Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Видягина Елена Олеговна

Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula
<
Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Видягина Елена Олеговна. Влияние экспрессии рекомбинантного гена ксилоглюканазы sp-xeg на рост, ризогенез и свойства древесины трансгенных растений осины populus tremula: диссертация ... кандидата Биологических наук: 03.01.03 / Видягина Елена Олеговна;[Место защиты: ФГБУН Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра Российской академии наук], 2017.- 136 с.

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Обзор литературных данных 10

1.1. Современные представления о химическом составе древесины и её образовании 10

1.1.1. Клеточная стенка как основная структура древесины 10

1.1.2. Структура и взаимосвязь компонентов растительной клеточной стенки 12

1.2. Ксилоглюканаза – перспективный фермент для изменения параметров растения. 20

1.3. Populus tremula, как объект для молекулярной биологии древесных растений 22

1.4. Основные генно-инженерные подходы по повышению продуктивности и качества древесины растений рода Рopulus

1.4.1. Подавление экспрессии нативных генов 25

1.4.2. Экспрессия рекомбинантных генов

1.4.2.1. Растительные ферменты 28

1.4.2.2. Грибные ферменты 30

1.5. Плейотропный эффект рекомбинантных генов в древесных растениях 31

ГЛАВА 2. Материалы и методы 34

2.1. Объекты исследований 34

2.2. Культура in vitro растений осины 34

2.3. Адаптация растений к условиям ex vitro 35

2.4. Моделирование пространственной структуры молекулы ксилоглюканазы из гриба Penicillium canescens 35

2.5. Агробактернальная трансформация растений осины 35

2.6. Выделение тотальной растительной ДНК осины 37

2.7. ПЦР-анализ трансгенных линий 39

2.8. ОТ-ПЦР-анализ трансгенных линий 40

2.9. Электрофорез ДНК в агарозном геле

2.10. Анализ количества копий рекомбинантного гена в трансгенных линиях 41

2.11. Анализ ксилоглюканазной активности 43

2.12. Вестерн блоттинг 44

2.13. Анализ содержания пентозанов 46

2.14. Анализ содержания целлюлозы 46

2.15. Анализ содержания лигнинов 47

2.16 Анализ углеводного состава ксилемы 49

2.17. Анализ вторичных метаболитов 50

2.18. Анализ биометрических параметров 54

2.19. Анализ морфологии древесного волокна 55

2.20. Анализ эмиссии углекислого газа при разложении растительного материала трансгенных растений. 56

2.21. Анализ данных электронной микроскопии 56

2.22. Моделирование роста лесных плантаций на основе трансгенных форм осины 57

Глава 3. Результаты исследований и их обсуждения 59

3.1. Генетическая трансформация осины рекомбинантным геном sp-Xeg 59

3.2. Молекулярно-биологический анализ трансгенных растений, несущих рекомбинантный ген sp-Xeg 61

3.3. Влияние экспрессии рекомбинантного гена sp-Xeg на фенотипические показатели трансгенных растений осины

3.3.1. Анализ растений в условиях in vitro 67

3.3.2. Анализ растений в условиях ex vitro

3.3.2.1. Растения в тепличных условиях 70

3.3.2.2. Растения в полунатуральных условиях 73

Заключение 105

Выводы 108

Список литературы

Структура и взаимосвязь компонентов растительной клеточной стенки

Ксилоглюкан является наиболее распространенным полисахаридом связующих гликанов клеточных стенок растений. Как правило, ксилоглюканы составляют 20-25% от веществ в первичных клеточных стенках двудольных растений. Ксилоглюкан участвует в увеличении размеров первичной клеточной стенки. Это связано с его заметным снижением содержания в процессе роста, также он быстро разлагается под воздействием кислот или ауксина (Labavitch, 1981). Также известно, что микрофибриллами целлюлозы ксилоглюкан образует водородные связи и, таким образом, играет роль «молекулярного троса» между соседними микрофибриллами, образуя трехмерную целлюлозо-ксилоглюкановую сеть (Pauly и др, 1999). Ослабление этих связей между микрофибриллами и обеспечивает физическое расширение клеток (Cosgrove, 2005).

Ксилоглюкан по химической структуре представляет собой гетерополимер. Следует отметить структурное сходство между ксилоглюканом и целлюлозой – ксилоглюкан имеет основную цепь, как и у целлюлозы, состоящую из -1,4-связанной D-глюкопиранозы. К каждым трем из четырех остатков глюкозы (Glc)

присоединены единичные остатки D-ксилопиранозы (Xyl) с помощью -1-6-связей (рисунок 3). Часть остатков ксилозы содержит D-галактопиранозу (Gal), присоединенную -l-2-связями, некоторые остатки галактопиранозы дополнительно содержат L-фукопиранозильные заместители (Fuc), присоединенные -1-2-связями (Hayashi, 1989). Арабиноза (Arb) также иногда может присутствовать в составе ксилоглюкана, но содержание остатка этого сахаров очень мала. Таким образом, основной структурной единицей является гептасахарид Xyl3 Glс4. Расположение боковых заместителей является регулярным. Обычно в ксилоглюкане можно выделить повторяющиеся блоки, состоящие из 6-11 моносахаридов, пропорциональное количество которых зависит от вида организма и типа ткани

Для упрощённого представления структуры ксилоглюканов в растениях предложена специальная номенклатурная система (Fry и др., 1993): X – остаток глюкозы содержащий ксилозильный заместитель; F – содержащий в качестве заместителя фукозу; L – содержащий ксилозил-галактозу; G – незамещённый остаток глюкозы. Таким образом, структура гептасахарида ксилоглюкана Pisum sativum L. может быть записана следующим образом: XXFGXXXG. В первичных клеточных стенках ксилоглюкан в своём составе содержит фуказильные заместители, в отличие от ксилоглюканов семян. Эти заместители чаще присоединены к галактозильному

остатку ближайшему к восстанавливающему концу гептасахарида (Koiman, 1957). Также наличие фукозильных остатков в составе ксилоглюканов характерно только для двудольных растений (Hayashi, 1989). Наиболее распространённым является фукогалактоксилоглюкан, структура которого состоит из повторяющихся блоков XXXG и XXFG (Горшкова, 2007). Основным структурным мотивом для растений рода Populus является блок XXXG-типа (Saura-Valls и др., 2008).

Рентгеноструктурный анализ волокон различных растений показал, что в основе ксилоглюкана лежит расширенная двойная спираль как у целлюлозы. Спирали из -(1,4)-поперечно-связанных глюкоз образуют прямую ленточную структуру, с шагом спирали примерно 1,03 нм (Hayashi, 1989). Несмотря на то, что основная цепь глюкана достаточно стабильна, остатки ксилозильные заместители имеют высокую степень подвижности. Фукозильные, ксилозильные и галактозильные остатки не влияют на конформацию основной цепи ксилоглюкана (Tvaroska и др., 1978). Глюкановый остов формирует водородные связи с микрофибриллами целлюлозы, а наличие боковых цепей приводит к его изгибу, исключая возможность слишком тесного контакта ксилоглюкана и микрофибрилл.

Молекула кислоглюкана, формируя водородные связи с микрофибриллами целлюлозы, образует сеть. При растяжении клетки эту сеть необходимо реструктурировать, что обеспечивают специальные ферменты – кислоглюканазы. Основную цепь ксилоглюкана могут расщеплять по эндодеполимеразному механизму многие эндо--1,4-глюканазы. Кроме эндоглюканаз, основными субстратами которых являются прежде всего целлюлоза и различные -глюканы, существуют ферменты, высокоспецифичные именно по отношению к ксилоглюкану и практически инертные по отношению к незамещенным -глюканам и карбоксиметилцеллюлозе (Синицына, 2010). Наиболее часто встречаемым ферментом у различных видов растений является ксилоглюкан-эндотрансгликозилаза (XET). Этот фермент отщепляет части одно цепи ксилоглюкана и переносит их на другие более низкомолекулярные цепи (Агеева и др., 2009).

17 Недавно (1999-2004гг.) появились первые сообщения о специфических грибных ксилоглюканазах. Впервые ксилоглюканаза грибного происхождения (XEG, Aspergillus aculeatus I, 12-ая семья гликозилгидролаз) была описана в 1999 г (Pauly M. и др., 1999). Позже были изучены другие ксилоглюканазы выделенные из грибов Penicillium canescens S. и Penicillium verruculosum P. (Синицына, 2010).

Растущий интерес ученых к грибным ксилоглюканазам обусловлен, возможностью их практического применения в таких важных биотехнологических процессах, как конверсия растительных отходов, модификация ксилоглюканов для придания им требуемых свойств в пищевом, кормовом производстве и целлюлозно-бумажной отрасли. Важно отметить, возможность использования грибных ксилоглюканаз, как рекомбинантных ферментов в различных растениях. Данные ксилоглюканазы катализирующие деполимеризацию гемицеллюлозных и целлюлозных компонентов клеточных стенок, дают возможность изучить физиологические эффекты модификации метаболизма этих полисахаридов. Однако, при использовании генов растительного происхождения возможны эффекты косупрессии из-за высокой гомологии, при использовании генов грибного происхождения подобных реакций не наблюдались.

Ксиланы

Ксиланы представляют собой разнородную группу полисахаридов основная цепь которых состоит из -(1,4)-связаных остатков ксилозы, боковые цепей образованы -(1,2)-связанной глюкуроновой кислоты и 4-O-метил остатков глюкуроновой кислоты. Состав и распределение боковых цепей в ксилане зависит от вида растения. Ксиланы обычно содержат большое количество остатков арабинозы, присоединенных к основной цепи. Особенно высокие количества арабиноксиланов присутствуют в эндосперме зерновых. В травянистых растениях ксиланы могут быть связаны с микрофибриллами целлюлозы как и ксилоглюканы, однако боковые цепи не присоединены к микрофибриллам. кроме того, содержание боковых заместителей постепенно уменьшаться во время роста растительных клеток (Bochicchio, Reicher, 2003).

Адаптация растений к условиям ex vitro

Транскрипцию химерного гена sp-Xeg анализировали методом ОТ-ПЦР. Тотальную растительную РНК экстрагировали с помощью TRIzol реагента (Invitrogen, США) по прилагаемой коммерческой методике (http://www.invitrogen.com) из растительного материала in vitro. Удаление геномной ДНК из проб проводили с помощью ДНказыI (Fermentas, США) по рекомендуемому производителем протоколу. Синтез кДНК проводился с помощью M-MuLV обратной транскриптазы (СибЭнзим, Россия) с использованием олиго-d(Т)15 праймера (Синтол, Россия) при температуре 37С в течение 75 минут. Для инактивации ревертазы смесь нагревали до 70C. Реакционную смесь разводили в пять раз Milli-Q водой, а затем брали по 2 мкл в качестве матрицы для постановки ПЦР с использованием праймеров NptII-1, NptII-2, Xeg-up и Xeg-low (таблица 2.). Амплификацию проводили в следующих условиях: реакционная смесь содержала 16 мМ (NH4)2SO4, 200 мкг/мл бычьего сывороточного альбумина, 200mМ каждого дНТФ, 0,8 mМ каждого олигонуклеотида, 0,15 U/мкл Taq полимеразы, 1-5 нг/мкл геномной ДНК. Режим амплификации для гена npt: денатурация при 96С (горячий старт) – 3 мин; денатурация при 95С – 45 сек; отжиг при 60С – 45 сек; элонгация 1 мин при 72С, достройка в течении 5 мин. при 72С; 30 циклов. Режим амплификации для гена Xeg: денатурация при 96С (горячий старт) – 3 мин; денатурация при 95С – 45 сек; отжиг при 62С – 45 сек; элонгация 1 мин при 72С, достройка в течении 5 мин. при 72С; 30 циклов. Реакции проводили в тонкостенных пробирках, объемом 200 мкл (QSP) на амплификаторе MJ MiniTM Gradient Thermal Cycler (BIO-RAD). Для контроля контаминации РНК остатками геномной ДНК проводился ПЦР с препаратами РНК каждого из клонов без обработки ревертазой.

Электрофорез ДНК, РНК и кДНК проводили в агарозных гелях концентрацией 1% в электрофорезной камере фирмы "Bio-Rad" (США) в 0,5 ТВЕ буфере (20 х TBE буфер: 0,89 М Трис-ОН, 0,89 М борная кислота, 50 мМ ЭДТА) с добавлением бромистого этидия в течение 40 - 60 мин при напряжённости электрического поля 10-20 В/см. В лунки вносили 5 мкл пробы, предварительно смешивая их с буфером для нанесения проб (0,25% бромфенолового синего, 0,25% ксилолцианола, 30% глицерина). Визуализацию ДНК проводили с помощью трансиллюминатора и фотографировали в проходящем ультрафиолетовом свете.

Для определения количества копий рекомбинантного гена sp-Xeg использовался TaqMan анализ, представляющий собой проведение ПЦР в реальном времени (ПЦР-РВ), при котором накопление продукта ПЦР контролируется непосредственно во время хода реакции. Указанный подход используется для определения количества копий рекомбинантного гена в трансгенных растениях (Ingham и др., 2001). Для постановки ПЦР-РВ использовали амплификатор Realime DNA Detection System Rotor gene 3000 (Corbett Research, Австралия) и праймеры (Евроген, Россия) на ген sp-Xeg и локусы PTR5, PTR8, PTR12 (таблица 2.). Для гена sp-Xeg размер ожидаемого фрагмента 170 п.о., для локусов PTR5 – 250 п.о., PTR8 – 132 п.о., PTR12 – 248 п.о. Предварительно определяли значение показателя эффективности протекания ПЦР на экспоненциальной фазе для рекомбинантного гена sp-Xeg и нативных монокопийных локусов осины (PTR5, PTR8 и PTR12). Для этого после первичного анализа выбирали несколько образцов ДНК со значением Сt, равным 20–22 циклам и приготавливали следующие варианты разведения: 1:0, 1:5, 1:25, 1:125, 1:625. Эффективность протекания реакции рассчитывалась по формуле: E=(R2/R1)1/(Ct2–Ct1) где R — степень разведения образца (оценивается попарно для каждого разведения); Сt (Сt1 и Сt2 – циклы при разных разведениях)— цикл уровня пороговой флюоресценции (наиболее часто значение уровня пороговой флюоресценции находились в пределах 0,05–0,1 единиц флюоресценции).

Для сопоставления получаемых данных количественной оценки уровня копийности рекомбинантного гена в различных образцах проводили нормализацию (уравнивание) результатов по содержанию монокопийных нативных локусов осины (PTR5, PTR8 и PTR12) (Rahman и др., 2000). Обработку данных выполняли с помощью специального программного обеспечения MxPro. Среди анализируемых образцов выбирался контроль, концентрация ДНК определенного локуса которого условно была принята за 1. Наиболее оптимальным вариантом в качестве контроля являлся образец, характеризующийся наиболее низким средним значением Сt монокопийных нативных локусов осины (PTR5, PTR8 и PTR12). Для всех образцов рассчитывалось среднее арифметическое значение Сt — Ct(h) монокопийных нативных локусов осины (PTR5, PTR8 и PTR12). Для i-образца оно обозначалось как Сt(h)i, контрольного образца — Сt(h)n.

Показатель отношения концентрации нативных локусов осины i-образца к контрольному образцу рассчитывалсяся по формуле: N=Eh(Ct(h)i –Сt(h)n) где Eh — среднее арифметическое значение показателя эффективности амплификации. Если N 1, это означало, что изначальная концентрация ДНК (нативных локусов осины (PTR5, PTR8 и PTR12)) в i-образце в N-1 раз меньше, чем в контрольном образце, и наоборот, если N 1, то изначальная концентрация кДНК в i-образце в N раз больше, чем в контроле. Показатель содержания рекомбинантного гена sp-Xeg i-образца относительно контрольного образца рассчитывался по формуле: S=(Eс(Ct(с)n –Сt(с)i))N где Ес — показатель эффективности амплификации рекомбинантного гена sp-Xeg; Сt(c)i — значение цикла уровня пороговой флюоресценции i-образца для рекомбинантного гена sp-Xeg; Сt(c)n — показатель цикла уровня пороговой флюоресценции контрольного образца для рекомбинантного гена sp-Xeg; N — отношение концентрации ДНК (нативных локусов осины (PTR5, PTR8 и PTR12) i-образца к контролю.

Если S 1, это говорило о том, что уровень концентрация изучаемого локуса рекомбинантного гена в i-образце в S раз больше по отношению к образцу-нормализатору, и наоборот, если S 1, то уровень концентрации локуса рекомбинантной ДНК i-образца в S-1 раз меньше, чем в образце-нормализаторе.

Для получения растительных экстрактов из тепличных растений использовали по 4 листочка с 4 независимых растений осины каждого генотипа, растущих в течение 1 месяца в условиях защищенного грунта. Листья каждого генотипа весом от 1 до 1,5 г растирали в фарфоровых ступках в присутствии кварцевого песка в трис-HCl буфере (7,2 pH) при +4оС до образования гомогенной суспензии. Полученные экстракты центрифугировали. Супернатант использовали для определения концентрации белка по методу Бредфорда (Bradford, 1976) и ксилогюканазной активности. Для определения активности эндо-1,4--глюканазы растительных экстрактов трансформированной осины применили спектрофотометрический метод с использованием растворимого субстрата ксилоглюкана тамариска окрашенного Remazolbrilliant Blue (Megazyme, Австралия). Процедуру анализа активности фермента осуществляли согласно рекомендациям производителя субстрата (http://secure.megazyme.com). Показания снимали при длине волны 590 нм. В контрольный образец вместо растительного экстракта вносили 0,25 мл экстракционного буфера. Активность фермента рассчитывалась в относительных единицах. За одну относительную единицу активности принято значение ОД590 1 мл растительного экстракта нетрансформированного растения (Pt) в пересчете на 1 мг белка.

Молекулярно-биологический анализ трансгенных растений, несущих рекомбинантный ген sp-Xeg

Оценивалось количество копий рекомбинантного гена во всех полученых линиях трансгенных растений осины. Количество копий рекомбинантного гена у большинства трансгенных линий варьировало от 2 до 4 (приложение А. таблица А1). Согласно литературным данным, известно, при агробактериальной трансформации количество копий рекомбинантного гена варьирует от 1 до 10, чаще число копий трансгена 3-4 (Gelvin, 2006). Считается, что одной копии гетерологичного гена может быть недостаточно для продуктивного синтеза чужеродного белка. При этом получение множественных копий гетерологичного гена может привести к замолканию трансгена в результате явления сайлесинга, вероятность которого существенно возрастает при увеличении количества копий. Поэтому число копий от 2 до 4 считается наиболее оптимальным (Омельянчук и др, 2005; Катохин и др, 2006).

После подтверждения трансгенного статуса линий проводили анализ экспрессии гетерологичного гена. Экспрессия исследовалась на уровне транскрипции мРНК. Наличие мРНК определяли методом ПЦР с обратной транскрипцией. После окончания ПЦР проводили электрофорез в агарозном геле. Положительный или отрицательный результат представляет, соответственно, присутствие или отсутствие транскрипта РНК в пробе. Это, в свою очередь, показывает наличие или отсутствие экспрессии анализируемого гена в трансгенных растениях.

Все линии, имеющие в составе ДНК рекомбинантные гены, показывают наличие экспрессии маркерного гена npt II. Размер фрагмента, как и ожидалось, составил 450 нуклеотидных оснований (рисунок 13).

ОТ-ПЦР анализ трансгенных линий осины для оценки экспрессии селективного гена nptII. Размер ампликона npt II 450 bp. М – маркер длин ДНК 1 kb (Евроген), Н2О – отрицательный контроль реакции, pBI-Xeg – плазмидная ДНК (положительный контроль), Pt – нетрансгенная линия.

Линии растений, в составе ДНК которых содержатся целевые ген sp-Xeg, показывают наличие экспрессии рекомбинантного гена. Ожидаемый размер ампликона составляет 750 нуклеотидных оснований (рисунок 14).

ОТ-ПЦР анализ линий осины для оценки экспрессии целевого рекомбинантного гена sp-Xeg. Размер ампликона xeg 750 bp. М – маркер длин ДНК 1 kb (Евроген), Н2О – отрицательный контроль реакции, pBI-Xeg – плазмидная ДНК (положительный контроль), PtIGus5a – трансгенный отрицательный контроль, Pt– нетрансгенная линия. Для установления функциональности интродуцированной экспрессирующей кассеты рекомбинантного гена ксилоглюканазы из гриба P. canescens вегетативные ткани трансгенных линий растений осины анализировались методом Western-блоттинга. Иммунодетекция в вегетативных тканях показала, что экспрессирующая кассета функционирует и белок синтезируется во всех полученных трансгенных линиях. В нетрансгенной линии положительной реакции не зафиксировано. На иммуноблотте видно, что рекоминатный белок экспрессируется, молекулярная масса ожидаемого рекомбинантного белка примерно 25кDa (рисунок15).

Вестерн-блотт анализ белковых экстрактов трансгенных растений осины, несущих рекомбинантный ген sp-Xeg. М - стандартный белковый молекулярный маркер: 26 кДа, Xeg – грибной экстракт, Pt– нетрансгенный контроль, PtIGus5a – трансгенный отрицательный контроль, PtXIVXeg1a, PtXIVXeg1b, PtXIVXeg1c, PtXVXeg1a, PtXVXeg1b, PtXVXeg1c, PtXVXeg3a, PtXVXeg3b, PtXVXeg5a, PtXVIXeg8a – трансгенные линии растений.

Для подтверждения функциональной активности фермента была определена ксилоглюканазная активность. Для анализа ксилоглюканазной активности были получены растительные экстракты из 25 трансформированных и 2 контрольных линий, выращенных в условиях защищенного грунта. На рисунке 16 представлены результаты анализа ксилоглюканазной активности экстрактов растений 11 клонов, выращенных в условиях защищенного грунта. У четырех генотипов мы наблюдали увеличение ксилоглюканазной активности по отношению к контролю Pt: PtXVXeg1c на 92 %, PtXVXeg4c на 51 %, PtXIVXeg1a на 35%, PtXIVXeg1b – на 21%. Активность фермента у других исследуемых генотипов была приближена к контрольным значениям.

Влияние экспрессии рекомбинантного гена sp-Xeg на фенотипические показатели трансгенных растений осины Суперэкспрессия карбогидраз в древесных растениях в ряде работ рассматривается как один из перспективных способов создания высокопродуктивных быстрорастущих растений. В ранее опубликованных работах сообщалось о модификации P. tremula геном эндоглюканазы cel1 из A. thaliana (Park и др., 2004), а также P. alba геном ксилоглюканазы AaXeg2 из A. aculeatus (Shani и др., 2004). В обоих случаях докладывалось об увеличении скорости роста растений, длины междоузлий и диаметра ствола. Поэтому первоначально для анализа влияния рекомбинантной ксилоглюканазы sp-Xeg на фенотип трансгенных растений была проведена оценка биометрических показателей.

Изменение ризогенеза трансгенных растений осины с рекомбинантным геном sp-Xeg

В связи с тем, что экспрессия гена sp-Xeg находится под контролем промотора 35S, можно предположить, что действие рекомбинантного гена будет заметно уже в условиях in vitro. Изменение скорости роста, морфологии микропобегов не обнаружено, однако отмечено изменение ризогенеза. Нами был проведен анализ эффективности укоренения и подсчитан процент укоренённых растений. Оценку корней растений каждой линии проводили каждые три дня с момента переноса на среду для укоренения и оценивали корнеобразование каждые три дня. В результате было выяснено, что образование корней начиналось примерно с 6-ого дня (рисунок 15; приложение А, таблица А2). Максимальные отличия между контрольными и трансгенными линиями были отмечены на 9-ый день. На 11 день растения переносились в условия защищённого грунта.

Анализ ризогенеза in vitro показал, что эффективность укоренения практически у всех трансгенных линий была выше, чем у контрольных (рисунок 17; приложение А, таблица А3). Статистически значимое увеличение (по t-критерию Стьюдента) было у 52% из всех трансгенных линий. Максимальное отличие было отмечено у клонов линии PtXVXeg3с, оно превышало контрольное значение в 2,6 раза (рисунок 18,19). Только у одной линии эффективность укоренения была ниже, чем у контрольных линий – PtXVI Xeg1b.

Растения в тепличных условиях

Кислоглюканаза способствует расщеплению ксилоглюкана, тем самым влияя на изменение углеводного состава. Нами было оценено изменение углеводного состава в двух контролях Pt, PtIGus5a; быстрорастущих клонах: PtXIVXeg1a, PtXVXeg1a, PtXVXeg1b и PtXVIXeg8a; клона с большим содержанием целлюлозы: PtXIVXeg1c; клоны приближённые контрольным растениям: PtXIVXeg1b, PtXVXeg3a, PtXVXeg3b,PtXVXeg5a; клон карлик: PtXVXeg1c.

Анализ показал изменение углеводного состава (приложение А, таблица А9). В целом отмечено увеличение содержания глюкозы, маннозы и арабинозы, уменьшение ксилозы, и отсутствие различий в содержании галактозы, рамнозы и фукозы. Основным структурным мотивом для растений рода Populus является повторяющийся блок XXXG-типа, то есть структурный мотив, состоящий из трёх остатков глюкозы содержащий ксилозильный заместитель (Х) и один незамещённый остаток глюкозы (G) (Saura-Valls и др., 2008). Поэтому, как и предполагалось, наибольшие отличия практически для всех исследуемых растений обнаружены в содержании ксилозы и глюкозы.

Содержание ксилозы в трансгенных клонах было ниже, чем у контрольных во всех частях растений. Наиболее низкие показатели содержания ксилозы был обнаружены для клона PtXVXeg1a (снижение на 68,6%, 57% и 18,7% для верхушки, середины и нижней частей соответственно) и для клона PtXVXeg5a (снижение на 76,4%, 39,38% и 26,9% для верхушки, середины и нижней частей соответственно). В среднем для всех клонов зафиксировано снижение на 20,8% по сравнению с контролями. Это согласуется с данными по измерению содержания пентозанов в трансгенных клонах. Где в среднем снижение содержания пентозанов для всех трансгеных клонов по сравнению с контролями было на 7,93%. Наибольшее снижение содержания ксилозы, как и пентозанов отмечено в верхней части растения. Степень корреляции Пирсона между содержанием пентозанов в разных частях соответствующих трансгенных клонов и содержанием ксилозы высокая 0,71. Полученные данные доказывают действие рекомбинантной ксилоглюканазы sp-Xeg в трансгенных растениях и подтверждают данные о снижении содержания связующих гликанов.

Содержание глюкозы в трансгенных клонах превышает контрольные значения во всех частях растения. Для клонов наибольшие отличия отмечены для PtXVXeg1a, PtXVXeg1b. В верхней части, превышение у этих клонов на 28,9% средние контрольные значения. Для средней части растения наибольшие различия были для клонов PtXIVXeg1a и PtXIVXeg1b – увеличение по сравнению с контролем на 53%, для нижней части в среднем на 28% было превышение в клонах PtXIVXeg1b, PtXVXeg1a и PtXVXeg1b. В среднем данные по содержанию глюкозы коррелируют с данными содержания целлюлозы, коэффициент корреляции Пирсона был средним и составил 0,63. Это говорит о том, что повышение содержания целлюлозы и глюкозы взаимосвязаны между собой. Такая связь не случайна, свободная глюкоза непосредственно участвует в формировании микрофибрилл целлюлозы (Gunning, Steer, 1996). Поэтому для всех клонов, которые когда-либо показывали увеличение содержания целлюлозы и повышение скорости роста, особенно заметны изменения углеводного состава.

Анализ метаболома

Метаболиты являются конечными продуктами экспрессии генов, поэтому любые изменения на генетическом уровне, несомненно, влияют на состав метаболома. В этой связи существует необходимость тщательного анализа метаболитов генномодифицированных организмов. Поскольку рекомбинантный ген может оказывать плейотропный эффект, изучение метаболома полученных нами трансгенных растений поможет объяснить причину отмеченных биохимических и фенотипических изменений. Стоит отметить, что данный аспект для растений осины с рекомбинантными генами, влияющими на кислоглюкан, ранее не рассматривался (Abreu и др, 2011; Kontunen-Soppela и др, 2007; Ossipov и др., 2008).

Для анализа использовались неодревесневшие и одревесневшие растения. Неодревесневшие растения, взятие из тепличных условий возрастом 6 месяцев: Pt, PtXVXeg1a и PtXVXeg1c. Одревесневшие растения Pt, PtXIVXeg1a, PtXVXeg1c и PtXVXeg5a взятые из полунатуральных условий возрастом 1,5 года. Клоны PtXIVXeg1a и PtXVXeg1a выбраны были как наиболее быстрорастущие в соответствии с возрастом, PtXVXeg1c выбран как клон карлик, клон PtXVXeg5a выбран как наиболее близкий к контролю Pt по биометрическим и биохимическим показателям.

Для неодревесневших генотипов Pt, PtXVXeg1a и PtXVXeg1c взятых из теплицы с помощью газовой хроматографии было отмечено различие более чем в 2 раза примерно для 30 соединений в листьях генномодифицированных растений (рисунок 33).

ГХ-МС профиль хроматограммы метаболитов из экстрактов листьев растений осины. Содержание ксилозы в листьях трансгенных растений значительно превышало значения в контрольной группе. Для растений клона PtXVXeg1c оно превышало контрольные значения в 5,88 раз, для растений клона PtXVXeg1a в 3,06 раза. Вероятно, это связано с активностью ксилоглюканазы, которая расщепляет полисахариды до более простых сахаров. Для стеблей трансгенных растений было отмечено изменение содержания более чем в 2 раза для 12 соединений (рисунок 34).

Содержание цис-линолевой кислоты (9,12-octadecadienoic acid) и линоленовой кислоты (9,12,15-octadecatrienoic acid) было ниже в генномодифицированных растениях по сравнению с контрольными. Для растений клона PtXVXeg1c содержание цис-линолевой ниже в 3,82, линоленовой кислоты в 4,55; для растений клона PtXVXeg1a содержание цис-линолевой ниже в 3,02, линоленовой кислоты в 3,23. С помощью ульта-эффективной жидкостной хроматографии выяснено, что в стеблях трансгенных растений повышено содержание тремулацина (tremulacin): у растений клона PtXVXeg1a в 1,03 раза (на 2,8%) и у растений клона PtXVXeg1c 1,1 раза (на 10%). Тримулацин рассматривается как фенольное соединение, защищающее от насекомых (Donaldson и др.,2006; Young и др.,2010; Lindroth и др., 2013). Для одревесневших растений Pt, PtXVXeg1a, PtXVXeg1c, PtXVXeg5a взятых с открытой площадки с помощью газовой хроматографии был проведён анализ содержания 340 веществ в стеблях растений осины. 33 метаболита выбраны как наиболее сильно влияющие на разделение групп контрольных и генномодифицированных растений (таблица 6).