Получение и анализ композитных растений томата Solanum lycopersicum L., трансформированных генами рецепторов сигнальных молекул ризобий у гороха

Получение и анализ композитных растений томата Solanum lycopersicum L., трансформированных генами рецепторов сигнальных молекул ризобий у гороха

Автор: Рудая Е.С., Долгих Е.А.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Симбиотические взаимодействия

Статья в выпуске: 3 т.56, 2021 года.

Бесплатный доступ

В основе развития бобово-ризобиального симбиоза лежит сигнальный обмен между партнерами, что обеспечивает их взаимное узнавание, активацию инфекционного процесса и программы органогенеза клубеньков. Интерес представляет изучение возможности приобретения небобовыми растениями способности к рецепции сигнальных молекул ризобий - липохитоолигосахаридных сигналов Nod-факторов и дальнейшей трансдукции сигнала. У гороха ранее были выявлены две рецепторные киназы - SYM10 и K1, которые необходимы для узнавания Nod-факторов при инициации симбиоза с ризобиями. При рецепции Nod-факторов формируется комплекс между этими двумя рецепторными киназами, что приводит к сигнальной трансдукции. В настоящей работе был осуществлен перенос двух генов, кодирующих LysM-РПК SYM10 и K1 у гороха Pisum sativum L., в растения томата Solanumlycopersicum L. с помощью агробактериальной трансформации. У композитных растений, трансформированных генами PsSym10 или PsK1 , впервые выявлена возможность активации экспрессии перенесенных генов рецепторов под влиянием инокуляции типовым штаммом ризобий Rhizobiumleguminosarum bv. viciae CIAM1026. Также показано, что под влиянием рецепторов в генетически трансформированных корнях композитных растений увеличивается экспрессия генов, которые могут регулироваться компонентами «общего» сигнального пути. Целью работы было изучение возможности приобретения растениями S. lycopersicum способности к узнаванию сигнальных молекул ризобий за счет переноса генов, кодирующих рецепторы Nod-факторов у бобового растения P. sativum . Для проведения экспериментов были получены и использованы два вида конструкций в векторе pKm43GW, в которых гены рецепторов PsSym10 или PsK1 были клонированы под промотором гена экстенсина томата pSlEXT1 - pSlEXT1:: PsSym10-3xFLAG ::T35S и pSlEXT1:: PsK1-RFP ::T35S. Молодые проростки томата S. lycopersicum сорта Carmello были трансформированы штаммом Agrobacterium rhizogenes Arqua 1. Трансформированные проростки помещали на агаризованную среду Мурасиге-Скуга (MC) без сахарозы в чашках Петри и культивировали в вертикальном положении в фитотроне до появления каллуса. После этого растения переносили на среду МС c 3 % cахарозы, содержащую 0,3 мг/мл антибиотика цефотаксима, и инкубировали до появления трансгенных корней. Композитные растения переносили в вермикулит, политый 0,5½ средой Fahreus и инкубировали в условиях повышенной влажности в течение 2-3 сут. После этого растения были инокулированы штаммом R. legumi-nosarum bv. viciae CIAM1026, содержащим ген глюкуронидазы uidA ( GUS ). Для анализа использовали трансформированные корни композитных растений томата без инокуляции ризобиями (контроль, 7 сут), а также трансформированные корни через 7 и 21 сут после инокуляции. Количественный анализ экспрессии генов проводили методом количественной ПЦР, совмещенной с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР). При использовании промотора pSlEXT1 наблюдали экспрессию обоих генов PsSym10 и PsK1 в генетически трансформированных корнях растений томата, при этом экспрессия усиливалась под влиянием инокуляции ризобиями. Было показано существенное (примерно в 2,0-2,5 раза) повышение экспрессии гена PsSym10 в ответ на инокуляцию ризобиями как на 7-е, так и на 21-е сут. Уровень экспрессия PsK1 оказался самым высоким через 7 сут после инокуляции в трансформированных корнях композитных растений томата по сравнению с контролем. Чтобы определить, будут ли активироваться компоненты «общего» сигнального пути под влиянием перенесенных рецепторов в композитных растениях томата, были оценены изменения в экспрессии генов S. lycopersicum SlD27 , SlNSP2 , SlRAM1 и SlMAPK6 . Эти гены кодируют каротиноид-изомеразу (DWARF27), регулирующую синтез гормонов стриголактонов, транскрипционные факторы NSP2 и RAM1, а также митоген-активируемую протеинкиназу (MAPK6). Активация экспрессии двух генов SlNSP2 и SlMAPK6 в ответ на инокуляцию может свидетельствовать о влиянии перенесенного гена K1 гороха на восприимчивость растений томата к инокуляции ризобиями.

Еще

Бобово-ризобиальный симбиоз, рецептор-подобные киназы, nod-факторы, композитные растения томата, экспрессия генов

Короткий адрес: https://sciup.org/142231363

IDR: 142231363   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2021.3.465rus

Список литературы Получение и анализ композитных растений томата Solanum lycopersicum L., трансформированных генами рецепторов сигнальных молекул ризобий у гороха

  • van Velzen R., Holmer R., Bu F., Rutten L., van Zeijl A., Liu W., Santuari L., Cao Q., Sharma T., Shen D., Roswanjaya Y., Wardhani T.A.K., Kalhor M.S., Jansen J., van den Hoogen J., Güngör B., Hartog M., Hontelez J., Verver J., Yang W.C., Schijlen E., Repin R., Schilthuizen M., Schranz M.E., Heidstra R., Miyata K., Fedorova E., Kohlen W., Bisseling T., Smit S., Geurts R. Comparative genomics of the nonlegume Parasponia reveals insights into evolution of nitrogen-fixing rhizobium symbioses. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115(20): E4700-E4709 (doi: 10.1073/pnas.1721395115).
  • Murray J.D. Invasion by invitation: rhizobial infection in legumes. Molecular Plant-Microbe In-teractions, 2011, 24(6): 631-639 (doi: 10.1094/MPMI-08-10-0181).
  • Cullimore J.V., Ranjeva R., Bono J.-J. Perception of lipo-chitooligosaccharidic Nod factors in legumes. Trends in Plant Science, 2001, 6(1): 24-30 (doi: 10.1016/S1360-1385(00)01810-0).
  • Martin F.M., Uroz S., Barker D.G. Ancestral alliances: plant mutualistic symbioses with fungi and bacteria. Science, 2017, 356(6340): eaad4501 (doi: 10.1126/science.aad4501).
  • de Bruijn F.J. The common symbiotic signaling pathway (CSSP or SYM). In: The model legume Medicago truncatula /F.J. de Bruijn (ed.). John Wiley & Sons, New Jersey, 2020 (doi: 10.1002/9781119409144.part8).
  • Diédhiou I., Diouf D. Transcription factors network in root endosymbiosis establishment and de-velopment. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2018, 34(3): 37 (doi: 10.1007/s11274-018-2418-7).
  • Xue L., Klinnawee L., Zhou Y., Saridis G., Vijayakumar V., Brands M., Dörmann P., Gigolash-vili T., Turck F., Bucher M. AP2 transcription factor CBX1 with a specific function in symbiotic exchange of nutrients in mycorrhizal Lotus japonicus. Proceedings of the National Academy of Sci-ences, 2018, 115(39): E9239-E9246 (doi: 10.1073/pnas.1812275115).
  • Broghammer A., Krusell L., Blaise M., Sauer J., Sullivan J.T., Maolanon N., Vinther M., Lo-rentzen A., Madsen E.B., Jensen K.J., Roepstorff P., Thirup S., Ronson C.W., Thygesen M.B., Stougaard J. Legume receptors perceive the rhizobial lipochitin oligosaccharide signal molecules by direct binding. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(34): 13859-13864 (doi: 10.1073/pnas.1205171109).
  • Fliegmann J., Canova S., Lachaud C., Uhlenbroich S., Gasciolli V., Pichereaux C., Rossignol M., Rosenberg C., Cumener M., Pitorre D., Lefebvre B., Gough C., Samain E., Fort S., Driguez H., Vauzeilles B., Beau J.M., Nurisso A., Imberty A., Cullimore J., Bono J.J. Lipo-chitooligosaccha-ridic symbiotic signals are recognized by LysM receptor-like kinase LYR3 in the legume Medicago truncatula. ACS Chemical Biology, 2013, 8(9): 1900-1906 (doi: 10.1021/cb400369u).
  • Bozsoki Z., Gysel K., Hansen S.B., Lironi D., Krönauer C., Feng F., de Jong N., Vinther M., Kamble M., Thygesen M.B., Engholm E., Kofoed C., Fort S., Sullivan J.T., Ronson C.W., Jensen K.J., Blaise M., Oldroyd G., Stougaard J., Andersen K.R., Radutoiu S. Ligand-recogniz-ing motifs in plant LysM receptors are major determinants of specificity. Science, 2020, 369(6504): 663-670 (doi: 10.1126/science.abb3377).
  • Bozsoki Z., Cheng J., Feng F., Gysel K., Vinther M., Andersen K.R., Oldroyd G., Blaise M., Radutoiu S., Stougaard J. Receptor-mediated chitin perception in legume roots is functionally separable from Nod factor perception. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017, 114(38): E8118-E8127 (doi: 10.1073/pnas.1706795114).
  • Leppyanen I.V, Shakhnazarova V.Y., Shtark O.Y., Vishnevskaya N.A., Tikhonovich I.A., Dol-gikh E.A. Receptor-like kinase LYK9 in Pisum sativum L. is the CERK1-like receptor that con-trols both plant immunity and AM symbiosis development. International Journal of Molecular Sciences, 2017, 19(1): 8 (doi: 10.3390/ijms19010008).
  • Bisseling T., Geurts R. Specificity in legume nodule symbiosis. Science, 2020, 369(6504): 620-621 (doi: 10.1126/science.abd3857).
  • He J., Zhang C., Dai H., Liu H., Zhang X., Yang J., Chen X., Zhu Y., Wang D., Qi X., Li W., Wang Z., An G., Yu N., He Z., Wang Y.-F., Xiao Y., Zhang P., Wang E. A LysM receptor heteromer mediates perception of arbuscular mycorrhizal symbiotic signal in rice. Molecular Plant, 2019, 12(12): 1561-1576 (doi: 10.1016/j.molp.2019.10.015).
  • Den Camp R.O., Streng A., De Mita S., Cao Q., Polone E., Liu W., Ammiraju J.S.S., Kudrna D., Wing R., Untergasser A., Bisseling T., Geurts R. LysM-type mycorrhizal receptor recruited for rhizobium symbiosis in nonlegume Parasponia. Science, 2011, 331(6019): 909-912 (doi: 10.1126/science.1198181).
  • Buendia L., Wang T., Girardin A., Lefebvre B. The LysM receptor-like kinase SlLYK10 regulates the arbuscular mycorrhizal symbiosis in tomato. New Phytologist, 2016, 210(1): 184-195 (doi: 10.1111/nph.13753).
  • Liao D., Sun X., Wang N., Song F., Liang Y. Tomato LysM receptor-like kinase SlLYK12 is involved in arbuscular mycorrhizal symbiosis. Frontiers in Plant Science, 2018, 9: 1004 (doi: 10.3389/fpls.2018.01004).
  • Girardin A., Wang T., Ding Y., Keller J., Buendia L., Gaston M., Ribeyre C., Gasciolli V., Auriac M.C., Vernié T., Bendahmane A., Ried M.K., Parniske M., Morel P., Vandenbussche M., Schorderet M., Reinhardt D., Delaux P.M., Bono J.J., Lefebvre B. LCO receptors involved in arbuscular mycorrhiza are functional for rhizobia perception in legumes. Current Biology, 2019, 29(24): 4249-4259.e5 (doi: 10.1016/j.cub.2019.11.038).
  • Staehelin C., Granado J., Müller J., Wiemken A., Mellor R.B., Felix G., Regenass M., Brough-ton W.J., Boller T. Perception of Rhizobium nodulation factors by tomato cells and inactivation by root chitinases. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1994, 91(6): 2196-2200 (doi: 10.1073/pnas.91.6.2196).
  • Kirienko A.N., Porozov Y.B., Malkov N. V., Akhtemova G.A., Le Signor C., Thompson R., Saffray C., Dalmais M., Bendahmane A., Tikhonovich I.A., Dolgikh E.A. Role of a receptor-like kinase K1 in pea Rhizobium symbiosis development. Planta, 2018, 248(5): 1101-1120 (doi: 10.1007/s00425-018-2944-4).
  • Madsen E.B., Madsen L.H., Radutoiu S., Olbryt M., Rakwalska M., Szczyglowski K., Sato S., Kaneko T., Tabata S., Sandal N., Stougaard J. A receptor kinase gene of the LysM type is involved in legume perception of rhizobial signals. Nature, 2003, 425(6958): 637-640 (doi: 10.1038/na-ture02045).
  • Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bio-assays with tobacco tissue cultures. Physiologia Plantarum, 1962, 15(3): 473-497 (doi: 10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x).
  • Rival P., de Billy F., Bono J.J., Gough C., Rosenberg C., Bensmihen S. Epidermal and cortical roles of NFP and DMI3 in coordinating early steps of nodulation in Medicago truncatula. Devel-opment, 2012, 139(18): 3383-3391 (doi: 10.1242/dev.081620).
  • Ligero F., Lluch C., Olivares J. Evolution of ethylene from roots of Medicago sativa plants inoc-ulated with Rhizobium meliloti. Journal of Plant Physiology, 1986, 125(3-4): 361-365 (doi: 10.1016/S0176-1617(86)80158-4).
  • Chiu C.H., Paszkowski U. Receptor-like kinases sustain symbiotic scrutiny. Plant Physiology, 2020, 182(4): 1597-1612 (doi: 10.1104/PP.19.01341).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp