Связь реакции растений томата на воздействие солевого стресса с особенностями регуляции биосинтеза фенольных соединений

Солевой стресс оказывает негативное воздействие на урожайность культуры томата (Solanum lycopersicum L.). Одним из современных подходов к повышению солеустойчивости сортов томата может быть прайминг семян (предпосевной) или рассады растворами NaCl (цис-прайминг) или других химических агентов, способных стимулировать солеустойчивость (транс-прайминг). Известно, что прайминг способен приводить к эпигенетическим модификациям в геноме растений, необходимым для повышения эффективности ответа на повторные события засоления. Механизм, лежащий в основе солеустойчивости томата, мало изучен, однако может быть связан с содержанием фенольных соединений и активностью L-фенилаланин-аммоний-лиаз (PAL) - ферментов, катализирующих первую стадию фенилпропаноидного пути. В настоящей работе с использованием различающихся по солеустойчивости сортов томата отечественной селекции впервые определена динамика содержания фенольных соединений и экспрессии ключевых генов фенилпропаноидного (группа генов PAL5) и флавоноидного (CHS2) путей в процессе воздействия на растения солевого стресса. Установлено, что в качестве биомаркеров наличия у растений томата стрессовой памяти могут использоваться концентрация фенольных соединений спустя 1 ч воздействия избытком NaCl и снижение экспрессии генов группы PAL5 спустя 24 ч воздействия. Целью нашего исследования стала оценка возможных связей между солеустойчивостью растений томата и регуляцией биосинтеза фенольных соединений. Использовали образцы четырех сортов томата S. lycopersicum - Отрадный (код сорта 8006741), Гном (9401318), Фонарик (9608117) и VS-342-18 (сорт в процессе разработки/регистрации) селекции Федерального научного центра овощеводства (ФНЦО, Московская обл.). По предварительным данным ФНЦО, сорта Отрадный и Гном могли обладать повышенной устойчивостью к избытку соли в почве, тогда как сорта Фонарик и VS-342-18 чувствительны к засолению. Растения из семян урожая 2023 года получали в экспериментальной установке искусственного климата (ФИЦ Биотехнологии РАН, Россия) при следующем режиме: 16 ч/8 ч (день/ночь), 23 °С/21 °С. Взрослые растения в стадии сформированных 8-10 листьев подвергали воздействию солевого стресса. Для этого опытные и контрольные образцы извлекали из почвы и переносили в воду. Спустя 1 ч опытные растения помещали в водный раствор, содержащий 100 мМ NaCl, для имитации солевого стресса; контрольные растения продолжали находиться в воде. Пробы (все листья с одного растения), отобранные через 1, 6 и 24 ч после начала стрессового воздействия, использовали для анализа содержания фенольных соединений и экспрессии ключевых генов фенилпропаноидного и флавоноидного путей. Целевые гены фенилпропаноидного и флавоноидного путей (гены группы PAL и ген CHS2 ) выбирали, основываясь на позиции генов в метаболическом пути и транскриптомных данных базы TomExpress. Экспрессию генов определяли методом количественной ПЦР в реальном времени (ПЦР-РВ). Последовательности праймеров подбирали, используя сравнительный структурный анализ целевых генов и их мРНК с помощью MEGA 7.0 и NCBI-Blast. Было показано, что у всех четырех сортов к 24-му ч воздействия NaCl наблюдался существенный рост содержания фенольных соединений (в зависимости от сорта в ~ 1,4-4,7 раза в сравнении с контролем), тогда как спустя 1 ч после начала воздействия стресса только наиболее солеустойчивый сорт Отрадный характеризовался активным накоплением фенольных соединений (в ~ 2 раза в сравнении с контролем). Неустойчивые к избытку соли сорта Фонарик и VS-342-18 оказались схожи по профилю изменения концентрации фенолов при стрессе. В то же время устойчивые сорта Отрадный и Гном показали сходную динамику только в период с 6-го по 24-й ч, а в точке 1 ч - прямо противоположную, где наиболее устойчивый сорт Отрадный характеризовался активным накоплением фенольных соединений (в ~ 2 раза в сравнении с контролем), сорт Фонарик - снижением их количества (в ~ 2 раза в сравнении с контролем). С помощью in silico анализа транскриптомов томата среди генов L-фенилаланин-аммоний-лиаз и халконсинтаз были определены целевые гены фенилпропаноидного и флавоноидного путей, наиболее высокоэкспрессирующиеся в листьях томата. Группа выбранных генов включала четыре из 16 известных генов PAL (Solyc09g007890, Solyc09g007900, Solyc09g007910 - PAL5 , Solyc09g007920 - PAL3 ) и один из двух известных генов халконсинтазы CHS2 (Solyc05g053550). Показано, что каждый из четырех сортов томата характеризовался индивидуальной динамикой экспрессии целевых генов при воздействии стресса. Отличием наиболее солеустойчивого сорта Отрадный от других анализируемых сортов стало снижение содержания транскриптов генов группы PAL5 через 24 ч после начала стресса. В случае гена CHS2 неустойчивые сорта Фонарик и VS-342-18 показали прямо противоположную динамику экспрессии гена, тогда как устойчивые сорта Отрадный и Гном имели сходную реакцию. При этом специфических особенностей экспрессии CHS2 у сорта Отрадный в сравнении с другими сортами не наблюдалось.