Влияние 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат-дезаминазы на устойчивость растений к стрессовым условиям окружающей среды

 

 

1.4. Создание  трансгенных растений, несущих бактериальный  ген acdS

Этилен является важным растительным гормоном, влияющим на такие процессы, как прорастание, развитие цветков, реакцию на многие факторы окружающей среды. Особенно хорошо изучено влияние этилена на созревание плодов. Использование химических препаратов, блокирующих биосинтез или действие этилена, задерживает созревание плодов и старение многих видов растений. Однако более перспективной считается возможность снижение уровня этилена в растении без экзогенного вмешательства и использования химических веществ, т.е. путем создания трансгенных растений. Например, H. J. Klee et al., 1991, получили трансгенные растения томатов, несущие ген acdS, выделенный из одного из штаммов почвенных бактерий Pseudomonas sp., способных разрушать АЦК. Ген был помещен под контроль 35S-промотора вируса мозаики цветной капусты. Данная конструкция использовалась для трансформации клеток томатов. У некоторых растений, полученных в ходе эксперимента, наблюдался высокий уровень экспрессии АЦК-дезаминазы, а количество этилена снижалось на 90%. Плоды этих растений имели более длительный срок хранения по сравнению с обычными природными растениями.

 Поскольку АЦК участвует только в биосинтезе этилена, введение гена acdS в растение приведет только к ингибированию биосинтеза этилена. Более того, в результате деградации АЦК образуется α-кетобутират, который является естественным метаболитом растений и, следовательно, не оказывает на растение негативного влияния.

V. P. Grichko et al., 2000, получили трансгенные растения  томатов, экспрессирующие ген  acdS под контролем одного из  следующих промоторов: 35S-промотора  вируса мозаики цветной капусты  (обеспечивает конститутивную экспрессию гена), RolD промотора из Agrobacterium rhizogenes (обеспечивает транскрипцию гена только в тканях корня) и PRB-1b промотора из табака. Исследовалась способность полученных трансгенных растений расти в присутствии некоторых  тяжелых металлов (кадмий, кобальт, цинк, никель, свинец, медь). При этом трансгенные растения были менее подвержены негативному влиянию этих металлов по сравнению с нормальными нетрансгенными растениями. Сходные результаты были получены S. Shan et al., 2005, при исследовании способности трансгенных растений рапса, экспрессирующих ген acdS под контролем 35SCaMV или RolD, расти в присутствии повышенных концентраций никеля.

E. Sergeeva et al., 2006, показали, что трансгенные растения  рапса, экспрессирующие acdS ген под контролем 35SCaMV, RolD или PRB-1b промоторов, более устойчивы к солевому стрессу, чем нетрансгенные растения. В ходе эксперимента растения выращивали в среде, содержащей 0-200 мМ NaCl.

 

Заключение

Таким образом, анализ литературных данных по изучаемой теме позволяет сделать сделать следующие выводы:

1. Для ризосферных микроорганизмов рода Pseudomdonas характерна способность к синтезу АЦК-дезаминазы, которая деградирует непосредственный предшественник стрессового этилена – АЦК, тем самым уменьшая  количество фитогормона в клетках растений.Причём показано, что именно способность к синтезу АЦК-дезаминазы является ключевым фактором стимулирования роста растений.

2. Установлено, что бактерии, синтезирующие АЦК-дезаминазу, положительно влияют на устойчивость растений к таким стрессовым факторам, как засоленность почв, загрязнённость почв тяжёлыми металлами, кроме того такие бактерии ингибируют развитие опухолей у томатов и клещевины обыкновенной.

3. Созданы трансгенные растения, несущие бактериальный ген acdS, которые отличаются лучшими параметрами роста и развития, задержанными сроками созревание плодов и старения, а также они более устойчивы к действию биотических и абиотических стрессовых факторов среды. Плоды таких растений имеют более длительные сроки хранения.

 

 

 

 

 

 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гамбург К. З. Биохимия ауксина. – Новосибирск: Наука, 1976.

2. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. – М.: Мир, 2002.

3. Полевой В. В. Фитогормоны. -  Л.: Издательство ЛГУ, 1982.

4. Полевой В. В. Физиология растений. – М.: Высшая школа, 1989.

5. Abeles F. B., Morgan P. W., Saltveit M. E. Ethylene in plant biology, 2nd ed./ N. Y.: Acad. Press, 1992.

6. Bayliss C., Bent E., Culham D. E., MacLellan S., Clarke A. J., Brown G. L. et. al. Bacterial genetic loci implicated in Pseudomonas putida GR 12-2R3- canola mutualism: identification of an exudate-inducible sugar transporter // Can. J. Microbiol. – 1997. – V.43. – p.809-818.

7. Bell C. R., Dickie G. A., Harvey W. L. G., Chan. J. W. Y. F. Endophytic bacteria in grapevine // Can. J. Microbiol. – 1995. – V.41. – p.46-53.

8. Bloemberg G. V., Lugtenberg B. J. J. Molecular basis of plant growth promotion and biocontrol by rhizobacteria // Curr. Opin. Plant Biol. – 2001. – V.4. – p.343-350.

9. Brown M. E. Seed and root bacterization // Ann. Rev. Phytopathol. – 1974. – V.12. – p.181-197.

10. Cheng Z, Duncker BP, McConkey BJ, Glick BR. Transcriptional regulation of ACC deaminase gene expression in Pseudomonas putida UW4.// Can J Microbiol. – 2008 .

11. Dobbelaere S., Vanderleyden J., Okon Y. Plant growth-promoting effects of diazotrophs in the rhizosphere // Crit. Rev. Plant Sci. – 2003. – V.22. – p.107-149.

12. Gamalero E, Berta G, Massa N, Glick BR, Lingua G. Synergistic interactions between the ACC deaminase-producing bacterium Pseudomonas putida UW4 and the AM fungus Gigaspora rosea positively affect cucumber plant growth.// FEMS Microbiol Ecol. - 2008)

13. Gelvin S. B. Agrobacterium and plant genes involved in T-DNA transfer and integration // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. – 2000. – V.51. – p.223-256.

14. Glick B. R. The enhancement of plant growth by free-living bacteria // Can. J. Microbiol. – 1995. – V.41. – p.109-117.

15. Glick B. R., Penrose D. M., Li J. A model for the lowering of plant ethylene concentrations by plant growth promoting bacteria // J. Theor. Biol. – 1998. – V.190. – p.63-68.

16. Govan J. R. W., Brown P. H., Maddison J., Doherty C. J., Nelson J. W., Dodd M., Greening A. P., Webb A. K. Evidence for transmission of Pseudomonas cepatia by social contact in cystic fibrosis // Lancet. – 1993. – V.342. – p.15-19.

17. Gray, E. J., D. L. Smith D. L. Intracellular and extracellular PGPR: commonalities and distinctions in the plant-bacterium signaling processes // Soil Biol. Biochem. – 2005. – V.37. – p.395-412.

18. Grichko V. P., Filby B., Glick B. R. Increased ability of transgenic plants expressing the bacterial enzyme ACC deaminase to accumulate Cd, Co, Cu, Ni, Pb, and Zn // J. Biotechnol. – 2000. – V.81. – p.45-53.

19. Guinel F. C., Geil R. G. A model for the development of the rhizobial and arbuscular mycorrhizal symbioses in legumes and its use to understand the roles of ethylene in the estalishment of these two symbioses// Can. J. Bot. – 2002. – V.80. – p.695-720.

20. Hallman, J., Quadt-Hallman A., Mahafee W. F., J. W. Kloepper J. W. Bacterial endophytes in agricultural crops // Can. J. Microbiol. – 1997. – V.43. – p.895-914.

21. Hao Y, Charles TC, Glick BR.,  ACC deaminase from plant growth-promoting bacteria affects crown gall development.// Can J Microbiol. – 2003

22. Honma M., Shimomura T. Metabolism of 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid // Agric. Biol. Chem. – 1978. – V.42(10). – p.1825-1831.

23. Hontzeas N., Saleh S. S., Glick B. R. Changes in gene expression in canola roots induced by ACC-deaminase-containing plant growth promoting   bacteria // Mol. Plant Microbe Interact. – 2004. – V.17(8). – p.865-871.

24. Jacobson C. B., Pasternak J. J., Glick B. R. Partial purification and characterization of 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase from the plant growth promoting rhizobacterium Pseudomonas putida GR12-2 // Can. J. Microbiol. – 1994.- V.40. – p.1019-1025.

25. Jia Y. J., Ito H., Matsui H., Honma M. 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase induced by ACC synthesized and accumulated in Penicillium citrinum intracellular spaces // Biosci. Biotechnol. Biochem. – 2000. – V.64. – p.299-305.

26. Kloepper J. W., Schroth M. N. Plant growth-promoting rhizobacteria on radishes// In Station de pathologie vegetale et phyto-bacteriologie (ed.), Proceedings of the 4th International Conference on Plant Pathogenic Bacteria. Gilbert-Clarey, Tours, France. – 1978. – v.2. – p. 879-882.

27. Kloepper J. W., Rodriguez-Ubana R., Zehnder G. W., Murphy J. F., Sikora E., Fernandez C. Plant root-bacterial interactions in biological control of soilborne diseases and potential extension to systemic and foliar diseases// Plant Pathol. – 1999. – V.28. – р.21-26.

28. Li J., Glick B. R. Transcriptional regulation of the Enterobacter cloacae UW-4 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase gene // Can. J. Microbiol. – 2001. – V.47. – p.259-267.

29. Li Q, Saleh-Lakha S, Glick BR. The effect of native and ACC deaminase-containing Azospirillum brasilense Cd1843 on the rooting of carnation cuttings.// Can J Microbiol.– 2005

30. Lodewyckx C., Vangronsveld J., Porteous F., Moore E. R. B., Taghavi S., Mezgeay M., van der Lelie D. Endophytic bacteria and their potential applications // Crit. Rev. Plant Sci. – 2002. – V.21. – p.583-606.

31. Ma W, Charles TC, Glick BR. Expression of an exogenous 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase gene in Sinorhizobium meliloti increases its ability to nodulate alfalfa.// Appl Environ Microbiol.  -  2004

32. Ma W., Penrose D. M., Glick, B. R. The effect of ethylene on the nodulation of legumes// Can. J. Microbiol. – 2002. – V. 48. – p.947-954.

33. Ma W., Guinel F. C., Glick B. R. Rhizobium leguminosarum biovar viciae 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase promotes nodulation of pea plants // Appl. Environ. Microbiol. – 2003.- V.69 – N.8. – p.4396-4402.

34. Mayak S., Tirosh T., Glick B.R. Plant growth-promoting bacteria confer resistance in tomato plants to salt stress// Plant Physiology and Biochemistry. – 2004. – V.42 – I.6 – p.565-572

35. Minamu R., Uchiyama K., Murakami T., Kawai J., Mikami K., Yamada T., Yokoi D., Ito H., Matsui H., Honma M. Properties, sequence, and synthesis in Escherichia coli of 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase from Hansenula saturnus // J. Biochem. (Tokyo). – 1998. – V.123. – p.1112-1118.

36. Nierman W. C., DeShazer D., Kim HS. Structural flexibility in the Burkholderia mallei genome // Proc. Natl. Acad. Sci. – 2004. V.101. – p.14246-14251. 

37. Patten C. L., Glick B. R. Bacterial biosynthesis of indole-3-acetic acid // Can. J. Microbiol. – 1996. – V.42. – p.207-220.

38. Penrose D. M., Glick B. R. Levels of 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid in exudates and extracts of canola seeds treated with plant growth promoting bacteria // Can. J. Microbiol. – 2001. – V.47. – p.369-372.

39. Penrose D. M., Glick B. R. Methods for isolating and characterizing ACC deaminase-containing PGPR // Physiologia Plantarum. – 2003. – V.118. – p.10-15

39. Reed ML, Warner BG, Glick BR. Plant growth-promoting bacteria facilitate the growth of the common reed Phragmites australisin the presence of copper or polycyclic aromatic hydrocarbons.// Curr Microbiol.  – 2005

40. Saravanakumar D, Samiyappan R.  ACC deaminase from Pseudomonas fluorescens mediated saline resistance in groundnut (Arachis hypogea) plants.// J Appl Microbiol. – 2007

41. Smalle J. and Van der Straeten D., Ethylene and vegetative development. Physiol. Plant. 100 (1997), pp. 593–605.

42. Stearns J. C., Glick B. R. Transgenic plants with altered ethylene biosynthesis or perception // Biotechnol. Adv. – 2003. – V.21. – p.193-210.

43. Sturz A. V., Christie B. R., Nowak J. Bacterial endophytes: potential role in developing sustainable systems of crop production // Crit. Rev. Plant Sci. – 2000. – V.19. – p.1-30.

44. Wang C., Knill E., Glick B. R., Defago G. Effect of transferring 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid deaminase gene into Pseudomonas fluorescens CHA0 and its gacA derivative CHA96 on their growth-promoting and disease-suppressive capacities // Can. J. Microbiol. – 2000. – V.46. – p.898-907.

45. Yang S. F., Hoffman N. E. Ethylene biosynthesis and its regulation in higher plants // Annu. Rev. Plant Physiol. – 1984. – V.35. – p.155-189.

 

 

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ИУК – индолил-3-уксусная кислота

АЦК – 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат

ИАМ – индол-3-ацетамид

ИПВК – индол-3-пируват

ИАА – индол-3-ацетальдегид

IpdC – индол-3-пируватдекарбоксилаза

ipdC – ген индол-3-пируватдекарбоксилазы

PGPB - plant growth-promoting bacteria