных популяций лося из охотхозяйств пограничных областей — Костромской и Ярославской, с искусственно созданной популяцией лосефермы.
Материалы и методы. Генетическое разнообразие изучалось с помощью ДНК-маркеров, представленных девятью микросателлитным локусами, обследовано 169 особей.
Результаты. Выявлено достоверно большее генетическое разнообразие естественных популяций по сравнению с популяцией лосефермы: среднее число аллелей на локус (NA) в них составляет 9,0 и 8,6, в популяции лосефермы — 5,9. Все популяции не отличаются по уровню средней гетерозиготности. Тест на гетерогенность аллельных частот показал,
что все популяции достоверно различаются по 6 локусам и по сумме 9 локусов, природные популяции достоверно отличаются по 5 локусам, популяция лосефермы от каждой природной — по 3 одинаковым локусам. Коэффициент инбридинга значительно выше в ярославской популяции (0,167), по сравнению с костромской (0,053), в популяции лосефермы — 0,165. При выявленном потоке генов (Nm = 16,7) сохраняется генетическое своеобразие двух природных популяций, что позволяет предположить, что они не являются генетически единой популяцией.
Выводы. Выявленное резкое уменьшение генетического разнообразия популяции лосефермы указывает на необходимость обогащения ее генофонда, а обнаружение инбридинга в природных популяциях — на контроль состояния генофонда.
Издательство
- Издательство
- ЭКО-ВЕКТОР
- Регион
- Россия, Санкт-Петербург
- Почтовый адрес
- 191186, г Санкт-Петербург, Центральный р-н, Аптекарский пер, д 3 литера а, помещ 1Н
- Юр. адрес
- 191186, г Санкт-Петербург, Центральный р-н, Аптекарский пер, д 3 литера а, помещ 1Н
- ФИО
- Щепин Евгений Валентинович (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- e.schepin@eco-vector.com
- Контактный телефон
- +7 (812) 6488366