Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази

Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази

Досліджено іоном трансгенних рослин кукурудзи з дволанцюговим (ds)РНК-супресором гена проліндегідрогенази, отриманих шляхом Agrobacterium-опосередкованої трансформації in planta рослин інбредної лінії 370 селекції Інституту фізіології рослин і генетики НАН України. Аналіз насіннєвого Т3-покоління р...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Доповіді НАН України
Date:2019
Main Authors: Швартау, В.В., Михальська, С.І., Михальська, Л.М.
Format: Article
Language:Ukrainian
Published: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2019
Subjects:
Біологія
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159964
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази / В.В. Швартау, С.І. Михальська, Л.М. Михальська // Доповіді Національної академії наук України. — 2019. — № 7. — С. 97-104. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-159964
record_format dspace
spelling Швартау, В.В.
Михальська, С.І.
Михальська, Л.М.
2019-10-19T16:23:30Z
2019-10-19T16:23:30Z
2019
Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази / В.В. Швартау, С.І. Михальська, Л.М. Михальська // Доповіді Національної академії наук України. — 2019. — № 7. — С. 97-104. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.
1025-6415
DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2019.07.097
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159964
579.254.2:581.143.5
Досліджено іоном трансгенних рослин кукурудзи з дволанцюговим (ds)РНК-супресором гена проліндегідрогенази, отриманих шляхом Agrobacterium-опосередкованої трансформації in planta рослин інбредної лінії 370 селекції Інституту фізіології рослин і генетики НАН України. Аналіз насіннєвого Т3-покоління рослин кукурудзи з частковою супресією активності проліндегідрогенази та підвищеною стійкістю до осмотичних стресів показав диференційні зміни окремих компонентів іоному: підвищення вмісту елементів Mg, Mn, Fe, Cu і Mo на фоні зниження вмісту Са, К та Na й істотне зниження рівня іонів важких металів: Ni, Ba, Cd, Sr. Зростання вмісту неорганічних складових редокс-компонентів — Mn, Cu, Fe, за винятком Zn, є важливим для формування підвищеної осморезистентності. Можна передбачити, що кількісні зміни неорганічних компонентів редокс-систем у генетично модифікованих рослин можуть бути складовою підвищеної стійкості до осмотичного стресу. Підвищення осморезистентності кукурудзи уможливить впровадження систем мінерального живлення з високим рівнем засвоєння окремих іонів, які побудовані на зростанні локальних концентрацій окремих елементів та відрізняються підвищеним рівнем резистентності до нестачі вологи. Завдяки зниженню вмісту ряду важких металів стане можливим більш широко використовувати у системах живлення фосфорні добрива, які можуть бути небезпечними щодо забруднення ґрунтів та рослин важкими металами.
The corn transgenic plant ionome with double-stranded (ds) RNA suppressor of the proline dehydrogenase ge ne obtained by the Agrobacterium-mediated transformation in planta plants of inbred line 370 of the Institute of Plant Physiology and Genetics NAS of Ukraine selection is studied. The analysis of seed T3 generation of corn plants with partial suppression of the activity of proline dehydrogenase and an increased resistance to the osmotic stress has shown differential changes of individual components of the ionome, namely: an increase in the content of Mg, Mn, Fe, Cu, and Mo, decreasing the content of Ca, K, and Na, and a significant reduction in the level of heavy metal ions: Ni, Ba, Cd, Sr. The growth of the content of the inorganic components of redox components, Mn, Cu, Fe, with the exception of Zn, is important for the formation of increased plant’s osmoresistance. It can be predicted that quantitative changes in the inorganic components of redox systems in genetically modified plants may be part of the increased resistance to osmotic stress. Increasing the resistance of corn will allow the introduction of mineral nutrition systems with high levels of assimilation of individual ions, which are based on the growth in local concentrations of individual elements and are characterized by increased levels of resistance to a moisture deficit. Reducing the content of a number of heavy metals in plants will allow the more extensive use of phosphorus fertilizers in the systems of nutrition that can be dangerous for soils and plants through the contamination by heavy metals.
Исследован ионом трансгенных растений кукурузы с двухцепочечным (ds)РНК-супрессором гена пролиндегидрогеназы, полученных путем Agrobacterium-опосредованной трансформации in planta растений инбредной линии 370 селекции Института физиологии растений и генетики НАН Украины. Анализ семенного Т3-поколения растений кукурузы с частичной супрессией активности пролиндегидрогеназы и повышенной устойчивостью к осмотическим стрессам показал дифференциальные изменения отдельных компонентов ионома: повышение содержания элементов Mg, Mn, Fe, Cu и Mo на фоне снижения содержания Са, К, Na и значительное снижение уровня ионов тяжелых металлов: Ni, Ba, Cd, Sr. Повышение содержания неорганических составляющих редокс-компонентов — Mn, Cu, Fe, за исключением Zn, является важным для формирования повышенной осморезистентности. Можно прогнозировать, что количественные изменения неорганических компонентов редокс-систем в генетически модифицированных растениях могут быть составляющей повышенной устойчивости к осмотическому стрессу. Повышение осморезистентности кукурузы позволит внедрять системы минерального питания с высоким уровнем усвоения отдельных ионов, которые построены на повышении локальных концентраций отдельных элементов и отличаются повышенным уровнем резистентности к дефициту влаги. Снижение содержания ряда тяжелых металлов позволит более широко использовать в системах питания фосфорные удобрения, которые могут быть небезопасными при загрязнении почв и растений тяжелыми металлами.
uk
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Доповіді НАН України
Біологія
Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази
Changes in the ionome of genetically modified corn plants with double-stranded RNA-suppressor of proline dehydrogenase gene
Изменения ионома генетически модифицированных растений кукурузы с двухцепочечным РНК-супрессором гена пролиндегидрогеназы
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази
spellingShingle Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази
Швартау, В.В.
Михальська, С.І.
Михальська, Л.М.
Біологія
title_short Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази
title_full Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази
title_fullStr Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази
title_full_unstemmed Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази
title_sort зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим рнк-супресором гена проліндегідрогенази
author Швартау, В.В.
Михальська, С.І.
Михальська, Л.М.
author_facet Швартау, В.В.
Михальська, С.І.
Михальська, Л.М.
topic Біологія
topic_facet Біологія
publishDate 2019
language Ukrainian
container_title Доповіді НАН України
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format Article
title_alt Changes in the ionome of genetically modified corn plants with double-stranded RNA-suppressor of proline dehydrogenase gene
Изменения ионома генетически модифицированных растений кукурузы с двухцепочечным РНК-супрессором гена пролиндегидрогеназы
description Досліджено іоном трансгенних рослин кукурудзи з дволанцюговим (ds)РНК-супресором гена проліндегідрогенази, отриманих шляхом Agrobacterium-опосередкованої трансформації in planta рослин інбредної лінії 370 селекції Інституту фізіології рослин і генетики НАН України. Аналіз насіннєвого Т3-покоління рослин кукурудзи з частковою супресією активності проліндегідрогенази та підвищеною стійкістю до осмотичних стресів показав диференційні зміни окремих компонентів іоному: підвищення вмісту елементів Mg, Mn, Fe, Cu і Mo на фоні зниження вмісту Са, К та Na й істотне зниження рівня іонів важких металів: Ni, Ba, Cd, Sr. Зростання вмісту неорганічних складових редокс-компонентів — Mn, Cu, Fe, за винятком Zn, є важливим для формування підвищеної осморезистентності. Можна передбачити, що кількісні зміни неорганічних компонентів редокс-систем у генетично модифікованих рослин можуть бути складовою підвищеної стійкості до осмотичного стресу. Підвищення осморезистентності кукурудзи уможливить впровадження систем мінерального живлення з високим рівнем засвоєння окремих іонів, які побудовані на зростанні локальних концентрацій окремих елементів та відрізняються підвищеним рівнем резистентності до нестачі вологи. Завдяки зниженню вмісту ряду важких металів стане можливим більш широко використовувати у системах живлення фосфорні добрива, які можуть бути небезпечними щодо забруднення ґрунтів та рослин важкими металами. The corn transgenic plant ionome with double-stranded (ds) RNA suppressor of the proline dehydrogenase ge ne obtained by the Agrobacterium-mediated transformation in planta plants of inbred line 370 of the Institute of Plant Physiology and Genetics NAS of Ukraine selection is studied. The analysis of seed T3 generation of corn plants with partial suppression of the activity of proline dehydrogenase and an increased resistance to the osmotic stress has shown differential changes of individual components of the ionome, namely: an increase in the content of Mg, Mn, Fe, Cu, and Mo, decreasing the content of Ca, K, and Na, and a significant reduction in the level of heavy metal ions: Ni, Ba, Cd, Sr. The growth of the content of the inorganic components of redox components, Mn, Cu, Fe, with the exception of Zn, is important for the formation of increased plant’s osmoresistance. It can be predicted that quantitative changes in the inorganic components of redox systems in genetically modified plants may be part of the increased resistance to osmotic stress. Increasing the resistance of corn will allow the introduction of mineral nutrition systems with high levels of assimilation of individual ions, which are based on the growth in local concentrations of individual elements and are characterized by increased levels of resistance to a moisture deficit. Reducing the content of a number of heavy metals in plants will allow the more extensive use of phosphorus fertilizers in the systems of nutrition that can be dangerous for soils and plants through the contamination by heavy metals. Исследован ионом трансгенных растений кукурузы с двухцепочечным (ds)РНК-супрессором гена пролиндегидрогеназы, полученных путем Agrobacterium-опосредованной трансформации in planta растений инбредной линии 370 селекции Института физиологии растений и генетики НАН Украины. Анализ семенного Т3-поколения растений кукурузы с частичной супрессией активности пролиндегидрогеназы и повышенной устойчивостью к осмотическим стрессам показал дифференциальные изменения отдельных компонентов ионома: повышение содержания элементов Mg, Mn, Fe, Cu и Mo на фоне снижения содержания Са, К, Na и значительное снижение уровня ионов тяжелых металлов: Ni, Ba, Cd, Sr. Повышение содержания неорганических составляющих редокс-компонентов — Mn, Cu, Fe, за исключением Zn, является важным для формирования повышенной осморезистентности. Можно прогнозировать, что количественные изменения неорганических компонентов редокс-систем в генетически модифицированных растениях могут быть составляющей повышенной устойчивости к осмотическому стрессу. Повышение осморезистентности кукурузы позволит внедрять системы минерального питания с высоким уровнем усвоения отдельных ионов, которые построены на повышении локальных концентраций отдельных элементов и отличаются повышенным уровнем резистентности к дефициту влаги. Снижение содержания ряда тяжелых металлов позволит более широко использовать в системах питания фосфорные удобрения, которые могут быть небезопасными при загрязнении почв и растений тяжелыми металлами.
issn 1025-6415
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159964
citation_txt Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази / В.В. Швартау, С.І. Михальська, Л.М. Михальська // Доповіді Національної академії наук України. — 2019. — № 7. — С. 97-104. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.
work_keys_str_mv AT švartauvv zmíniíonomugenetičnomodifíkovanihroslinkukurudzizdvolancûgovimrnksupresoromgenaprolíndegídrogenazi
AT mihalʹsʹkasí zmíniíonomugenetičnomodifíkovanihroslinkukurudzizdvolancûgovimrnksupresoromgenaprolíndegídrogenazi
AT mihalʹsʹkalm zmíniíonomugenetičnomodifíkovanihroslinkukurudzizdvolancûgovimrnksupresoromgenaprolíndegídrogenazi
AT švartauvv changesintheionomeofgeneticallymodifiedcornplantswithdoublestrandedrnasuppressorofprolinedehydrogenasegene
AT mihalʹsʹkasí changesintheionomeofgeneticallymodifiedcornplantswithdoublestrandedrnasuppressorofprolinedehydrogenasegene
AT mihalʹsʹkalm changesintheionomeofgeneticallymodifiedcornplantswithdoublestrandedrnasuppressorofprolinedehydrogenasegene
AT švartauvv izmeneniâionomagenetičeskimodificirovannyhrasteniikukuruzysdvuhcepočečnymrnksupressoromgenaprolindegidrogenazy
AT mihalʹsʹkasí izmeneniâionomagenetičeskimodificirovannyhrasteniikukuruzysdvuhcepočečnymrnksupressoromgenaprolindegidrogenazy
AT mihalʹsʹkalm izmeneniâionomagenetičeskimodificirovannyhrasteniikukuruzysdvuhcepočečnymrnksupressoromgenaprolindegidrogenazy
first_indexed 2025-11-27T05:57:47Z
last_indexed 2025-11-27T05:57:47Z
_version_ 1850800488004452352
fulltext 97ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2019. № 7 Поглибленому розумінню глобальної проблеми стресостійкості сприяє аналіз багатьох фізіолого-біохімічних процесів рослин, серед яких заслуговує на увагу один із його су часних напрямків, пов’язаний із дослідженням іоному, який допомагає розумінню складних функ- ціональних зв’язків між генами, білками, метаболітами та неорганічними іонами, що вхо- дять до складу іоному. Іоном, згідно з D.E. Salt та співавт. [1], визначається як склад неорганічних елементів, переважно зольних, що наявні в організмі чи в його компартментах. Склад іоному в зер- нівках кукурудзи досліджується на усіх стадіях розвитку та визначається реалізацією ге- нетичних програм розвитку і взаємодії організму з оточуючим середовищем [2]. © В.В. Швартау, С.І. Михальська, Л.М. Михальська, 2019 https://doi.org/10.15407/dopovidi2019.07.097 УДК 579.254.2:581.143.5 В.В. Швартау, С.І. Михальська, Л.М. Михальська Інститут фізіології рослин і генетики НАН України, Київ E-mail: VictorSchwartau@gmail.com Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази Представлено членом-кореспондентом НАН України В.В. Швартау Досліджено іоном трансгенних рослин кукурудзи з дволанцюговим (ds)РНК-супресором гена проліндегідро- генази, отриманих шляхом Agrobacterium-опосередкованої трансформації in planta рослин інбредної лінії 370 селекції Інституту фізіології рослин і генетики НАН України. Аналіз насіннєвого Т3-покоління рослин кукурудзи з частковою супресією активності проліндегідрогенази та підвищеною стійкістю до осмотичних стресів показав диференційні зміни окремих компонентів іоному: підвищення вмісту елементів Mg, Mn, Fe, Cu і Mo на фоні зниження вмісту Са, К та Na й істотне зниження рівня іонів важких металів: Ni, Ba, Cd, Sr. Зростання вмісту неорганічних складових редокс-компонентів — Mn, Cu, Fe, за винятком Zn, є важливим для формування підвищеної осморезистентності. Можна передбачити, що кількісні зміни неорганічних ком- понентів редокс-систем у генетично модифікованих рослин можуть бути складовою підвищеної стійкості до осмотичного стресу. Підвищення осморезистентності кукурудзи уможливить впровадження систем мі- нерального живлення з високим рівнем засвоєння окремих іонів, які побудовані на зростанні локальних кон- центрацій окремих елементів та відрізняються підвищеним рівнем резистентності до нестачі вологи. За- вдяки зниженню вмісту ряду важких металів стане можливим більш широко використовувати у системах живлення фосфорні добрива, які можуть бути небезпечними щодо забруднення ґрунтів та рослин важкими металами. Ключові слова: іоном, кукурудза, siРНК, осмотолерантність, трансгенез. 98 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2019. № 7 В.В. Швартау, С.І. Михальська, Л.М. Михальська На даний час у світі ідентифіковано 118 елементів, 17 з яких визнано важливими для рослинного організму. Макроелементи необхідні у відносно значних кількостях (>0,1 % су- хої маси), вони включають C, H, O, N, S, Cl, P, Ca, K, Mg, B, Fe. Мікроелементи представлені в значно менших кількостях (<0,01 % сухої маси), до них належать Mo, Cu, Zn, Mn, Ni [2, 3]. Відомо, що ріст та розвиток рослин пов’язаний зі збалансованим постачанням біоло- гічно важливих неорганічних елементів. У деяких таксонах суттєвими для процесів росту можуть бути Na, Co, Se та Si. Ряд елементів, зокрема Cd та As, не мають біологічного зна- чення для рослин, більш того, вони є токсичними для їх переважної більшості. Важливо, що контролювання елементного складу може бути критичним не тільки для процесів росту та розвитку рослин, але й для харчування людини. В останні роки був досягнутий значний прогрес у розумінні ролі іоному та окремих його компонентів у результаті дослідження при- родних варіацій неорганічного елементного складу [2]. Підсумовуючи наведені вище дані зазначимо, що переважна більшість досліджень іоно- му виконана на модельному об’єкті Arabidopsis thaliana L. При цьому ряд елементів, як по- казників біологічної цінності харчових та кормових продуктів, досліджено і в культурних рослинах, зокрема зернових. Це насамперед стосується популяції рекомбінантних інбред- них ліній кукурудзи В73 × Мо17 (IBM). Автори описали локуси кількісних ознак для ха- рактеристики іоному зернівок інбредних ліній Zea mays L., які культивували в різних регіо- нах США. Було встановлено 27 локусів QTL для 10 кількісних ознак [4]. Зміни у вмісті мікроелементів – складових редокс-гомеостазу рослин, розглядаються як фактор формування резистентності до дії ряду стресових чинників. Встановлено, що присутність гена Gpc-B1 від Triticum turgidum ssp. dicoccoides у пшениці м’якої озимої зумов- лює підвищення рівня накопичення важливих біологічно значущих елементів живлення — Fe, Zn, Mn, Cu, Se, а також Mg. Зважаючи на значення Fe, Zn, Mn, Cu та Se у редокс-гомеостазі, можна передбачити вищі посівні якості насіння зернових, які містять даний ген, а також під- вищення резистентності рослин до збудників шкодочинних хвороб — Fusarium spp. тощо. Збагачення іонами Cu може сприяти формуванню сходів культур з підвищеним рівнем ефективності використання азоту [5]. Проте дані, що стосуються трансгенезу у кукурудзи, є обмеженими щодо його перебігу та ролі окремих неорганічних елементів. Відносно біотехнологічних рослин, то ми очікува- ли, що за умов їх отримання шляхом Agrobacterium-опосередкованої трансформації можуть відбуватися зміни компонентів іоному, як результат дії самого обеззброєного агробактері- ального штаму та/або рекомбінантних молекул ДНК, що переважно інтегрують у тран- скрипційно активні області геному. Передбачається можливість впливу на вміст компонен- тів іоному і безпосередньо продукту експресії інтегрованих генів. У зв’язку з вищесказаним ми ставили за мету проаналізувати іоном насіннєвого Т3- покоління біотехнологічних рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена про- ліндегідрогенази. Матеріали та методи. Об’єктом дослідження була інбредна лінія кукурудзи 370 селек- ції Інституту фізіології рослин і генетики НАН України. Agrobacterium-опосередковану трансформацію проводили in planta частково модифіко- ваним методом Чумакова [6]. Для генетичної трансформації використовували обеззброє- ний агробактеріальний штам LBA4404, який містить бінарний вектор pBi2E з длРНК-суп- 99ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2019. № 7 Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена... ресором гена проліндегідрогенази. Дволанцюго вий РНК-супресор отриманий на основі фрагмента пер- шого екзона гена арабідопсису, який розміщений як обернений повтор та включає фрагмент першого ін- трона цього ж гена. Векторна конструкція люб’язно надана д-ром біол. наук А.В. Кочетовим (Інститут ци- тології і генетики Сибірського відділення РАН, Ново- сибірськ) та детально описана [7]. Інтеграцію рекомбінантних молекул ДНК аналі- зували ПЛР-методом за наявності фрагментів екзона та інтрона гена ProDH1 арабідопсису і селективного гена неоміцинфосфотрансферази — nptII. Відсутність агробактеріальних домішок після генетичної транс- формації визначали по гену virD1 [8]. Вміст елементів у рослинному матеріалі визначали на мас-спектрометрі з індуктивно зв’язаною плазмою ICP-MS 7700х (“Agilent Technologies”, США) та ICP-MS Mass Hunter WorkStation після озолення зразків (0,400 г) в азотній кислоті кваліфікації ICP-grade у мі- крохвильовій системі пробопідготовки Milestone Start D. Усі розчини готували на воді 1-го класу (18 МОм), підготовленій у системі очищення Scholar-UV Nex Up 1000 (“Human Corporation”, Корея). Розчини IV-ICPMS-71A для ICP-MS використані як зовнішні калібрувальні стандар- ти; внутрішній стандарт — 1 ppm Sc (обидва — “Inorganic Ventures”, США). Аналізи проводили у режимі продування гелієм для блокування утворення хибних пі- ків за інтерференції елементів. Наприклад, 86 % Fe іонізується в аргоновій плазмі й не може бути коректно визначено звичайною мас-спектрометрією, тому що усі чотири ізотопи мас- куються ізобаричною або поліатомною інтерференцією, наприклад 56Fe — 40Ar16O, 40Ca16O, 57Fe — 40Ar16OH, 40Ca16OH. Типовий калібрувальний графік у режимі продування гелієм наведено на рисунку. DL Fe (рівень детектування) становив 0,3 ppt. Результати мас-спектрометрії оброблялися за допомогою ICP-MS Mass Hunter Software. Статистичний аналіз проводили у MS Excel 2019. Результати та їх обговорення. Основою сучасного сільськогосподарського виробниц- тва у світі та Україні є створення високопродуктивних сортів зернових культур з підвище- ним рівнем стійкості до стресів, пов’язаних із водним дефіцитом. У вирішенні даного за- вдання значна увага приділяється сучасним біотехнологіям, які пов’язані з генетичним рів- нем регуляції стійкості [9, 10]. На сьогодні відпрацьований механізм створення генетично модифікованих рослин, де генетична конструкція не містить трансгенів, які кодують білок. У такому випадку викорис- товується феномен РНК-інтерференції, що дає змогу відключити або знизити активність одного з власних генів рослин. Для цього необхідний фрагмент ДНК поміщають у генетич- ну конструкцію в антисенсовій орієнтації або у формі оберненого повтору. Така конструкція синтезує РНК, яка нічого не кодує, але зв’язується з мРНК гена “мішені” і по механізму РНК-інтерференції запускає ряд реакцій, які зумовлюють зниження або повну зупинку екс- пресії даного гена [11, 12]. Калібрувальна крива на 56Fe за визна- чення на ICP-MS Agilent 7700x у режи- мі продування гелієм 100 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2019. № 7 В.В. Швартау, С.І. Михальська, Л.М. Михальська Слід зазначити, що даний напрям досліджень став можливим після відкриття A.J. Ha- milton і D.C. Baulcombe коротких інтерферуючих РНК [13]. Вони формуються з більш про- тяжних попередників РНК, які створюють структуру паліндромів або обернених повто- рів. На даний час siРНК підрозділяють на декілька типів, зокрема ra-siRNAs, nat-siRNAs, tasiRNA, hc-siRNAs. Відзначимо, що біогенез коротких РНК складний та недостатньо до- сліджений, але доцільність цього напряму робіт у генетично-інженерних техноло гіях дове- дена рядом авторів [7—12]. Отримані шляхом Agrobacterium-опосередкованої трансформації in planta біотехно ло- гічні рослини, які містять елементи дволанцюгового РНК-супресора гена проліндегідроге- нази арабідопсису, характеризуються зниженою активністю ферменту проліндегідрогенази, збільшеним рівнем вільного L-проліну та підвищеною стійкістю рослин до осмотичних стресів. Передбачається, що у разі використання даної конструкції часткова супресія ендо- генних генів проліндегідрогенази трансгенних рослин відбувається шляхом посттран- скрипційного сайленсингу РНК за рахунок утворення коротких інтерферуючих siРНК. За даними літератури, microRNAs (miRNA) можуть брати участь у регуляції процесів живлення в рослинах арабідопсису, пов’язаних, зокрема, з іонами Cu, P, S [2, 3]. Можна пе- редбачити, що й в трансгенних рослинах кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена проліндегідрогенази, в яких формувалися короткі РНК (siRNA), окремі елементи іоному можуть бути їх складовими, задіяними в цих процесах. На користь такого припущення свід- чать встановлені нами зміни вмісту ряду елементів (таблиця). Вміст неорганічних елементів у насінні кукурудзи генетично модифікованих рослин лінії 370, мкг/кг Елемент Ізотоп Режим визначення Час утримання, с Контроль Л370 Л370 3М Na 23 Гелій 0,3 1648,6±5,1 1499,5±4,9 Mg 24 Гелій 0,3 258357,0 ± 3,8 275636,2±4,4 Al 27 Гелій 0,3 621,4 ± 7,4 425,2±2,0 K 39 Гелій 0,3 1193059,5 ± 4,8 856702,7 ± 5,9 Ca 43 Гелій 1,0 16590,8 ± 2,8 6290,2 ±2,7 V 51 Гелій 0,3 0,9 ±0,1 0,9 ±0,2 Cr 52 Гелій 0,3 14,1 ± 7,6 13,9 ± 5,3 Mn 55 Гелій 0,3 1439,7 ± 3,7 1504,6 ± 3,1 Fe 56 Гелій 0,3 6116,9 ±1,1 8222,4 ±1,7 Co 59 Гелій 0,3 2,4 ±0,7 1,7 ±0,6 Ni 60 Гелій 0,3 438,9± 3,6 288,2 ± 4,6 Cu 63 Гелій 0,3 487,7 ± 1,4 968,9 ±1,8 Zn 66 Гелій 0,3 9447,3 ± 7,3 9447,2 ± 4,9 Sr 88 Без газу 0,3 100,8 ±4,4 68,3 ± 1,7 Mo 97 Без газу 0,3 56,8 ± 4,5 76,5 ± 5,9 Ba 135 Без газу 0,3 57,7 ± 8,6 27,6 ± 5,4 Cd 111 Без газу 1,0 52,04 ± 2,02 11,6 ± 1,2 101ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2019. № 7 Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена... Для стійкості рослин до засолення та водного дефіциту важливе значення має взаємо- відношення іонів К+ і Na+. Різке порушення іонного гомеостазу неорганічних елементів, що визначають осмотичний тиск у клітинах рослин та водного режиму, може спричинити руй- нування клітинних компартментів. У природних умовах стійкі генотипи реалізують по- тенціал, що забезпечує збереження оптимального статусу. У разі використання в біотехно- логічних маніпуляціях генів вакуолярного Na+/H+ антипортера спостерігається підвищен- ня стійкості рослин до засолення при взаємозв’язку іонів Са2+, Na+ та К+ [14]. ICP-MS аналіз за широким переліком неорганічних елементів показав, що у гене- тично змінених рослин простежується зниження вмісту фізіологічно необхідних іонів Са2+ та К+, відмічені зміни вмісту іонів Na+ зі статистично достовірним зростанням рів- ня Fe, Mn, Cu і Mo. Важливим є те, що у проаналізованому нами насінні генетично зміненої кукурудзи спо- стерігалося зниження рівня Al та важких металів, а саме: Ni2+, Ba2+, Cd2+, Sr2+. При цьому, як вже говорилося вище, знижувався вміст інших двовалентних катіонів, зокрема Ca2+. Ймо- вірно, це пов’язано з системами іонного транспорту, оскільки відомо, що катіони Ca2+ та Cd2+ мають загальні системи поглинання і перенесення через рівності їх іонних радіусів. Серед важких металів, які були нами досліджені, відзначимо також іон Ni, для якого було характерним зниження його концентрації в насінні кукурудзи з (ds)РНК-супресором гена проліндегідрогенази майже в 1,5 раза. Відомо, що з восьми нікелезалежних ферментів усі, крім гліоксилази І, задіяні в глобальному обміні вуглецю, азоту та кисню. Вірогідно, біологічна активність нікелю обумовлена його пластичністю в координаційній та редокс- хімії завдяки здатності проходити крізь три редокс-стани (1+, 2+, 3+) та каталізувати реак- ції в межах ∼1,5 В. Відзначимо також іон Zn2+, який є мікроелементом, що бере участь у різноманітних фі зі о- логічних процесах рослин. Надлишок цього елемента викликає прояви фітотоксичності в рослинах, які пов’язані, зокрема, зі зменшенням біомаси [15]. Встановлено, що вміст цинку, важливої складової редокс-гомеостазу зернових культур, у наших дослідах не змінювався. Таким чином, аналіз насіннєвого Т3-покоління рослин кукурудзи з дволанцюговим (ds)РНК-супресором гена проліндегідрогенази, отриманих шляхом Agrobacterium-опосе- ред ко ваної трансформації in planta рослин інбредної ліній 370 селекції Інституту фізіології рослин і генетики НАН України, яким була властива підвищена осмостійкість, показав ди- ференційні зміни окремих компонентів іоному, а саме: підвищення вмісту елементів Mg, Mn, Fe, Cu та Mo на фоні зниження вмісту Са, К і Na й істотне зниження рівня накопичення іонів важких металів, а саме: Ni, Ba, Cd, Sr. Зростання вмісту неорганічних складових редокс- компонентів — Mn, Cu, Fe, за винятком Zn, є важливим для формування підвищеної осмо- резистентності. Експериментальні дані свідчать про складні взаємопов’язані процеси формування іоно- му в генетично змінених рослин кукурудзи. Можна передбачити, що кількісні зміни неор- ганічних компонентів редокс-систем у генетично модифікованих рослин можуть бути скла- довою підвищеної осмотолерантності. Підвищення осморезистентності кукурудзи уможливить впровадження систем міне- рального живлення з високим рівнем засвоєння окремих іонів, які побудовані на зростанні ло- кальних концентрацій окремих елементів та відрізняються підвищеним рівнем резистент- 102 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2019. № 7 В.В. Швартау, С.І. Михальська, Л.М. Михальська ності до нестачі вологи. При цьому зниження вмісту ряду важких металів дасть змогу більш широко використовувати в системах живлення фосфорні добрива, які можуть бути небез- печними щодо забруднення ґрунтів та рослин важкими металами. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. Salt D.E., Baxter I., Lahner B. Ionomics and the study of the plant ionome. Annu. Rev. Plant Biol. 2008. 59. P. 709—733. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.59.032607.092942 2. Baxter I., Dilkes B.P. Elemental profiles reflect plant adaptations to the environment. Science. 2012. 336, Iss. 6089. P. 1661—1663. https://doi.org/10.1126/science.1219992 3. Williams L., Salt D.E. The plant ionome coming into focus. Curr. Opin. Plant Biol. 2009. 12, № 3. P. 247—249. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2009.05.009 4. Huang X.-Y., Salt D.E. Plant ionomics: From elemental profiling to environmental adaptation. Mol. Plant. 2016. 9, Iss. 6. P. 787—797. https://doi.org/10.1016/j.molp.2016.05.003 5. Pokhylko S. Yu., Schwartau V. V., Mykhalska L. M., Dugan O. M., Morgan B. V. ICP-MS analysis of bread wheat carrying the GPC-B1 gene of Triticum turgidum ssp. dicoccoides. Biotechnologia acta. 2016. 9, № 5. Р. 64—69. https://doi.org/10.15407/biotech9.05.064 6. Чумаков М.И., Рожок Н.А., Великов В.А., Тырнов В.С., Волохина И.В. Трансформация кукурузы пу- тем инокуляции агробактериями пестичных нитей in planta. Генетика. 2006. 42, № 8. С. 1083—1088. 7. Тищенко Е.Н., Комисаренко А.Г., Михальская С.И., Сергеева Л.Е., Адаменко Н.И., Моргун Б.В., Ко- четов А.В. Agrobacterium-опосредованная трансформация подсолнечника (Helianthus annuus L.) in vitro и in planta с использованием штамма LBA4404, несущего плазмиду pBI2E с двухцепочечным РНК-супрессором гена пролиндегидрогеназы. Цитология и генетика. 2014. 48, № 4. С. 19—30. 8. Михальская С.И., Сергеева Л.Е., Матвеева А.Ю., Коберник Н.И., Кочетов А.В., Тищенко Е.Н., Мор- гун В.В. Повышение содержания свободного пролина в осмотолерантных растениях кукурузы с двух- це почечным РНК-супресором гена пролиндегидрогеназы. Физиология растений и генетика. 2014. 46, № 6. С. 482—489. 9. Моргун Б.В., Тищенко Е.Н. Молекулярные биотехнологии по повышению устойчивости культурных злаков к осмотическим стрессам. Киев: Логос, 2014. 221 с. 10. Моргун В.В., Дубровна О.В., Моргун Б.В. Сучасні біотехнології отримання стійких до стресів рослин пшениці. Физиология растений и генетика. 2016. 48, № 3. С. 196—214. 11. Brodersen P., Voinnet O. The diversity of RNA silencing pathways in plants. Trends Genet. 2006. 22, № 5. P. 268—280. 12. Borsani O., Zhu J., Verslues E. P., Sunkar R., Zhu J.K. Endogenous siRNAs derived from a pair of natural cis- antisense transcripts regulate salt tolerance in Arabidopsis. Cell. 2005. 123. P. 1279—1291. 13. Hamilton A.J., Baulcombe D.C. A species of small antisense RNA in posttranscriptional gene silencing in plants. Science. 1999. 286, № 5441. P. 950—952. 14. Yin X.-Y., Yang A.-F., Zhang K.-W., Zhang J.-R. Production and analysis of transgenic maize with improved salt tolerance by the introduction of AtNHX1 gene. Acta Bot. Sin. 2004. 46, № 7. P. 854—861. 15. Cakmak I. Enrichment of cereal grains with zinc: Agronomic or genetic biofortification? Plant and Soil. 2008. 302, № 1. P. 1—17. Надійшло до редакції 18.05.2019 REFERENCES 1. Salt, D. E., Baxter, I. & Lahner, B. (2008). Ionomics and the study of the plant ionome. Annu. Rev. Plant Biol., 59, pp. 709-733. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.59.032607.092942 2. Baxter, I. & Dilkes, B. P. (2012). Elemental profiles reflect plant adaptations to the environment. Science, 336, Iss. 6089, pp. 1661-1663. https://doi.org/10.1126/science.1219992 3. Williams, L. & Salt, D. E. (2009). The plant ionome coming into focus. Curr. Opin. Plant Biol., 12, No. 3, pp. 247-249. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2009.05.009 4. Huang, X.-Y. & Salt, D. E. (2016). Plant ionomics: From elemental profiling to environmental adaptation. Mol. Plant., 9, Iss. 6, pp. 787-797. https://doi.org/10.1016/j.molp.2016.05.003 103ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2019. № 7 Зміни іоному генетично модифікованих рослин кукурудзи з дволанцюговим РНК-супресором гена... 5. Pokhylko, S. Yu., Schwartau, V. V., Mykhalska, L. M., Dugan, O. M., & Morgan, B. V. (2016). ICP-MS ana- lysis of bread wheat carrying the GPC-B1 gene of Triticum turgidum ssp. dicoccoides. Biotechnologia acta, 9, No. 5, pp. 64-69. https://doi.org/10.15407/biotech9.05.064 6. Chumakov, M. I., Rozhok, N. A., Veliko, V. A., Tyrnov, V. S. & Volokhina, I. V. (2006). Agrobacterium-mediated in planta transformation of maize via pistil filaments. Russ. J. Genet., 42, No. 8, pp. 893-897. 7. Tishchenko, O. M., Komisarenko, А. G., Mykhalska, S. I., Sergeeva, L. E., Adamenko, N. I., Morgun, B. V. & Kochetov, A. V. (2014). Agrobacterium-mediated sunflower transformation (Helianthus annuus L.) in vitro and in planta using strain of LВА4404 harboring binary vector pBi2E with dsRNA-suppressor proline dehy- drogenase gene. Tsitol. Genet., 48, No. 4, pp. 19-30 (in Russian). 8. Mykhalska, S. I., Sergeeva, L. E., Matveeva, А. Yu., Kobernyk, N. I., Kochetov, A. V., Tishchenko, O. M. & Morgun, V. V. (2014). The elevation of free proline content in osmotolerant transgenic corn plants with dsRNA suppressor of proline dehydrogenase gene. Fiziologiya rastenii i genetika, 46, No. 6, pp. 482-489 (in Russian). 9. Morgun, B. V. & Tishchenko, O. M. (2014). Molecular biotechnology to improve the sustainability of cul- tural cereals to osmotic stress. Kyiv: Logos (in Russian). 10. Morgun, V. V., Dubrovna, О. V. & Morgun, B. V. (2016). The modern biotechnologies of producing wheat plants resistant to stresses. Fiziologiya rastenii i genetika, 48, No. 3, pp. 196-214 (in Ukrainian). 11. Brodersen, P. & Voinnet O. (2006). The diversity of RNA silencing pathways in plants. Trends Genet., 22, No. 5, pp. 268-280. 12. Borsani, O., Zhu, J., Verslues, P. E., Sunkar, R. & Zhu, J. K. (2005). Endogenous siRNAs derived from a pair of natural cis-antisense transcripts regulate salt tolerance in Arabidopsis. Cell, 123, pp. 1279-1291. 13. Hamilton, A. J. & Baulcombe, D. C. (1999). A species of small antisense RNA in posttranscriptional gene si- lencing in plants. Science, 286, No. 5441, pp. 950-952. 14. Yin, X.-Y., Yang, A.-F., Zhang, K.-W. & Zhang, J.-R. (2004). Production and analysis of transgenic maize with improved salt tolerance by the introduction of AtNHX1 gene. Acta Bot. Sin., 46, No. 7, pp. 854-861. 15. Cakmak, I. (2008). Enrichment of cereal grains with zinc: Agronomic or genetic biofortification? Plant and Soil, 302, No. 1, pp. 1-17. Received 18.05.2019 В.В. Швартау, С.И. Михальская, Л.Н. Михальская Институт физиологии растений и генетики НАН Украины, Киев E-mail: VictorSchwartau@gmail.com ИЗМЕНЕНИЯ ИОНОМА ГЕНЕТИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ РАСТЕНИЙ КУКУРУЗЫ С ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫМ РНК-СУПРЕССОРОМ ГЕНА ПРОЛИНДЕГИДРОГЕНАЗЫ Исследован ионом трансгенных растений кукурузы с двухцепочечным (ds)РНК-супрессором гена про- линдегидрогеназы, полученных путем Agrobacterium-опосредованной трансформации in planta растений инбредной линии 370 селекции Института физиологии растений и генетики НАН Украины. Анализ се- менного Т3-поколения растений кукурузы с частичной супрессией активности пролиндегидрогеназы и повышенной устойчивостью к осмотическим стрессам показал дифференциальные изменения отдельных компонентов ионома: повышение содержания элементов Mg, Mn, Fe, Cu и Mo на фоне снижения содер- жания Са, К, Na и значительное снижение уровня ионов тяжелых металлов: Ni, Ba, Cd, Sr. Повышение со держания неорганических составляющих редокс-компонентов — Mn, Cu, Fe, за исключением Zn, являет ся важным для формирования повышенной осморезистентности. Можно прогнозировать, что ко- личест венные изменения неорганических компонентов редокс-систем в генетически модифицированных рас тениях могут быть составляющей повышенной устойчивости к осмотическому стрессу. Повышение осморезистентности кукурузы позволит внедрять системы минерального питания с высоким уровнем усвоения отдельных ионов, которые построены на повышении локальных концентраций отдельных эле- ментов и отличаются повышенным уровнем резистентности к дефициту влаги. Снижение содержания ряда тяжелых металлов позволит более широко использовать в системах питания фосфорные удобрения, которые могут быть небезопасными при загрязнении почв и растений тяжелыми металлами. Ключевые слова: ионом, кукуруза, siРНК, осмотолерантность, трансгенез. В.В. Швартау, С.І. Михальська, Л.М. Михальська V.V. Schwartau, S.I. Mykhalska, L.M. Mykhalska Institute of Plant Physiology and Genetics of the NAS of Ukraine, Kyiv E-mail: VictorSchwartau@gmail.com CHANGES IN THE IONOME OF GENETICALLY MODIFIED CORN PLANTS WITH DOUBLE-STRANDED RNA-SUPPRESSOR OF PROLINE DEHYDROGENASE GENE The corn transgenic plant ionome with double-stranded (ds) RNA suppressor of the proline dehydrogenase ge ne obtained by the Agrobacterium-mediated transformation in planta plants of inbred line 370 of the Institute of Plant Physiology and Genetics NAS of Ukraine selection is studied. The analysis of seed T3 generation of corn plants with partial suppression of the activity of proline dehydrogenase and an increased resistance to the osmotic stress has shown differential changes of individual components of the ionome, namely: an increase in the content of Mg, Mn, Fe, Cu, and Mo, decreasing the content of Ca, K, and Na, and a significant reduction in the level of heavy metal ions: Ni, Ba, Cd, Sr. The growth of the content of the inorganic components of redox components, Mn, Cu, Fe, with the exception of Zn, is important for the formation of increased plant’s osmoresis- tance. It can be predicted that quantitative changes in the inorganic components of redox systems in genetically modified plants may be part of the increased resistance to osmotic stress. Increasing the resistance of corn will allow the introduction of mineral nutrition systems with high levels of assimilation of individual ions, which are based on the growth in local concentrations of individual elements and are characterized by increased levels of resistance to a moisture deficit. Reducing the content of a number of heavy metals in plants will allow the more extensive use of phosphorus fertilizers in the systems of nutrition that can be dangerous for soils and plants through the contamination by heavy metals. Keywords: ionome, corn, siRNA, osmotolerance, transgenesis.

Similar Items