Роль гена NDB2 при низкотемпературном стрессе у теплолюбивых растений

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-24-00097

НазваниеРоль гена NDB2 при низкотемпературном стрессе у теплолюбивых растений

Руководитель Боровский Геннадий Борисович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук , Иркутская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-206 - Физиология и биохимия растений

Ключевые слова NDB2, Nicotiana tabacum, Arabidopsis thaliana, митохондрии растений, низкотемпературный стресс, устойчивость растений, альтернативные дыхательные пути, активные формы кислорода, митохондриальный стресс

Код ГРНТИ34.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Стресс и повреждения от низкотемпературного воздействия это то, с чем непрерывно сталкиваются растения в течение всей своей жизни. Особенно учащаются такие воздействия, и возрастает экономический ущерб в условиях меняющегося и неустойчивого климата. Поэтому крайне актуально получить возможность увеличить как базовую, так и индуцированную устойчивость теплолюбивых растений, которые снижают свою продуктивность и повреждаются уже при низких положительных температурах. Растения обладают многими механизмами повышения своей толерантности, одним из которых является перестройка энергетического метаболизма клетки и активация альтернативных путей транспорта электронов в митохондриях. Важнейшим из малоисследованных альтернативных дыхательных ферментов при низкотемпературном стрессе является альтернативная NADH-дегидрогеназа, которая располагается на наружной стороне внутренней митохондриальной мембраны. У арабидопсиса она имеет название NDB2. Для исследования роли этого фермента при низкотемпературном стрессе у теплолюбивых растений были получены трансгенные по гену NDB2 Arabidopsis thaliana растения табака. Такие модельные растения ранее не были известны в мире и они как никакие другие подходят для изучения роли этого белка при низкой температуре у чувствительных к холоду растений. Ведь в этот момент таким растениям важно не только снизить воздействие на дыхательные комплексы цитохромного пути, но и сбалансировать восстановительный потенциал хлоропластов, чтобы избежать повреждений фотосинтетического аппарата и клетки в целом. Между тем роль альтернативных путей дыхания при низкотемпературном стрессе, хотя и признается важной, но детально во многом неясна и требует дальнейших исследований. В ходе запланированных экспериментов планируется установить роль NDB2 как источника активных форм кислорода (АФК) при стрессе и комфортной температуре, влияние повышенной активности NDB2 на устойчивость растений к низкой температуре и другим стрессам, регуляторную роль NDB2 по отношению к экспрессии других генов альтернативных дыхательных путей и генов стрессовых белков.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Боровский Г.Б., Горбылева Е.Л., Катышев А.И., Коротаева Н.Е., Полякова Е.А., Пятрикас Д.В., Федосеева И.В., Шигарова А.М. Влияние гиперэкспрессии гена альтернативной внешней NADH-дегидрогеназы арабидопсиса на устойчивость трансформированных растений табака к отрицательной температуре Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология (год публикации - 2023)

2. Коротаева Н.Е., Шигарова А.М., Катышев А.И., Федосеева И.В., Федяева А.В., Савчин Д.В., Шишлова-Соколовская А.М., Урбанович О.Ю., Боровский Г.Б. Влияние экспрессии гетерологичного гена NDB2 Arabidopsis thaliana на рост и дыхательную активность Nicotiana tabacum Физиология растений, Т. 70, № 5.- С. 461–471 (год публикации - 2023)
10.31857/S001533032360003

3. Боровский Г.Б., Коротаева Н.Е., Шигарова А.М., Катышев А.И., Федосеева И.В., Полякова Е.А., Федяева А.В., Савчин Д.В., Шишлова-Соколовская А.М., Урбанович О.Ю. Влияние экспрессии гетерологичного гена NDB2 Arabidopsis thaliana на рост, устойчивость к низкой температуре и дыхательную активность Nicotiana tabacum Устойчивость растений и микроорганизмов к неблагоприятным факторам среды: тезисы докладов VI Всероссийской научной конференции с международным участием / Иркутск - Большое Голоустное (03–07 июля 2023 года). – Иркутск: Иркутский государственный университет, Иркутск. Издательство ИГУ. 2023. – С. 23. (год публикации - 2023)
978-5-9624-2170-4.2023.1-228

4. Боровский Г.Б., Горбылева Е.Л., Катышев А.И., Пятрикас Д.В., Федосеева И.В. The role of alternative respiratory enzymes in photosynthetic plant cells under stress Журнал стресс-физиологии и биохимии (год публикации - 2025)

5. Боровский Г.Б., Горбылева Е.Л., Катышев А.И., Коротаева Н.Е., Полякова Е.А., Пятрикас Д.В., Степанов А.В., Федосеева И.В., Шигарова А.М. Влияние повышенной экспрессии гена митохондриальной альтернативной внешней NADH-дегидрогеназы Arabidopsis thaliana на уровень генерации активных форм кислорода в листьях табака Nicotiana tabacum при низкой температуре Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология (год публикации - 2024)

6. Боровский Г.Б., Горбылева Е.Л., Катышев А.И., Коротаева Н.Е., Полякова Е.А., Пятрикас Д.В., Сидоров А.В., Степанов А.В., Федосеева И.В., Шигарова А.М. Влияние гиперэкспрессии гена митохондриальной альтернативной «внешней» NAD(P)H-дегидрогеназыарабидопсиса на продукцию активных форм кислорода в клетках табака при низкотемпературном стрессе Генофонд и селекция растений: Материалы 7-й Международной конференции «Генофонд и селекция растений», посвященной 95-летию академика РАН П.Л. Гончарова (Новосибирск, Россия, 10–12 апреля 2024 г.) / Федер. исслед. центр Ин-т цитологии и генетики Сиб. отделения Рос. академии наук. – Новосибирск : ИЦиГ СО РАН, 2024. – 448 с. – ISBN 978–5–91291–066–1. – DOI 10.18699/GPB-2024-01, Генофонд и селекция растений: Материалы 7-й Международной конференции «Генофонд и селекция растений», посвященной 95-летию академика РАН П.Л. Гончарова (Новосибирск, Россия, 10–12 апреля 2024 г.) / Федер. исслед. центр Ин-т цитологии и генетики Сиб. отделения Рос. академии наук. – Новосибирск : ИЦиГ СО РАН, 2024. с.64-67. (год публикации - 2024)
10.18699/GPB2024-17

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 г проведено исследование возможной толерантности, вызываемой экспрессией в табаке At_NDB2 и формированием активной нефосфорилирующей дыхательной цепи, были проведены для высокой и низкой температуры, а также засухи. Эксперименты не продемонстрировали, отличий в устойчивости растений линии 13S в ту или иную сторону от растений дикого типа. Данные о скорости поглощения кислорода изолированными митохондриями из листьев трансгенных растений и растений дикого типа свидетельствуют, что в трансгенных растениях табака, вероятно, вследствие конститутивной высокой экспрессии At_NDB2 происходит активация дыхания как через нефосфорилирующий путь, так и с использованием фосфорилирующего цитохромного пути. Причем, как установлено в этом году, происходит активация скорости дыхания с использованием всех субстратов дыхания, что свидетельствует о более высокой потенциальной активности митохондрий этих растений как собственно к каноническим функциям митохондрий, так и к функционированию в качестве гомеостатирующего буфера, позволяющего держать под контролем баланс производства АТФ, регулировку уровня восстановленности пиридиннуклеотидов, генерации АФК и АФА, а также позволяющего оптимизировать основные метаболические потоки, что особенно важно при стрессах. Выяснили также, что после снижения температуры до 10 °С или 5 °С происходило увеличение скорости дыхания корней у растений обоих типов. Стоит отметить, что скорость дыхания корней линии 13S, при температурах 10 °С и 5 °С, была значимо выше (1,4 раза), чем у корней растений дикого типа. Кроме того, оказалось, что при снижении температуры последовательно падает доля альтернативного пути в суммарном потреблении кислорода корнями табака. Возможно, с этим также связан более высокий уровень генерации АФК в корнях табака растений линии 13S, который был замечен в предыдущий период выполнения проекта. Было установлено, что экспрессия AtNDB2 и вызванные этим изменения в активности путей электронного транспорта в митохондриях не приводят к существенным изменениям в экспрессии собственных генов альтернативных дыхательных путей табака в листьях растений. Определили также, что экспрессия митохондриальных генов, кодирующих субъединицы ЭТЦ митохондрий, при холодовом стрессе снижается, причем более существенно – в трансгенной линии S13. Сходным образом меняется и количество транскриптов отдельных ядерных генов, кодирующих компоненты ЭТЦ митохондрий табака. Более низкий уровень генерации АФК в листьях трансгенных растений, привел к снижению экспрессии гена Mn-содержащей MnСОД табака при низкотемпературном воздействии. Снижение количества транскрипта гена митохондриальной СОД сопровождается существенным снижением активности соответствующего фермента в трансгенных растениях, как показал анализ активности изоферментов СОД в геле. Анализ количества транскриптов ранее выявленных холодоиндуцируемых генов, кодирующих транскрипционные факторы, показал, что они отвечают за различные по скорости запуска стрессовые реакции. Так в первые сутки холодового воздействия индуцируется более выраженно, чем спустя 7 суток, CBF1 - один из ключевых регуляторных генов ответа на холод. При длительном воздействии холода нарастает экспрессия других транскрипционных фактооров, например, ортолога ERF3 арабидопсиса. Для этих генов достоверных различий в количестве транскриптов между растениями дикого типа и трансгенными обнаружено не было. Различия в экспрессии были выявлены в случае ортолога гена PAT1, кодирующего транскрипционный фактор фитохромного сигнального пути. Его экспрессия снижалась в трансгенных растениях при холодовой обработке. Изучения экспрессии многочисленных генов, кодирующих различные HSP, показано, что лишь небольшая их часть является холодоиндуцируемыми у табака, причем их экспрессия активируется преимущественно при длительном воздействии низких температур, в регуляции их экспрессии может быть вовлечен в том числе транскрипционный фактор ERF3 и другие. Данные показали существенные количественные различия в экспрессии исследованных генов в корнях и листьях. Содержание белков альтернативных дыхательных путей AOX, UCP и NDB не изменилось в митохондриях из листьев трансгенных растений, следовательно, регуляция увеличения их активности происходит, в данном случае, на посттрансляционном уровне. В то же время, содержание белков, распознаваемых антителами против NDA в митохондриях из листьев трансгенных растений было выше. Было выявлено влияние гена AtNDB2 на такие параметры фотосинтетического аппарата как максимальный квантовый выход фотосистемы II (Fv/Fm) и величину нефотохимического тушения хлорофилла (NPQ). Эти данные свидетельствуют о том, что сформировавшаяся в митохондриях листьев растений под действием активности гена AtNDB2 нефосфорилирующая дыхательная цепь способствует лучшей и более быстрой адаптации фотосистемы к низкой температуре и снижению генерации АФК в листьях. Общий вывод о роли гена NDB2 при низкотемпературном стрессе у теплолюбивых растений: Ген NDB2 и его ортологи у теплолюбивых растений участвуют в формировании потенциально (при необходимости) высоко активной нефосфорилирующей электрон-транспортной цепи в митохондриях, вызывая пост-трансляционную активацию других элементов альтернативной ЭТЦ. В листьях это приводит к уменьшению генерации АФК при низкой температуре, более стабильному состоянию фотосистемы хлоропластов и уменьшению ее стрессового повреждения. В нефотосинтезирующих клетках это приводит к большему росту дыхания и, возможно, лучшей энергообеспеченности клеток при низкой температуре.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть применимы как теоретическая основа при разработке и проектировании создания продуктивных и устойчивых сельскохозяйственных растений методами геномного редактирования и генетической инженерии.