Анализ роли Н+-АТФазы тонопласта в обеспечении роста растяжением клеток колеоптилей проростков риса, различающихся скоростью роста в условиях нормоксии и затопления

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Актуальность. Одна из стратегий адаптации к затоплению у растительных организмов заключается в усилении роста с целью избежать повреждающего воздействия недостатка кислорода. К модельным объектам для изучения данного типа роста относят колеоптили проростков риса, обладающего способностью к прорастанию под водой. Длина колеоптилей служит маркером жизнеспособности при гипоксии.

Цель — сравнительный анализ роста колеоптилей и участия субъединиц B и E вакуолярной Н+-АТФазы в его реализации у двух сортов риса отечественной селекции, различающихся по исходной скорости удлинения (быстро растущий Кубань 3 и медленно растущий Аметист).

Материалы и методы. Исследование проведено на этилированных проростках колеоптилей риса двух сортов отечественной селекции Кубань 3 и Аметист. Детекцию субъединиц B и E V-АТФазы в составе общей микросомальной фракции реализовывали с использованием иммуно-блотт-анализа. Интенсивность транскрипции генов, кодирующих субъединицы B и E V-АТФазы, определяли методом полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией.

Результаты. Динамика роста в условиях аэрации более соответствовала изменениям субъединиц, происходящих на протеомном уровне, тогда как динамика роста при затоплении имела большее сходство с изменением транскрипции генов, кодирующих эти субъединицы. Сортовые различия были выявлены только при сравнении интенсивности транскрипции, что в конечном итоге не сказывалось на динамике роста колеоптилей.

Выводы. Показано участие субъединиц B и E V-АТФазы в обеспечении вакуолизации в процессе роста растяжением колеоптилей риса при различном содержании кислорода.

Об авторах

Анастасия Алексеевна Кирпичникова

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: nastin1972@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5133-5175
SPIN-код: 9960-9527
Россия, Санкт-Петербург

Мария Олеговна Бикташева

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: togepi03@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-9263-7815
Россия, Санкт-Петербург

Владислав Владимирович Емельянов

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: bootika@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2323-5235
SPIN-код: 9460-1278

канд. биол. наук, доцент

Россия, Санкт-Петербург

Мария Фёдоровна Шишова

Санкт-Петербургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: mshishova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3657-2986
SPIN-код: 7842-7611

д-р биол. наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Voesenek L.A.C.J., Bailey-Serres J. Flood adaptive traits and processes: An overview // New Phytol. 2015. Vol. 206, N 1. P. 57–73. doi: 10.1111/nph.13209
  2. Bailey-Serres J., Lee S.C., Brinton E. Waterproofing crops: Effective flooding survival strategies // Plant Physiol. 2012. Vol. 160, N 4. P. 1698–1709. doi: 10.1104/pp.112.208173
  3. Ismail A.M., Ella E.S., Vergara G.V., Mackill D.J. Mechanisms associated with tolerance to submergence during germination and early seedling growth in rice (Oryza sativa) // Ann Bot. 2009. Vol. 103, N 2. P. 197–209. doi: 10.1093/aob/mcn211
  4. Su X., Wu H., Xiang J., et al. Evaluation of submergence tolerance of different rice genotypes at seedling emergence stage under water direct seeding // OALibJ. 2022. Vol. 9, N 5. ID e8706. doi: 10.4236/oalib.1108706
  5. Богданова Е.М., Бертова А.Д., Кирпичникова А.А., и др. Показатели роста и устойчивости к дефициту кислорода у колеоптилей Oryza sativa L. из коллекции Федерального научного центра риса // Сельскохозяйственная биология. 2023. Т. 58, № 3. С. 538–553. doi: 10.15389/agrobiology.2023.3.538rus EDN: XOZZKM
  6. Кирпичникова А.А., Кудоярова Г.Р., Емельянов В.В., Шишова М.Ф. Особенности роста растяжением клеток колеоптилей злаков в норме и при затоплении // Экологическая генетика. 2023. Т. 21, № 4. С. 401–417. doi: 10.17816/ecogen623901 EDN: QWDPWQ
  7. O’Sullivan P.A., Weiss G.M., Friesen D. Tolerance of spring wheat (Triticum aestivum L.) to trifluralin deep-incorporated in the autumn or spring // Weed Res. 1985. Vol. 25, N 4. P. 275–280. doi: 10.1111/j.1365-3180.1985.tb00645.x
  8. Brown P.R., Singleton G.R., Tann C.R., Mock I. Increasing sowing depth to reduce mouse damage to winter crops // Crop Prot. 2003. Vol. 22, N 4. P. 653–660. doi: 10.1016/S0261-2194(03)00006-1
  9. Rebetzke G.J., Zheng B., Chapman S.C. Do wheat breeders have suitable genetic variation to overcome short coleoptiles and poor establishment in the warmer soils of future climates? // Funct Plant Biol. 2016. Vol. 43, N 10. P. 961–972. doi: 10.1071/FP15362
  10. Kordan H.A. Patterns of shoot and root growth in rice seedlings germinating under water // J Appl Ecol. 1974. Vol. 11, N 2. P. 685–690. doi: 10.2307/2402218
  11. Shiono K., Koshide A., Iwasaki K., et al. Imaging the snorkel effect during submerged germination in rice: Oxygen supply via the coleoptile triggers seminal root emergence underwater // Front Plant Sci. 2022. Vol. 13. ID 946776. doi: 10.3389/fpls.2022.946776
  12. Arsuffi G., Braybrook S.A. Acid growth: an ongoing trip // J Exp Bot. 2018. Vol. 69, N 2. P. 137–146. doi: 10.1093/jxb/erx390
  13. Kirpichnikova А., Chen Т., Teplyakova S., Shishova M. Proton pump and plant cell elongation // Biol Commun. 2018. Vol. 63, N 1. P. 32–42. doi: 10.21638/spbu03.2018.105
  14. Merzendorfer H., Graf R., Huss M., et al. Regulation of proton translocating V-ATPases // J Exp Biol. 1997. Vol. 200, N 2. P. 225–235. doi: 10.1242/jeb.200.2.225
  15. Dettmer J., Hong-Hermesdorf A., Stierhof Y.-D., Schumacher K. Vacuolar H+-ATPase activity is regulated for endocytic and secretory trafficking in Arabidopsis // Plant Cell. 2006. Vol. 18, N 3. P. 715–730. doi: 10.1105/tpc.105.037978
  16. Seidel T. The plant V-ATPase // Front Plant Sci. 2022. Vol. 13. ID 931777. doi: 10.3389/fpls.2022.931777
  17. Кирпичникова А.А., Чэнь Т., Романюк Д.А., и др. Особенности регуляции вакуолярной Н+-АТФазы растительных клеток // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 3. Биология. 2016. № 2. С. 149–160. doi: 10.21638/11701/spbu03.2016.212 EDN: WIQTGD
  18. Yemelyanov V.V., Lastochkin V.V., Chirkova T.V., et al. Indoleacetic acid levels in wheat and rice seedlings under oxygen deficiency and subsequent reoxygenation // Biomolecules. 2020. Vol. 10, N 2. ID 276. doi: 10.3390/biom10020276
  19. Шишова М.Ф., Танкелюн О.В., Рудашевская Е.Л., и др. Изменение транспортной активности протонных насосов клеток колеоптилей на ранних этапах развития проростков кукурузы // Онтогенез. 2012. Т. 43, № 6. С. 413–424. EDN: PDDSEV
  20. Laemmli U.K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4 // Nature. 1970. Vol. 227, N 5259. P. 680–683. doi: 10.1038/227680a0
  21. Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Anal Biochem. 1976. Vol. 72, N 1–2. P. 248–254. doi: 10.1016/0003-2697(76)90527-3
  22. Livak K.J., Schmittgen T.D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2–ΔΔCT method // Methods. 2001. Vol. 25, N 4. P. 402–408. doi: 10.1006/meth.2001.1262
  23. Schumacher K., Krebs M. The V-ATPase: Small cargo, large effects // Curr Opin Plant Biol. 2010. Vol. 13, N 6. P. 724–730. doi: 10.1016/j.pbi.2010.07.003
  24. Wang C., Xiang Y., Qian D. Current progress in plant V-ATPase: From biochemical properties to physiological functions // J Plant Physiol. 2021. Vol. 266. ID 153525. doi: 10.1016/j.jplph.2021.153525
  25. Raghavendra A.S., Ye W., Kinoshita T. Editorial: pH as a signal and secondary messenger in plant cells // Front Plant Science. 2023. Vol. 14. ID 1148689. doi: 10.3389/fpls.2023.1148689
  26. Felle H.H. pH: Signal and messenger in plant cells // Plant Biol. 2001. Vol. 3, N 6. P. 577–591. doi: 10.1055/s-2001-19372
  27. Felle H.H. pH regulation in anoxic plants // Ann Bot. 2005. Vol. 96, N 4. P. 519–532. doi: 10.1093/aob/mci207
  28. Drew M.C. Oxygen deficiency and root metabolism: Injury and acclimation under hypoxia and anoxia // Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol. 1997. Vol. 48. P. 223–250. doi: 10.1146/annurev.arplant.48.1.223
  29. Chirkova T., Yemelyanov V. The study of plant adaptation to oxygen deficiency in Saint Petersburg University // Biol Commun. 2018. Vol. 63, N 1. P. 17–31. doi: 10.21638/spbu03.2018.104
  30. Kulichikhin K.Y., Aitio O., Chirkova T.V., Fagerstedt K.V. Effect of oxygen concentration on intracellular pH, glucose-6-phosphate and NTP content in rice (Oryza sativa) and wheat (Triticum aestivum) root tips: In vivo 31P-NMR study // Physiol Plant. 2007. Vol. 129, N 3. P. 507–518. doi: 10.1111/j.1399-3054.2006.00819.x
  31. Yemelyanov V.V., Chirkova T.V., Lindberg S.M., Shishova M.F. Potassium efflux and cytosol acidification as primary anoxia-induced events in wheat and rice seedlings // Plants. 2020. Vol. 9, N 9. ID 1216. doi: 10.3390/plants9091216
  32. Greenway H., Kulichikhin K.Y., Cawthray G.R., Colmer T.D. pH regulation in anoxic rice coleoptiles at pH 3.5: Biochemical pH-stats and net H+ influx in the absence and presence of NOFormula // J Exp Bot. 2012. Vol. 63, N 5. P. 1969–1983. doi: 10.1093/jxb/err395
  33. Narsai R., Secco D., Schultz M.D., et al. Dynamic and rapid changes in the transcriptome and epigenome during germination and in developing rice (Oryza sativa) coleoptiles under anoxia and re-oxygenation // Plant J. 2017. Vol. 89, N 4. P. 805–824. doi: 10.1111/tpj.13418
  34. Nghi K.N., Tondelli A., Valè G., et al. Dissection of coleoptile elongation in japonica rice under submergence through integrated genome-wide association mapping and transcriptional analyses // Plant Cell Environ. 2019. Vol. 42, N 6. P. 1832–1846. doi: 10.1111/pce.13540
  35. Pucciariello C. Molecular mechanisms supporting rice germination and coleoptile elongation under low oxygen // Plants. 2020. Vol. 9, N 8. ID 1037. doi: 10.3390/plants9081037
  36. Gruber G., Wieczorek H., Harvey W.R., Muller V. Structure-function relationship of A-, F- and V-ATPases // J Exp Biol. 2001. Vol. 204, N 15. P. 2597–2605. doi: 10.1242/jeb.204.15.2597
  37. Sze H., Schumacher K., Muller M.L., et al. A simple nomenclature for a complex proton pump: VHA genes encode the vacuolar H+-ATPase // Trends Plant Sci. 2002. Vol. 7, N 4. P. 157–161. doi: 10.1016/s1360-1385(02)02240-9
  38. Dettmer J., Schubert D., Calvo-Weimar O., et al. Essential role of the V-ATPase in male gametophyte development // Plant J. 2005. Vol. 41, N 1. P. 117–124. doi: 10.1111/j.1365-313X.2004.02282.x
  39. Dettmer J., Liu T.-Y., Schumacher K. Functional analysis of Arabidopsis V-ATPase subunit VHA-E isoforms // Eur J Cell Biol. 2010. Vol. 89, N 2–3. P. 152–156. doi: 10.1016/j.ejcb.2009.11.008
  40. Chen S.-H., Bubb M.R., Yarmola E.G., et al. Vacuolar H+-ATPase binding to microfilaments: regulation in response to phosphatidylinositol 3-kinase activity and detailed characterization of the actin-binding site in subunit B // J Biol Chem. 2004. Vol. 279, N 9. P. 7988–7998. doi: 10.1074/jbc.M305351200
  41. Lu M., Ammar D., Ives H., et al. Physical interaction between aldolase and vacuolar H+-ATPase is essential for the assembly and activity of the proton pump // J Biol Chem. 2007. Vol. 282, N 34. P. 24495–24503. doi: 10.1074/jbc.M702598200
  42. Wang L., He X., Zhao Y., et al. Wheat vacuolar H+-ATPase subunit B cloning and its involvement in salt tolerance // Planta. 2011. Vol. 234, N 1. P. 1–7. doi: 10.1007/s00425-011-1383-2
  43. Hanitzsch M., Schnitzer D., Seidel T., et al. Transcript level regulation of the vacuolar H+-ATPase subunit isoforms VHA-А, VHA-E and VHA-G in Arabidopsis thaliana // Mol Membr Biol. 2007. Vol. 24, N 5–6. P. 507–518. doi: 10.1080/09687680701447393
  44. Löw R., Rockel B., Kirsch M., et al. Early salt stress effects on the differential expression of vacuolar H+-ATPase genes in roots and leaves of Mesembryanthemum crystallinum // Plant Physiol. 1996. Vol. 110, N 1. P. 259–265. doi: 10.1104/pp.110.1.259
  45. Golldack D., Dietz K.-J. Salt-induced expression of the vacuolar H+-ATPase in the common ice plant is developmentally controlled and tissue specific // Plant Physiol. 2001. Vol. 125, N 4. P. 1643–1654. doi: 10.1104/pp.125.4.1643

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис 1. Рост колеоптилей проростков риса двух сортов (быстро растущий сорт Кубань 3; медленно растущий сорт Аметист) в условиях нормоксии и гипоксии. Значения с разными буквами (a–d) достоверно различаются (взвешенное среднее Тьюки, p <0,05).

Скачать (238KB)
Метаданные
3. Рис 2. Изменение содержания белков субъединиц B и E Н+-АТФазы в составе микросомальной фракции клеток колеоптилей проростков риса двух сортов (быстро растущий сорт Кубань 3; медленно растущий сорт Аметист) в условиях нормоксии и гипоксии: а — вестерн-блот гибридизация проб белка микросомальной фракции с антителами против субъединиц B и E. 35 и 55 кДа — маркеры молекулярного веса; нор. — нормоксия, гип. — гипоксия. Отсканированные изображения характерных блотов; b — относительное изменение содержания белков. Значения с разными буквами (a–d) достоверно различаются (взвешенное среднее Тьюки, p <0,05).

Скачать (325KB)
Метаданные
4. Рис 3. Изменение относительного уровня накопления транскриптов генов OsVHA-B1, OsVHA-В2 и OsVHA-Е1, OsVHA-Е2 в колеоптилях проростков риса двух сортов (быстро растущий сорт Кубань 3; медленно растущий сорт Аметист) в условиях нормоксии и гипоксии. Значения с разными буквами (a–d) достоверно различаются (взвешенное среднее Тьюки, p <0,05).

Скачать (260KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).