Биомаркеры алюмотолерантности у зимостойких форм Triticum aestivum L. из коллекции ВИР им. Н.И. Вавилова

Биомаркеры алюмотолерантности у зимостойких форм Triticum aestivum L. из коллекции ВИР им. Н.И. Вавилова

Автор: Лысенко Н.С., Малышев Л.Л., Пузанский Р.К., Шаварда А.Л., Шеленга Т.В.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Метаболиты, метаболомные профили

Статья в выпуске: 1 т.59, 2024 года.

Бесплатный доступ

Кислые почвы составляют около 50 % от всех посевных угодий мира, что ограничивает производство возделываемых культур. Площадь сельскохозяйственных угодий с повышенной кислотностью ежегодно увеличивается, в России она составляет примерно 30 %. В кислых почвах ионы алюминия (Al3+) - основной стрессор для растений, в том числе для пшеницы, которая считается одним из основных и экономически значимых продуктов питания. Большинство устойчивых к Al3+ генотипов представлено гексаплоидными видами пшениц с геномом D, к которым относится Triticum aestivum L. Отличительная черта озимой мягкой пшеницы заключается в сочетании устойчивости к низким температурам с хорошими хлебопекарными качествами муки. С учетом этого поиск алюмотолерантных форм T. aestivum и выявление признаков, связанных с алюмотолерантностью, которые могли бы послужить ее биомаркерами при селекции, остаются актуальной задачей. В коллекции ФИЦ Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР) большая часть гексаплоидных пшениц (44 тыс. образцов) относится к T. aestivum . Изучение генетического потенциала коллекции T. aestivum, представленной в ВИР, позволит выявить новые источники алюмотолерантности. В этом сообщении мы впервые сравнили метаболомные профили коллекционных образцов T. aestivum разного эколого-географического происхождения, адаптированных к условиям северо-запада России, и выявили их особенности у форм с низкой чувствительностью к воздействию ионов алюминия для обнаружения метаболитов - потенциальных маркеров устойчивости к ионам алюминия. Метаболомные профили (МП) 20 образцов T. aestivum (коллекция ВИР) с разной степенью чувствительности к Al3+ изучили методом неспецифического метаболомного профилирования с использованием газовой хроматографии, сопряженной с масс-спектрометрией. МП анализировали в тканях корешков 7-суточных проростков. В МП генотипов с низкой чувствительностью к Al3+ были представлены полиолы, нуклеозиды, лактонные формы органических кислот, свободные жирные кислоты и их производные, триозы, пентозы, гексозы, олигосахара, фенолсодержащие вещества, терпены, фитостеролы. Воздействие стрессора предположительно вызывает изменения в цикле Кребса, синтезе карбогидратов, растительных гормонов, других защитных факторов, глицеролипидов и триглицеридов мембранного комплекса. Методом дисперсионного анализа установлены достоверные отличия МП форм с более выраженной устойчивостью к Al3+ от остальных образцов по содержанию основных соединений, перечисленных выше. Классический дискриминантный анализ с последующим каноническим корреляционным анализом позволил выделить 11 компонентов со 100 % достоверностью разделяющих образцы T. aestivum с разной степенью алюмотолерантности. Наиболее информационно значимыми факторами, характеризующими устойчивые формы T. aestivum, оказались фосфорная, яблочная, янтарная кислоты, четырехатомный (RI = 1537) и пятиатомный (RI = 1735) спирты, метиловый эфир линолевой кислоты, которые можно рассматривать как статистически подтвержденные маркеры алюмоустойчивости (р 3+, для использования при селекции адаптированных к производству в условиях северо-запада России высокопродуктивных сортов T. aestivum с комплексной устойчивостью к стрессорам.

Еще

Triticum aestivum, алюмоустойчивость, неспецифическое метаболомное профилирование, биомаркеры, газовая хроматография с масс-спектрометрией

Короткий адрес: https://sciup.org/142241609

IDR: 142241609   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2024.1.116rus

Список литературы Биомаркеры алюмотолерантности у зимостойких форм Triticum aestivum L. из коллекции ВИР им. Н.И. Вавилова

  • Hernández M., Borges A.A., Francisco-Bethencourt D. Mapping stressed wheat plants by soil aluminum effect using C-band SAR images: implications for plant growth and grain quality. Pre-cision Agriculture, 2022, 23: 1072-1092 (doi: 10.1007/s11119-022-09875-6).
  • Ma J.F., Ryan P.R., Delhaize E. Aluminum tolerance in plants and the complexing role of organic acids. Trends Plant Sciences, 2001, 6: 273-278 (doi: 10.1016/s1360-1385(01)01961-6).
  • Gupta N., Gaurav S., Kumar A. Molecular basis of aluminium toxicity in plants: a review. Amer-ican Journal of Plant Sciences, 2013, 4(12): 21-37 (doi: 10.4236/ajps.2013.412A3004).
  • Яковлева О.В. Фитотоксичность ионов алюминия. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции, 2018, 179(3): 315-331 (doi: 10.30901/2227-8834-2018-3-315-331).
  • Gallo-Franco J.J., Sosa C.C., Ghneim-Herrera T., Quimbaya M. Epigenetic control of plant response to heavy metal stress: a new view on aluminum tolerance. Frontiers Plant Science, 2020, 11:602-625 (doi: 10.3389/fpls.2020.602625).
  • Garcia-Oliveira A.L., Chander S., Barcelo J., Poschenrieder C. Aluminium stress in crop plants. In: Recent advances in plant stress physiology /P. Yadav, S. Kumar, V. Jain (eds.). New Delhi, Astral International Pvt., Ltd., 2016: 237-263.
  • Liu W., Xu F., Lv T., Zhou W., Chen Y., Jin C., Lu L., Lin X. Spatial responses of antioxidative system to aluminum stress in roots of wheat (Triticum aestivum L.) plants. Science of the Total Environment, 2018, 627: 462-469 (doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.01.021).
  • Liu H., Zhu R., Shu K., Lv W., Wang S., Wang C. Aluminum stress signaling, response, and adaptive mechanisms in plants. Plant Signaling Behavior, 2022, 17(1): e2057060 (doi: 10.1080/15592324.2022.2057060).
  • Agegnehu G., Amede T., Erkossa T., Yirga C., Henry C., Tyler R., Nosworthy M.G., Beyene S., Sileshi G.W. Extent and management of acid soils for sustainable crop production system in the tropical agroecosystems: a review, Acta Agriculturae Scandinavica, Section B — Soil & Plant Sci-ence, 2021, 71(9): 852-869 (doi: 10.1080/09064710.2021.1954239).
  • Sarker S., Ghosh S., Hossain M., Ghosh R., Razia S., Sushmoy D., Noor M. Impact of alumin-ium (Al3+) stress on germination and seedling growth of five wheat genotypes. SAARC Journal of Agriculture, 2019, 17(1): 65-76 (doi: 10.3329/sja.v17i1.42762).
  • Shovon H., Sagar A., Mia M., Rakhi F., Tajkia J., Kabir M., Shabi T., Dhar M, Hossain A. Boron-mediated aluminium stress tolerance under aluminium toxicity at germination and early seedling stages of wheat. Progressive Agriculture, 2021, 32(2): 127-139 (doi: 10.3329/pa.v32i2.58397).
  • Авдонин Н.С. Влияние свойств почв и удобрений на качество растений. М., 1972.
  • Baligar V.C. Aluminum toxicity in crop plants. Journal of Plant Nutrition, 1988, 11(3): 303-319 (doi: 10.1080/01904168809363804).
  • Алексеева-Попова Н.В. Клеточно-молекулярные механизмы металлоустойчивости расте-ний. В сб.: Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов. Л., 1991: 5-15.
  • Амосова Н.В., Николаева О.Н., Сынзыныс Б.И. Механизмы алюмотолерантности у куль-турных растений (обзор). Сельскохозяйственная биология, 2007, 1: 36-42.
  • Росстат. Сельское хозяйство, охота и лесное хозяйство 2022. Режим доступа: https://ros-stat.gov.ru/enterprise_economy. Дата обращения: 20.04.2023.
  • Raman H., Zhang K., Cakir M., Appels R., Garvin D., Maron L., Kochian L., Moroni J. Mo-lecular characterization and mapping of ALMT1, the aluminium-tolerance gene of bread wheat (Triticum aestivum L.). Genome, 2021, 48(5): 781-791 (doi: 10.1139/g05-054).
  • Tamas L., Huttova J., Hajasova L., Mistrik I. The effect of aluminium on polypeptide pattern of cell wall proteins isolated from the roots of Al-sensitive and Al-resistant barley cultivars. Acta Physiol. Plant., 2001, 23(2): 161-168 (doi: 10.1007/s11738-001-0004-2).
  • Пухальская Н.В. Проблемные вопросы алюминиевой токсичности. Агрохимия, 2005, 8: 70-82.
  • Niedziela A., Domżalska L., Dynkowska W.M., Pernisová M., Rybka K. Aluminum stress induces irreversible proteomic changes in the roots of the sensitive but not the tolerant genotype of triticale seedlings. Plants, 2022, 11: 165 (doi: 10.3390/plants110201650).
  • Matsumoto H. Cell biology of aluminum toxicity and tolerance in higher plants. International Review of Cytology, 2000, 200: 1-46 (doi: 10.1016/s0074-7696(00)00001-2). 22. Sivaguru M., Fujiwara T., Samaj J., Baluska F. Aluminum-induced 13-beta-D-glucan inhibits cell-to-cell trafficking of molecules through plasmodesmata. A new mechanism of aluminum tox-icity in plants. Plant Physiology, 2000, 124(3): 991-1006 (doi: 10.1104/pp.124.3.991).
  • Kochian L.V., Hoekenga O.A., Pineros M.A. How do crop plants tolerate acid soils? Mechanisms of aluminum tolerance and phosphorous efficiency: Annual Review of Plant Biology, 2004, 55: 459-493 (doi: 10.1146/annurev.arplant.55.031903.141655).
  • Yang G., Wei Q., Huang H., Xia J. Amino acid transporters in plant cells: a brief review. Plants, 2020, 9(8): 967 (doi: 10.3390/plants9080967).
  • Kochian L.V. Cellular mechanisms of aluminum toxicity and resistance in plants. Annual Review of Plant Physiology and Plant Mololecular Biology, 1995, 46: 237-260 (doi: 10.1146/annurev.pp.46.060195.001321).
  • Ryan P.R. Dong D., Teuber F., Wendler N., Mühling K., Liu J., Xu M., Salvador Moreno N., You J., Maurer H.-P., Horst W.J., Delhaize E. Assessing how the aluminum-resistance traits in wheat and rye transfer to hexaploid and octoploid triticale. Frontiers in Plant Science, 2018, 9: 1334 (doi: 10.3389/fpls.2018.01334).
  • Shtark O.Y., Puzanskiy R.K., Avdeeva G.S., Yurkov A.P., Smolikova G.N., Yemelyanov V.V., Kliukova M.S., Shavarda A.L., Kirpichnikova A.A., Zhernakov A.I., Afonin A.M., Tikhono-vich I.A., Zhukov V.A., Shishova M.F. Metabolic alterations in pea leaves during arbuscular my-corrhiza development. PeerJ, 2019, 7: e7495 (doi: 10.7717/peerj.7495).
  • Pinto V.B., Almeida V.C., Pereira-Lima Í.A., Vale E.M., Araujo W.L., Silveira V., Viana J.M.S. Deciphering the major metabolic pathways associated with aluminum tolerance in popcorn roots using label-free quantitative proteomics. Planta, 2021, 254: 132 (doi: 10.1007/s00425-021-03786-y).
  • Mashabela M.D., Piater L.A., Steenkamp P.A., Dubery I.A., Tugizimana F., Mhlongo M.I. Comparative metabolite profiling of wheat cultivars (Triticum aestivum) reveals signatory markers for resistance and susceptibility to stripe rust and aluminium (Al3+) toxicity. Metabolites, 2022, 12(2): 98 (doi: 10.3390/metabo12020098).
  • Пополнение, сохранение в живом виде и изучение мировой коллекции пшеницы, эгилопса и тритикале: методические указания /Под ред. А.Ф. Мережко. СПб, 1999.
  • Лысенко Н.С. Характеристика озимой мягкой пшеницы из Европы и России в условиях Ленинградской области. Мат. конф. молодых ученых и аспирантов «Генетические ресурсы растений и селекция». СПб, 2012, 11-18.
  • Лысенко Н.С., Лосева В.А., Митрофанова О.П. Зимостойкость мягкой пшеницы коллек-ции ВИР в условиях Северо-Западного и Центрально-Черноземного регионов России. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции, 2019, 180(3): 41-49 (doi: 10.30901/2227-8834-2019-3-41-49).
  • Aniol A. Genetics of acid tolerant plant. In: Plant-soil interactions at low pH. Developments in plant and soil sciences /R.J. Wright, V.C. Baligar, R.P. Murrmann (eds.). Springer, Dordrecht, 1991, 45: 1007-1017 (doi: 10.1007/978-94-011-3438-5_113).
  • Косарева И.А., Давыдова Г.В., Семенова Е.В. Методические указания по определению кислотоустойчивости зерновых культур. СПб, 1994.
  • Perchuk I., Shelenga T., Gurkina M., Miroshnichenko E., Burlyaeva M. Composition of primary and secondary metabolite compounds in seeds and pods of asparagus bean (Vigna unguiculata (L.) Walp.) from China. Molecules, 2020, 25: 3778 (doi: 10.3390/molecules25173778).
  • Puzanskiy R., Tarakhovskaya E., Shavarda A., Shishova M. Metabolomic and physiological changes of Chlamydomonas reinhardtii (Chlorophyceae, Chlorophyta) during batch culture devel-opment. Jornal of Applied Phycology, 2018, 30(2): 803-818 (doi: 10.1007/s10811-017-1326-9).
  • Oh M.W., Roy S.K., Kamal A.H., Cho K., Cho S.W., Park C.S., Choi J.S., Komatsu S., Woo S.H. Proteome analysis of roots of wheat seedlings under aluminum stress. Molecular Biology Reports, 2014, 41(2): 671-681 (doi: 10.1007/s11033-013-2905-8).
  • Zia M., Ali J.S., Hanif S., Sajjad A., Abbasi B.H. Lupeol, a plant triterpenoid mitigates salt induced stress: growth and antioxidative response of Brassica nigra under in vitro condition. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 2023, 154: 327-335 (doi: 10.1007/s11240-022-02405-2).
  • Колупаев Ю.Е., Ястреб Т.О. Стресс-протекторные эффекты салициловой кислоты и ее структурных аналогов. Физиология и биохимия культурных растений, 2013, 45(2): 113-126.
  • He Y., Fukushige H., Hildebrand D.F., Gan S. Evidence supporting a role of jasmonic acid in Arabidopsis leaf senescence. Plant Physiology, 2002, 128(3): 876-884 (doi: 10.1104/pp.010843).
  • He M., Ding N.-Z. Plant unsaturated fatty acids: multiple roles in stress response. Frontiers in Plant Science, 2020, 11: 562785 (doi: 10.3389/fpls.2020.562785).
  • Zi X., Zhou S., Wu B. Alpha-linolenic acid mediates diverse drought responses in maize (Zea mays L.) at seedling and flowering stages. Molecules, 2022, 27(3): 771 (doi: 10.3390/molecules27030771).
  • Singh S., Parihar P., Singh R., Singh V.P., Prasad S.M. Heavy metal tolerance in plants: role of transcriptomics, proteomics, metabolomics, and ionomics. Frontiers in Plant Science, 2016, 6: 1143 (doi: 10.3389/fpls.2015.01143).
  • Rodrigues M., Ganança J.F.T., da Silva E.M., dos Santos T.M.M., Slaski J.J., Zimny J., Pinheiro de Carvalho M.Â.A. Evidences of organic acids exudation in aluminium stress responses of two Madeiran wheat (Triticum aestivum L.) landraces. Genetic Resources and Crop Evolution, 2019, 66, 857-869 (doi: 10.1007/s10722-019-00754-0).
  • Барсукова В.С. Физиолого-генетические аспекты устойчивости растений к тяжелым ме-таллам. Экология. Серия аналитических обзоров мировой литературы. Новосибирск, 1997, 47.
  • Delhaize E., Ryan P.R. Aluminum toxicity and tolerance in plants. Plant Physiology, 1995, 107: 315-321 (doi: 10.1104/pp.107.2.315).
  • Sairam R.K., Tyagi A. Physiology and molecular biology of salinity stress tolerance in plants. Current Science, 2004, 86(3): 407-421.
  • Schmitt M., Boras S., Tjoa A., Watanabe T., Jansen S. Aluminium accumulation and intra-tree distribution patterns in three arbor aluminosa (Symplocos) species from Central Sulawesi. PLoS ONE, 2016, 11: e0149078 (doi: 10.1371/journal.pone.0149078).
  • Ito D., Shinkai Y., Kato Y., Kondo T., Yoshida K. Chemical studies on different color develop-ment in blue and red-colored sepal cells of Hydrangea macrophylla. Biosci. Biotechnol. Biochem., 2009, 73: 1054-1059 (doi: 10.1271/bbb.80831).
  • Nigro D., Grausgruber H., Guzman C., Laddomada B. Phenolic compounds in wheat kernels: genetic and genomic studies of biosynthesis and regulation. In: Wheat quality for improving pro-cessing and human health /G. Igrejas, T.M. Ikeda, C. Guzman (eds.). Springer Nature, Basing-stoke, UK, 2020: 225-253 (doi: 10.1007/978-3-030-34163-3_10).
  • Shabir H.W., Vinay K., Varsha Sh., Saroj K.S., Phytohormones and their metabolic engineering for abiotic stress tolerance in crop plants. The Crop Journal, 2016, 4(3): 162-176 (doi: 10.1016/j.cj.2016.01.010).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp