doi: 10.15389/agrobiology.2025.1.21rus
УДК 635.64:58.04:577.2
Работа выполнена при поддержке РНФ (грант № 24-16-00043, анализ содержания фенольных соединений и экспрессии генов) и Министерства науки и высшего образования РФ (подготовка растений, проведение воздействия солевого стресса, оценка стрессоустойчивости и сбор материала для анализа).
СВЯЗЬ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ ТОМАТА НА ВОЗДЕЙСТВИЕ
СОЛЕВОГО СТРЕССА С ОСОБЕННОСТЯМИ РЕГУЛЯЦИИ
БИОСИНТЕЗА ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
М.А. ФИЛЮШИН1 ✉, О.К. АНИСИМОВА1, Е.А. ДЖОС1, 2,
А.В. ЩЕННИКОВА1, Е.З. КОЧИЕВА1
Солевой стресс оказывает негативное воздействие на урожайность культуры томата (Solanum lycopersicum L.). Одним из современных подходов к повышению солеустойчивости сортов томата может быть прайминг семян (предпосевной) или рассады растворами NaCl (цис-прайминг) или других химических агентов, способных стимулировать солеустойчивость (транс-прайминг). Известно, что прайминг способен приводить к эпигенетическим модификациям в геноме растений, необходимым для повышения эффективности ответа на повторные события засоления. Механизм, лежащий в основе солеустойчивости томата, мало изучен, однако может быть связан с содержанием фенольных соединений и активностью L-фенилаланин-аммоний-лиаз (PAL) — ферментов, катализирующих первую стадию фенилпропаноидного пути. В настоящей работе с использованием различающихся по солеустойчивости сортов томата отечественной селекции впервые определена динамика содержания фенольных соединений и экспрессии ключевых генов фенилпропаноидного (группа генов PAL5)и флавоноидного (CHS2) путей в процессе воздействия на растения солевого стресса.Установлено, что в качестве биомаркеров наличия у растений томата стрессовой памяти могут использоваться концентрация фенольных соединений спустя 1 ч воздействия избытком NaCl и снижение экспрессии генов группы PAL5 спустя 24 ч воздействия. Целью нашего исследования стала оценка возможных связей между солеустойчивостью растений томата и регуляцией биосинтеза фенольных соединений. Использовали образцы четырех сортов томата S. lycopersicum — Отрадный (код сорта 8006741), Гном (9401318), Фонарик (9608117) и VS-342-18 (сорт в процессе разработки/регистрации) селекции Федерального научного центра овощеводства (ФНЦО, Московская обл.). По предварительным данным ФНЦО, сорта Отрадный и Гном могли обладать повышенной устойчивостью к избытку соли в почве, тогда как сорта Фонарик и VS-342-18 чувствительны к засолению. Растения из семян урожая 2023 года получали в экспериментальной установке искусственного климата (ФИЦ Биотехнологии РАН, Россия) при следующем режиме: 16 ч/8 ч (день/ночь), 23 °С/21 °С. Взрослые растения в стадии сформированных 8-10 листьев подвергали воздействию солевого стресса. Для этого опытные и контрольные образцы извлекали из почвы и переносили в воду. Спустя 1 ч опытные растения помещали в водный раствор, содержащий 100 мМ NaCl, для имитации солевого стресса; контрольные растения продолжали находиться в воде. Пробы (все листья с одного растения), отобранные через 1, 6 и 24 ч после начала стрессового воздействия, использовали для анализа содержания фенольных соединений и экспрессии ключевых генов фенилпропаноидного и флавоноидного путей. Целевые гены фенилпропаноидного и флавоноидного путей (гены группы PALи ген CHS2) выбирали, основываясь на позиции генов в метаболическом пути и транскриптомных данных базы TomExpress. Экспрессию генов определяли методом количественной ПЦР в реальном времени (ПЦР-РВ). Последовательности праймеров подбирали, используя сравнительный структурный анализ целевых генов и их мРНК с помощью MEGA 7.0 и NCBI-Blast. Было показано, что у всех четырех сортов к 24-му ч воздействия NaCl наблюдался существенный рост содержания фенольных соединений (в зависимости от сорта в ~ 1,4-4,7 раза в сравнении с контролем), тогда как спустя 1 ч после начала воздействия стресса только наиболее солеустойчивый сорт Отрадный характеризовался активным накоплением фенольных соединений (в ~ 2 раза в сравнении с контролем). Неустойчивые к избытку соли сорта Фонарик и VS-342-18 оказались схожи по профилю изменения концентрации фенолов при стрессе. В то же время устойчивые сорта Отрадный и Гном показали сходную динамику только в период с 6-го по 24-й ч, а в точке 1 ч — прямо противоположную, где наиболее устойчивый сорт Отрадный характеризовался активным накоплением фенольных соединений (в ~ 2 раза в сравнении с контролем), сорт Фонарик — снижением их количества (в ~ 2 раза в сравнении с контролем). С помощью in silico анализа транскриптомов томата среди генов L-фенилаланин-аммоний-лиаз и халконсинтаз были определены целевые гены фенилпропаноидного и флавоноидного путей, наиболее высокоэкспрессирующиеся в листьях томата. Группа выбранных генов включала четыре из 16 известных генов PAL (Solyc09g007890, Solyc09g007900, Solyc09g007910 — PAL5, Solyc09g007920 — PAL3) и один из двух известных генов халконсинтазыCHS2 (Solyc05g053550). Показано, что каждый из четырех сортов томата характеризовался индивидуальной динамикой экспрессии целевых генов при воздействии стресса. Отличием наиболее солеустойчивого сорта Отрадный от других анализируемых сортов стало снижение содержания транскриптов генов группы PAL5 через 24 ч после начала стресса. В случае гена CHS2 неустойчивые сорта Фонарик и VS-342-18 показали прямо противоположную динамику экспрессии гена, тогда как устойчивые сорта Отрадный и Гном имели сходную реакцию. При этом специфических особенностей экспрессии CHS2 у сорта Отрадный в сравнении с другими сортами не наблюдалось. На основе полученных данных сделаны предположения о возможном использовании в качестве биомаркеров наличия стрессовой памяти у растений томата следующих критериев — концентрации фенольных соединений спустя 1 ч воздействия солевого стресса и снижения экспрессионной активности генов группы PAL5 спустя 24 ч воздействия. Полученные данные могут быть применены в селекции солеустойчивых сортов томата.
Ключевые слова: томат, солеустойчивость, стрессовая память, гены фенилпропаноидного пути, фенольный метаболизм, содержание фенольных соединений, селекция на устойчивость.
M.A. Filyushin1 ✉, O.K. Anisimova1, E.A. Dzos1, 2,
A.V. Shchennikova1, E.Z. Kochieva1
Salt stress has a negative impact on the yield of tomato crop (Solanum lycopersicum L.). Excessive salt content in the soil results in an osmotic and ionic imbalance in plant cells, which leads to oxidative stress, metabolic changes and, thus, impaired seed germination and plant viability. One of the modern approaches to increasing the salt tolerance of tomato varieties can be priming of seeds (pre-sowing) or seedlings with NaCl solutions (cis-priming) or other chemical agents capable of stimulating salt tolerance (trans-priming). It is known that priming can lead to epigenetic modifications in the plant genome, which are necessary to increase the effectiveness of the response to repeated salinity events. Such modifications can be preserved throughout the life of the plant or inherited in subsequent generations which is called the stress memory of the plant. The mechanism underlying tomato salt tolerance is poorly understood; however, given data on other plant species, it may be related to the content of phenolic compounds and the activity of L-phenylalanine ammonia lyases (PAL), enzymes that catalyze the first stage of the phenylpropanoid pathway. In this work, for the first time, using tomato varieties of domestic selection with different salt tolerance, the dynamics of the content of phenolic compounds and the expression of key genes of the phenylpropanoid (PAL5 gene group) and flavonoid (CHS2) pathways during the process of exposure of plants to salt stress were determined. It was found that the concentration of phenolic compounds after 1 h of exposure to NaCl and a decrease in the expression of PAL5 group genes after 24 h of exposure could be used as biomarkers of the presence of stress memory in tomato plants. The aim of our study was to assess possible links between tomato salt tolerance and the regulation of phenolic compound biosynthesis. Accessions of four tomato S. lycopersicum varieties were used: Otradny (variety code 8006741), Gnom (9401318), Fonarik (9608117) and VS-342-18 (variety under development/registration) bred at the Federal Scientific Vegetable Center (FSVC, Moscow Province). According to preliminary data from the FSVC, the Otradny and Gnom varieties could have increased resistance to excess salt in the soil, while the Fonarik and VS-342-18 varieties are sensitive to salinity. Plants from seeds of the 2023 harvest were grown in an experimental climate control facility (Federal Research Center of Biotechnology RAS) under the following regime: 16 h/8 h (day/night), 23 °C/21 °C. Adult plants at the stage of formed 8-10 leaves were exposed to salt stress. For this purpose, experimental and control plants were removed from the soil and transferred to water. After 1 h, experimental plants were placed in an aqueous solution containing 100 mM NaCl to simulate salt stress; control plants continued to be kept in water. Probes (all leaves from one plant) collected 1, 6, and 24 h after the beginning of stress exposure were used to analyze the content of phenolic compounds and the expression of key genes of the phenylpropanoid and flavonoid pathways. The target genes of the phenylpropanoid and flavonoid pathways (PAL group genes and the CHS2 gene) were selected based on the position of the genes in the metabolic pathways and transcriptome data from the TomExpress database. Gene expression was determined by quantitative real-time PCR (qRT-PCR). Primer sequences were selected based on the comparative structural analysis of the target genes and their mRNA using MEGA 7.0 and NCBI-Blast. It was observed that all four varieties showed a significant increase in the content of phenolic compounds by the 24th h of NaCl exposure (depending on the variety, ~ 1.4-4.7 times compared to the control), whereas 1 h after the beginning of stress exposure, only the most salt-tolerant Otradny variety was characterized by active accumulation of phenolic compounds (~ 2 times compared to the control). The salt-sensitive varieties Fonarik and VS-342-18 turned out to be similar in the profile of phenols concentration changes under stress. The resistant varieties Otradny and Gnome showed similar dynamics only in the period from the 6th h to the 24th h, and at the point of 1 h the opposite dynamics, where the most resistant variety Otradny was characterized by active accumulation of phenolic compounds (by ~ 2 times in comparison with the control), the variety Fonarik by a decrease in their amount (by ~ 2 times in comparison with the control). Using in silico analysis of tomato transcriptomes, the target genes of the phenylpropanoid and flavonoid pathways that are most highly expressed in tomato leaves were identified among the genes encoding L-phenylalanine ammonia lyases and chalcone synthases. The group of selected genes included four (out of 16 known) PAL genes (Solyc09g007890, Solyc09g007900, Solyc09g007910 — PAL5, Solyc09g007920 — PAL3) and a gene (one of two known) encoding chalcone synthase CHS2 (Solyc05g053550). It was shown that each of the four tomato varieties was characterized by individual dynamics of target gene expression under stress. The most salt-tolerant variety Otradny differed from the other analyzed varieties in the decrease in the content of PAL5 group gene transcripts 24 h after the onset of stress. In the case of the CHS2 gene, the salt-sensitive varieties Fonarik and VS-342-18 showed directly opposite dynamics of gene expression, while the resistant varieties Otradny and Gnom had a similar response. At the same time, no specific features of CHS2 expression were observed in the Otradny variety in comparison with other varieties. Based on the data obtained, we assumed about the possible use of the concentration of phenolic compounds after 1 h of exposure to salt stress and a decrease in the expression activity of the PAL5 group genes after 24 h of exposure as biomarkers of the presence of stress memory in tomato plants. The obtained data can be used in the breeding of salt-tolerant tomato varieties.
Keywords: tomato, salt tolerance, stress memory, phenylpropanoid pathway genes, phenolic metabolism, phenolic compound content, tomato breeding for resistance.
1Институт биоинженерии, 2ФГБНУ Федеральный научный центр овощеводства, | Поступилавредакцию 6 октября 2024 года |
