Биологи объяснили, как трансформация бактериями влияет на растения

Ученые из Федерального научного центра биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН на примере растения марены сердцелистной, получившего от бактерий некоторые гены, показали, как эта трансформация влияет на метаболизм активных форм кислорода в растении. Они также отметили, что этот процесс повышает выход полезных веществ, вырабатываемых растением, а также избавляет от необходимости использовать регуляторы роста, что облегчит культивирование растений. Исследование опубликовано в журнале Plant Physiology and Biochemistry.

Горизонтальный перенос генов — это процесс, при котором одна особь может передать другой, не являющейся ее потомком, гены. Чаще всего это явление встречается у бактерий, которые могут передавать друг другу полезные гены, позволяющие, например, выработать устойчивость к антибиотикам. Однако известны и случаи горизонтального переноса генов от бактерий другим организмам, в том числе растениям. Так, бактерии Agrobacterium rhizogenes (Rhizobium rhizogenes) передают гены биосинтеза опинов — низкомолекулярных соединений, которые они потребляют для выработки энергии. Однако при этом в корнях растений появляются опухоли. Процесс связан с передачей генов группы rol: rolA, rolB, rolC. Действие этих генов не всегда вредно для растений: они также могут активировать метаболизм, способствуя биосинтезу важных соединений, и повышать устойчивость растений к стрессам. Тем не менее влияние отдельных генов группы rol на эти процессы до сих пор оставалось не до конца ясным.

Российские ученые использовали каллусную культуру марены сердцелистной (Rubia cordifolia). Она состоит из клеток, которые потеряли специализацию, но могут дать начало новому растению. Ученые трансформировали каллусные клетки с помощью ризобактерий и выращивали их на средах, в которых присутствовали или отсутствовали регуляторы роста растений, такие как фитогормон ауксин. Оказалось, что трансформированные клетки растений активнее вырабатывали антрахиноны — желто-оранжевые пигменты. Кроме того, такие растительные культуры могли долгое время успешно расти без регуляторов роста. Эти наблюдения важны для биотехнологии растений, так как одна из проблем в ней — подбор регуляторов роста, который может быть затруднен, особенно для редких растений.

Ученые детально проанализировали активность генов rolA, rolB, rolC по отдельности, в присутствии и отсутствии растительных регуляторов роста. Оказалось, что rolA и rolB работают противоположно друг другу. В присутствии фитогормонов rolA был высокоактивен, в то время как rolB подавлялся; в отсутствии регуляторов роста наблюдалась обратная картина. При этом на rolC фитогормоны не оказывали никакого влияния. На основе этих наблюдений ученые предложили механизм действия генов группы rol и их влияния на жизненные процессы в растении. Так, они считают, что rolA может подавлять работу rolB, причем этот процесс зависит от ауксина. Все три гена rol способствуют наработке антрахинонов, а rolB также повышает чувствительность растения к ауксину и косвенно приводит к увеличению окислительного стресса в клетках, что приводит к замедлению роста растения.

В результате авторы впервые описали важную роль гена rolA в регуляции эффектов, оказываемых другими генами группы rol. Ученые также подчеркнули, что в настоящее время существует значительный пробел в знаниях о том, по какому именно механизму rolA исполняет свои функции, что предстоит узнать в будущем.

«Разработка “природного” генетического вектора на основе агробактериальных онкогенов растений является актуальным направлением, поскольку не попадает под определение “ГМО”. Использование такого вектора в генетической инженерии растительной клетки позволит модифицировать такие свойства растений, как биосинтез активных соединений на уровне клеточных культур, архитектура и устойчивость к различным стрессам на уровне целого организма. В представленной работе впервые описан сценарий целевого гормон-зависимого управления эффектами онкогенов», – прокомментировала значимость результатов Галина Веремейчик, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Лаборатории биоинженерии Федерального научного центра биоразнообразия наземной биоты Восточной Азии ДВО РАН.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».