Стрессоустойчивость антоним: Недопустимое название — Викисловарь

• проявил большую терпимость в борьбе с истериками ребенка

Слова, связанные с допуском

Ближайшие антонимы к допуска

Сила Синонимы | Английский тезаурус Коллинза

Определение

состояние или качество физически или умственно сильного

Он изо всех сил бросал его вперед.

Синонимы

Мощь армии может оказаться решающим фактором.

Команда показала больше мускулов, чем умственных способностей.

У него много ума и мускулов.

сила  

См. примеры синонимов

Противоположности

Определение

состояние или качество физической или умственной силы

Что-то дало мне силы преодолеть трудности.

Синонимы

Ему не хватило воли противостоять ей.

Чтобы выиграть с 10 игроками, нужно много духа.

Он проводил политику решительно и целеустремленно.

Он не ослабевает в своей решимости.

У них не хватает смелости извиниться за свои действия.

Она проявила настоящий характер, отказавшись сдаться.

У меня никогда не хватало смелости сказать ему, что он не прав.

Если мы сохраним самообладание, то, возможно, сможем блефовать.

Циники могут насмехаться над ним, но вы должны восхищаться его мужеством.

Чтобы стать первоклассным танцором, нужно обладать большой выносливостью.

Он проявил мужество и решимость в своей борьбе за здоровье.

Возможно, вы принимаете радикальные меры, и для этого у вас должен быть характер.

Он перенес болезнь с достоинством и мужеством.

Чистое упорство имеет решающее значение для успеха в карьере.

У нее не хватает силы воли бросить курить.

Это первое настоящее испытание его характера в этом сезоне.

Нельзя было отрицать его значительную целеустремленность.

сила характера  

Всем им не хватило мужества, твердости духа и моральных устоев.

См. примеры синонимов

Потребуется некоторое время, прежде чем вы полностью восстановите силы.

Синонимы

В больнице меня вылечили.

Сквош предлагает всестороннюю физическую форму.

Ему не хватает энергии нормального, здорового подростка.

Он играл очень энергично.

похоть  

См. примеры синонимов

Он был моей силой в то страшное время.

Синонимы

Рыба и рис составляли основу их рациона.

Актер дает энергию и якорь своим менее опытным коллегам.

башня силы  

Она была опорой семьи.

См. примеры синонимов

Определение

способность выдерживать большую силу, напряжение или давление

Он проверил прочность тросов.

Определение

сила убеждать

У них есть собственное движение за независимость, которое набирает силу.

Синонимы

женщины, добившиеся большой власти и влияния

Они должны продолжать использовать свое влияние для продвижения экологических реформ.

Они непопулярны из-за своего доминирующего положения в обществе.

Эти две фирмы обладают огромным влиянием на финансовых рынках.

Президент утвердил свое превосходство над премьер-министром.

Экстремисты набирают силу.

См. примеры синонимов

Определение

степень интенсивности или концентрации цвета, света, звука или аромата

Он был удивлен силой собственного чувства.

Синонимы

изо всех сил захлопывает за собой дверь

У него не было силы в левой руке.

Его напор и свирепость его чувств встревожили меня.

Он копил силы для большой гонки в Бельгии.

Я хорошо знаю глубину чувств, царящих в городе.

Он говорил громко и с большим пылом, чем собирался.

См. примеры синонимов

Противоположности

Определение

потенция или эффективность, например, напитка или лекарства

таблетки от мигрени максимальной силы

Синонимы

Сила ароматов увеличивается со временем.

эффективность компьютеров как средства обучения

Недавние медицинские исследования подтверждают эффективность здорового образа жизни.

См. примеры синонимов

Определение

то, что считается ценным или источником силы

Учитывайте свои сильные и слабые стороны.

Синонимы

Огранка бриллианта зависит от мастерства его мастера.

Ее лидерские качества были большим преимуществом для группы.

У обоих ее детей есть музыкальный талант.

Оригинальность никогда не была моей сильной стороной.

Его специальностью было приготовление насыщенных сливочных соусов.

См. примеры синонимов

Противоположности

Определение

общее количество людей в группе

численность армии

Синонимы

книги разного размера

поместье площадью около семи или восьми акров

масштаб задачи, стоящей перед ними

См. примеры синонимов

Цитата

Copyright © HarperCollins.Все права защищены.

Борьба с толерантностью, чтобы остановить резистентность

мБио. 2019 сен-октябрь; 10(5): e02095-19.

Etthel M.

^a VIB Центр микробиологии, Институт биотехнологии Фландрии, Левен, Бельгия

^b Центр микробной и растительной генетики, KU Leuven, Leuven, Бельгия

Joran E.Michiels

^a VIB Центр микробиологии, Институт биотехнологии Фландрии, Левен, Бельгия

^b Центр микробной и растительной генетики, KU Leuven, Leuven, Бельгия

Bram Van den Bergh

^b Центр микробиологии и генетики растений, KU Левен, Левен, Бельгия

Maarten Fauvart

^a VIB Центр микробиологии, Институт биотехнологии Фландрии, Левен, Бельгия

^c imec, Левен, Бельгия

Jan Michiels

^a Центр микробиологии VIB, Институт биотехнологии Фландрии, Левен, Бельгия Бельгия

Слава Эпштейн, Северо-восточный университет;

^a VIB Центр микробиологии, Институт биотехнологии Фландрии, Лёвен, Бельгия

^b Центр микробиологии и генетики растений, KU Лёвен, Лёвен, Бельгия

^c imec, Лёвен, Бельгия автор.

^# Внесли поровну.

Э.М.В. и Д.Э.М. в равной мере внесли свой вклад в эту работу.

РЕФЕРАТ

Устойчивость к антибиотикам представляет собой тревожную и постоянно растущую угрозу для современного здравоохранения. Хотя нынешний кризис антибиотиков широко известен, предпринятые до сих пор действия оказались недостаточными для замедления безудержного распространения устойчивых патогенов. Проблема заключается в том, что рутинные методы скрининга и стратегии по ограничению неэффективности терапии почти исключительно сосредоточены на генетической резистентности, в то время как растет количество данных об опасностях, связанных с другими стратегиями выживания бактерий.Толерантность к антибиотикам, встречающаяся либо у всей популяции, либо у субпопуляции клеток, позволяет бактериям временно преодолевать лечение антибиотиками и упускается из виду в клинической практике. Недавние исследования показали, что в дополнение к продлению лечения и возникновению рецидивов инфекции толерантность также ускоряет появление резистентности. Эти важные выводы подчеркивают необходимость стратегий борьбы с толерантностью не только для улучшения лечения рецидивирующих инфекций, но и для эффективного решения проблемы устойчивости к антибиотикам в корне.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: устойчивость к антибиотикам, антибиотики, эволюция, устойчивость

АНТИБИОТИКИ И КРИЗИС РЕЗИСТЕНТНОСТИ

Антибиотики изменили медицину и спасли миллионы жизней с момента появления пенициллина в 1940-х годах (1). Однако либо в результате мутации de novo , либо в результате горизонтального переноса генов бактерии могут приобрести механизмы для деградации или инактивации антибиотика, выкачивания антибиотика из клетки или изменения мишени лекарственного средства. Эти механизмы устойчивости позволяют бактериям расти при повышенных концентрациях антибиотиков.Сообщения об устойчивости к антибиотикам появились еще до их первого терапевтического применения (2). Первоначально появление резистентных патогенов не вызывало серьезной общественной озабоченности, поскольку регулярно открывались новые эффективные антибиотики. Однако после золотых лет открытия антибиотиков с 1940-х по 1960-е годы разработка новых и эффективных антибиотиков неуклонно снижалась (3). Сокращение предложения новых соединений вместе с массовым увеличением потребления антибиотиков, включая нетерапевтическое использование для стимуляции роста в сельском хозяйстве и аквакультуре, привело к кризису устойчивости к антибиотикам, с которым мы сталкиваемся сегодня (4).По оценкам, ежегодно инфекции, вызванные устойчивыми к антибиотикам бактериями, приводят к более чем 23 000 и 33 000 смертей в США и Европе соответственно (5, 6). Инфекции, вызванные устойчивыми к антибиотикам возбудителями, приводят к дополнительным больничным расходам на одного пациента на 10 000–40 000 долларов США (7). Если адекватные меры не будут приняты, потери от резистентности к противомикробным препаратам в Европе, Северной Америке и Австралии, по оценкам, вырастут до 2,4 млн несчастных случаев в год при ежегодных затратах до 3,5 млрд ед.с. долларов (8).

ПЕРЕНОСИМОСТЬ И СТОЙКОСТЬ К АНТИБИОТИКАМ

Ученые также предупреждают об опасностях другой стратегии, с помощью которой бактерии могут преодолевать лечение антибиотиками. Толерантность к антибиотикам позволяет бактериям временно противостоять или замедлять летальные последствия высоких доз бактерицидных антибиотиков, но без возможности роста в их присутствии (9). Повышенная толерантность может быть результатом мутаций, но также может быть результатом условий окружающей среды, например условий, замедляющих рост (10).Способность целой бактериальной популяции выживать при более длительном лечении бактерицидными антибиотиками обозначается в тексте как «толерантность». Толерантность также может возникать в субпопуляции фенотипических вариантов, называемых «персистерными клетками». Этот особый тип толерантности называется «настойчивостью» (11). Как и в случае с резистентностью, толерантность и персистентность впервые наблюдались вскоре после введения пенициллина (12,–15).

Все больше данных свидетельствует о том, что толерантность и настойчивость играют значительную и в настоящее время недооцененную роль в сопротивляемости и рецидивах бактериальных инфекций (11, 16,–19). Эти доказательства включают следующее. (i) Высокие уровни персистеров присутствуют в биопленках и внутри клеток-хозяев (20,–23). (ii) Хорошо известный ген персистенции часто мутирует в клинических изолятах уропатогенной Escherichia coli (24). (iii) На фоне периодического лечения антибиотиками как in vitro , так и in vivo развивается повышенная толерантность или устойчивость (25,–29). (iv) Рецидивирующие эпизоды инфекции могут быть связаны с рецидивом, вызванным первоначальным нерезистентным штаммом-основателем, а не с повторным заражением новым штаммом (30,–32).(v) Несколько исследований продемонстрировали, что нерастущие или медленно растущие бактерии переносят антибиотики и вызывают неэффективность терапии на моделях инфекции in vivo (23, 33,–37). Растущее осознание клинических последствий толерантности и настойчивости сильно стимулировало исследования этих явлений в последнее десятилетие. Однако в разных исследованиях часто используются разные экспериментальные установки, что приводит к несоответствиям в имеющихся данных. Недавно был предложен набор стандартизированных и общепринятых руководств по измерению устойчивости к антибиотикам, которые должны облегчить сравнение экспериментальных результатов (38).

ТОЛЕРАНТНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ КАК ДВИГАТЕЛИ ЭВОЛЮЦИИ РЕЗИСТЕНТНОСТИ

Три десятилетия назад Морейон и Томаш обнаружили, что циклическое воздействие высоких концентраций пенициллина на Streptococcus pneumoniae приводит к отбору толерантных мутантов, в то время как резистентные мутанты развиваются во время воздействия устойчивых низких концентраций пенициллина. пенициллин (39). Основываясь на этом открытии, они предположили, что толерантные клетки представляют собой резервуар жизнеспособных клеток, из которых могут появиться устойчивые мутанты («Затем устойчивые мутанты будут рекрутироваться из этого пула бактерий с дефектами лизиса и уничтожения […]»), что подразумевает что толерантность способствует развитию резистентности («отбор на устойчивость […] может быть вторичным по отношению к отбору на увеличение выживания. »). В соответствии с этой гипотезой толерантный мутант S. pneumoniae постоянно демонстрирует большую эффективность при трансформации ДНК из устойчивых к стрептомицину или пенициллину клинических изолятов по сравнению со штаммом S. pneumoniae дикого типа (40). Математическое моделирование бактериальной инфекции также показало, что толерантные клетки могут играть важную роль в возникновении резистентности к терапии (41). Однако убедительные экспериментальные доказательства в пользу этой гипотезы были опубликованы лишь недавно.Нгуен и др. использовали модель мышиной инфекции, чтобы продемонстрировать, что развитие резистентности прекращается у штамма с сильно сниженной устойчивостью к антибиотикам (21). Себастьян и др. показали, что персистирующие штаммы являются источником de novo устойчивых мутантов при длительном воздействии рифампина на Mycobacterium tuberculosis (42). Группа Натали Балабан обнаружила, что эволюция повышенной толерантности или персистенции предшествует появлению и распространению мутаций, придающих резистентность, в E. coli при периодическом воздействии ампициллина (43). Недавно мы обнаружили сильную положительную корреляцию между уровнями персистентности и вероятностью развития резистентности у природных изолятов и лабораторных штаммов E. coli (44). Важно отметить, что эти результаты верны для разных типов антибиотиков, в разных условиях или условиях, что указывает на широко распространенную связь между персистенцией и эволюцией резистентности.

Помимо создания жизнеспособного резервуара, из которого могут появиться устойчивые клоны, толерантность и настойчивость могут также способствовать развитию устойчивости более сложным образом.Стрессовые реакции играют центральную роль в формировании персистеров (11, 16, 21, 45), а также известно, что они вызывают временное увеличение частоты клеточных мутаций (46,-49). Следовательно, высокие уровни персистеров и высокая частота мутаций могут синергетически действовать на бактерии, подвергшиеся стрессу, и увеличивать вероятность появления мутаций, придающих устойчивость, в резервуаре персистеров (50). Доказательства того, что стрессовые реакции являются основной детерминантой связи между персистенцией и устойчивостью, были предоставлены Sebastian et al., которые сообщили, что мутации резистентности, возникающие у персистентов Mycobacterium , провоцируются повышенным уровнем окислительного стресса (42).Более того, известно, что и фенотипы с высокой устойчивостью, и мутаторные фенотипы процветают в изменчивых условиях окружающей среды (25, 51,–53), что позволяет предположить, что эти признаки могут развиваться в сходных условиях окружающей среды. Недавнее исследование нашей лаборатории подтвердило, что персистенция плейотропно связана с частотой мутаций. Используя анализ флуктуаций Луриа-Дельбрюка, мы обнаружили повышенную частоту мутаций у двух мутантов с высокой устойчивостью и более низкую частоту мутаций у штамма с низкой устойчивостью. В популяциях, обработанных антибиотиками в концентрациях, превышающих МПК, количество резистентных мутантов, появившихся на один выживший персистент, показывает ту же тенденцию (44). Спонтанное или индуцированное антибиотиками повреждение ДНК все еще может вызывать мутации у нерастущих персистеров, потому что эти клетки обнаруживают оборот ДНК даже в отсутствие хромосомной репликации (54,-56). Действительно, Барретт и соавт. недавно наблюдали сильную индукцию SOS-ответа у персистеров, что свидетельствует о повреждении ДНК (57). Эти персистеры демонстрируют ускоренное развитие резистентности, процесс, в котором участвуют склонные к ошибкам ДНК-полимеразы (57). Точно так же Яаков и соавт. продемонстрировали, что персистерных Saccharomyces cerevisiae характеризуются повышенной нагрузкой повреждений ДНК, что указывает на повышенную скорость мутаций и способность к эволюции этих клеток (58).Корреляция между персистенцией и частотой мутаций была также недавно подтверждена El Meouche и Dunlop (59). Их данные свидетельствуют о том, что гетерогенность в экспрессии мультилекарственного эффлюксного насоса AcrAB-TolC приводит к возникновению субпопуляции, которая не только временно устойчива к нескольким лекарствам, но также демонстрирует более низкую скорость роста и сниженную экспрессию фермента репарации несоответствия ДНК MutS, что приводит к в повышенной частоте спонтанных мутаций (59).

На основе этих накопленных экспериментальных данных мы предлагаем структуру, в которой два фактора составляют связь между толерантностью или настойчивостью и сопротивлением ().С одной стороны, высокие уровни персистенции или толерантности приводят к большему количеству жизнеспособных клеток во время лечения антибиотиками, что приводит к увеличению статистической вероятности возникновения мутаций, вызывающих резистентность (4). С другой стороны, повышенная персистенция и, возможно, также толерантность плейотропно связаны с повышенной частотой мутаций как в растущих клетках (при низких концентрациях антибиотиков), так и в персистерах (при высоких концентрациях антибиотиков) (4). Математическая модель, имитирующая курс лечения антибиотиками у пациента с бактериальной инфекцией, подтвердила, что персистенция способствует возникновению резистентности в клинических условиях за счет взаимодействия повышенной выживаемости и повышенной адаптивности за счет повышенной частоты мутаций (44).

Схема того, как устойчивость и устойчивость к антибиотикам ускоряют эволюцию генетической устойчивости. Во-первых, в популяциях, демонстрирующих высокий уровень толерантности или персистенции, для мутации доступно большее количество жизнеспособных клеток, что повышает вероятность возникновения резистентного мутанта. Во-вторых, персистенция связана с более высокой частотой мутаций, что опять же вызывает повышенную вероятность возникновения мутаций, вызывающих резистентность. Будущие исследования покажут, существует ли подобная связь между толерантностью и частотой мутаций.

БОРЬБА С ТОЛЕРАНТНОСТЬЮ И СТОП-РЕЗИСТЕНТНОСТЬЮ

Непрерывное улучшение медицинской помощи увеличивает продолжительность жизни пациентов с ослабленным иммунитетом, а использование постоянных медицинских устройств, подверженных инфекциям, связанным с биопленкой, которые защищают бактерии от активности иммунной системы, постоянно растет. . Таким образом, в будущем можно ожидать значительного увеличения клинических проявлений толерантности к антибиотикам. Учитывая недавние исследования, которые раскрыли связь между толерантностью или персистенцией и эволюцией генетической устойчивости, это приведет не только к увеличению распространенности хронических и рецидивирующих инфекций, но, вероятно, также к дальнейшему увеличению возникновения и распространения устойчивости к антибиотикам.Поэтому, чтобы избежать разрушительных последствий надвигающейся постантибиотической эры, мы утверждаем, что клиническое внимание не должно быть сосредоточено исключительно на борьбе с устойчивостью к антибиотикам.

В клинических условиях скрининг на резистентность с помощью диско-диффузионных анализов или измерений МИК стал обычной практикой для назначения антибиотикотерапии бактериальных инфекций (60). С другой стороны, переносимость и устойчивость к антибиотикам упускаются из виду, в основном из-за отсутствия столь же надежного, количественного и легко измеримого параметра.Как следствие, данные о клинических проявлениях толерантности и персистенции довольно скудны (9). На основании снижения скорости уничтожения, характерного для устойчивых к антибиотикам клеток, группа Балабана ввела «минимальную продолжительность уничтожения» (MDK) в качестве количественного параметра для определения толерантности и персистенции (28, 61). Поскольку анализы на время элиминации являются трудоемкими, та же группа также описала модификацию стандартного анализа дисковой диффузии, которая позволяет проводить полуколичественную оценку толерантности и персистенции (62).Тем не менее, необходима дальнейшая проверка этих предлагаемых показателей на видах, отличных от E. coli , и на клинических изолятах, прежде чем они смогут быть реализованы лабораториями клинической микробиологии. Кроме того, важно отметить, что толерантность и персистенция сильно зависят от условий окружающей среды, что требует их обнаружения в контексте, напоминающем среду заражения in vivo (63). Текущие попытки исследовать этот контекст in vivo включают использование сконструированных штаммов, сообщающих об условиях окружающей среды и их влиянии на физиологию бактерий (64, 65). Эти знания следует использовать для перехода от обычных условий культивирования к модельным системам, имитирующим инфекционную среду (65).

Терапевтический выбор может быть дополнительно подкреплен прогнозированием резистентности и толерантности на основе последовательностей. Постоянно снижающиеся затраты на секвенирование делают идентификацию генетических маркеров, связанных с толерантностью и персистенцией, все более осуществимой (18). Тем не менее, пробелы в знаниях о генетической основе толерантности и настойчивости в настоящее время препятствуют использованию диагностических инструментов на основе ДНК.С другой стороны, маркеры на основе экспрессии и физиологии были предложены в качестве инструментов для диагностики толерантности и персистенции антибиотиков (18, 66). Например, Стоукс и др. недавно разработали анализ «портативного уничтожения клеток на твердых средах» (SPOCK), метод, который позволяет проводить высокопроизводительный скрининг уничтожения антибиотиками толерантных бактерий (67). В этом анализе летальность антибиотиков в отношении клеток, находящихся в колониях, отслеживается с помощью окислительно-восстановительного красителя (67). Однако этот метод не оценивает способность к повторному росту выживших клеток и, следовательно, не делает различий между клетками, устойчивыми к антибиотикам, и жизнеспособными, но некультивируемыми клетками (VBNC).Поскольку существующие методы диагностики толерантности и настойчивости явно все еще находятся в зачаточном состоянии, мы выступаем за то, чтобы дополнительные исследования были сосредоточены на дальнейшем развитии и повышении ценности этих инструментов. Лучшее понимание генетической основы и физиологии устойчивых к антибиотикам клеток улучшит перспективы диагностики на основе маркеров. Кроме того, станет необходимым скорейшее внедрение этих инструментов в скрининг новых антибиотиков и принятие клинических решений.

В дополнение к разработке средств диагностики толерантности и персистенции следует приложить значительные усилия для разработки стратегий, способных устранить толерантные клетки, поскольку они могут предотвратить развитие резистентности. Эффективность этого подхода была продемонстрирована в эксперименте по проверке концепции, в котором культуры E. coli обрабатывали маннитом. Известно, что это соединение сенсибилизирует персистирующие клетки и, следовательно, замедляет развитие резистентности (44). Аналогичным образом было высказано предположение, что ингибиторы эффлюксной помпы AcrAB-TolC могут не только повышать чувствительность клеток к антибиотикам, но и восстанавливать уровень их мутаций, что может привести к улучшению результатов лечения (68).

Поразительно, но устойчивые к лекарствам персистеры также присутствуют в популяциях раковых клеток, где они вовлечены в рецидив опухоли (69, 70).Все больше данных свидетельствуют о том, что эта субпопуляция фенотипических вариантов действует как существенный резервуар для возникновения резистентности к терапии (71, 72). Эта интригующая параллель между раком и инфекциями, двумя, казалось бы, разными типами заболеваний, указывает на то, что антиперсистерные стратегии могут также помочь улучшить результаты лечения рака (73,–75). Действительно, ингибирование липидгидропероксидазы GPX4, которое необходимо для выживания персистирующих клеток, приводит к гибели персистирующих клеток и, следовательно, предотвращает приобретение лекарственной устойчивости раковыми клетками (76).Понимание, обнаружение и определение толерантности и персистенции потребуют совместных усилий микробиологов и клиницистов и в конечном итоге должны привести к уменьшению неэффективности терапии как при инфекционных заболеваниях, так и при раке.

БЛАГОДАРНОСТИ

E.M.W. и Б.В.Д.Б. являются стипендиатами Исследовательского фонда Фландрии (FWO), а J.E.M. является сотрудником Агентства по инновациям в науке и технологиях (IWT). Это исследование финансировалось Исследовательским советом KU Leuven (PF/10/010 и C16/17/006), FWO (G047112N, G0B2515N и G055517N) и Фламандским институтом биотехнологии (VIB).Б.В.Д.Б. также финансировался стипендией Бельгийско-американского образовательного фонда (BAEF) и Европейской организации молекулярной биологии (EMBO).

Мы заявляем об отсутствии конфликта интересов.

Э.М.В. и Д.Э.М. написал статью (внес равный вклад). Б. В. Д. Б., М. Ф. и Дж. М. редактировали статью.

Сноски

Цитирование Windels EM, Michiels JE, Van den Bergh B, Fauvart M, Michiels J. 2019. Антибиотики: борьба с толерантностью, чтобы остановить резистентность.mBio 10: e02095-19. https://doi.org/10.1128/mBio.02095-19.

Информация для участников

Слава Эпштейн, Северо-восточный университет.

Эрик Дж. Рубин, Гарвардская школа общественного здравоохранения.

ЛИТЕРАТУРА

. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]55. Лёве Л., Текстор В., Шерер С. 2003. Высокая частота вредных геномных мутаций в стационарной фазе Escherichia coli .Наука 302: 1558–1560. дои: 10.1126/наука.1087911. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]56. Бьедов И., Тенайон О., Жерар Б., Соуза В., Денамур Э., Радман М., Таддеи Ф., Матич И. 2003. Стресс-индуцированный мутагенез у бактерий. Наука 300: 1404–1409. дои: 10.1126/наука.1082240. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]57. Барретт Т.С., Мок В.В.К., Муравски А.М., Бринилдсен М.П. 2019. Повышенное развитие устойчивости к антибиотикам у персистирующих фторхинолонов после однократного воздействия антибиотика. Нац Коммуна 10:1177.doi: 10.1038/s41467-019-09058-4. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]58. Яаков Г., Лернер Д., Бентеле К., Стейнбергер Дж., Баркай Н. 2017. Сочетание фенотипической стойкости с повреждением ДНК увеличивает генетическое разнообразие при тяжелом стрессе. Нат Экол Эвол 1:16. doi: 10.1038/s41559-016-0016. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]59. Эль Меуш I, Данлоп MJ. 2018. Гетерогенность в экспрессии насоса оттока предрасполагает устойчивые к антибиотикам клетки к мутации. Наука 690: 686–690. doi:10.1126/наука.аар7981. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]60. Дженкинс С.Г., Шютц А.Н. 2012. Современные концепции лабораторных испытаний для руководства антимикробной терапией. Майо Клин Прок 87: 290–308. doi:10.1016/j.mayocp.2012.01.007. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]61. Браунер А., Шореш Н., Фридман О., Балабан Н.К. 2017. Экспериментальная основа для количественной оценки бактериальной толерантности. Биофиз Дж 112: 2664–2671. doi:10.1016/j.bpj.2017.05.014. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]62.Гефен О., Чекол Б., Страхилевич Дж., Балабан Н.К. 2017. TDtest: простое определение бактериальной толерантности и персистенции в клинических изолятах с помощью модифицированного диско-диффузионного анализа. научный представитель 7:1–9. дои: 10.1038/srep41284. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]64. Определенный Л.К., Уэй Дж.С., Пезоне М.Дж., Коллинз Дж.Дж. 2017. Использование сконструированных бактерий для характеристики динамики инфекции и действия антибиотиков in vivo. Клеточный микроб-хозяин 22:263–268.e4. doi:10.1016/j.chom.2017.08.001. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 65.Мейлан С., Эндрюс И. В., Коллинз Дж.Дж. 2018. Ориентация на толерантность к антибиотикам, возбудитель за возбудителем. Клетка 172: 1228–1238. doi:10.1016/j.cell.2018.01.037. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]66. Хаабер Дж., Фриберг С., МакКрири М., Лин Р., Коэн С.Н., Ингмер Х. 2015. Обратимая толерантность к антибиотикам, индуцированная у Staphylococcus aureus одновременным воздействием лекарств. mBio 6:e02268-14. doi: 10.1128/mBio.02268-14. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]67. Стоукс Дж. М., Гутьеррес А., Лопаткин А. Дж., Эндрюс И. В., Френч С., Матич И., Браун Э. Д., Коллинз Дж. Дж.2019. Мультиплексный анализ для скрининга летальности антибиотиков против устойчивых к лекарствам бактерий. Нат Методы 16: 303–306. doi: 10.1038/s41592-019-0333-y. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]68. Фримодт-Мёллер Дж., Лёбнер-Олесен А. 2019. Активация эффлюксной помпы: от толерантности к высокой устойчивости к антибиотикам? Тенденции микробиол 27:291–293. doi:10.1016/j.tim.2019.01.005. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]69. Шарма С.В., Ли Д.Ю., Ли Б., Куинлан М.П., ​​Такахаши Ф., Махесваран С., Макдермотт У., Азизиан Н., Зоу Л., Фишбах М.А., Вонг К.К., Брандштеттер К., Виттнер Б., Рамасвами С., Классон М., Сеттлман Дж.2010. Опосредованное хроматином состояние обратимой лекарственной толерантности в субпопуляциях раковых клеток. Клетка 141:69–80. doi:10.1016/j.cell.2010.02.027. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]70. Кночель Б., Родерик Дж. Э., Уильямсон К. Е., Чжу Дж., Лор Дж. Г., Коттон М. Дж., Гиллеспи С. М., Фернандес Д., Ку М., Ван Х., Пиччони Ф., Сильвер С. Дж., Джейн М., Пирсон Д., Клюк М. Дж., Отт С. Дж., Шульц Л. Д. , Брем М.А., Грейнер Д.Л., Гутьеррес А., Стегмайер К., Кунг А.Л., Рут Д.Е., Браднер Дж.Е., Астер Дж.К., Келлихер М.А., Бернштейн Б.Е. 2014. Эпигенетический механизм устойчивости к таргетной терапии острого Т-клеточного лимфобластного лейкоза.Нат Жене 46:364–370. дои: 10.1038/ng.2913. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]71. Хата А.Н., Нидерст М.Дж., Арчибальд Х.Л., Гомес-Карабальо М., Сиддики Ф.М., Малви Х.Е., Марувка Е.Е., Джи Ф., Бханг Х.Е., Кришнамурти Радхакришна В., Сиравенья Г., Ху Х., Рауф С., Локерман Э., Калси А., Ли Д. , Китинг С.Л., Радди Д.А., Дэймон Л.Дж., Кристал А.С., Коста С., Пиотровска З., Барделли А., Иафрате А.Дж., Садреев Р.И., Стегмайер Ф., Гетц Г., Секвист Л.В., Фабер А.С., Энгельман Дж.А. 2016. Опухолевые клетки могут следовать различным эволюционным путям, чтобы стать устойчивыми к ингибированию рецепторов эпидермального фактора роста.Нат Мед 22:262–269. дои: 10.1038/nm.4040. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]72. Рамирес М., Раджарам С., Штайнингер Р.Дж., Осипчук Д., Рот М.А., Мориниши Л.С., Эванс Л., Джи В., Хсу С-Х, Терли К., Вэй С., Чжоу А., Кодуру П.Р., Познер Б.А., Ву Л.Ф., Альтшулер С.Дж. 2016. Разнообразные механизмы устойчивости к лекарственным средствам могут возникать у устойчивых к лекарственным средствам раковых клеток-персистеров. Нац Коммуна 7:1–8. дои: 10.1038/ncomms10690. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]73. Окснард ГР. 2016. Клеточное происхождение лекарственной устойчивости при раке.Нат Мед 22:232–234. дои: 10.1038/nm.4058. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]74. Валлетт Ф.М., Оливье С., Лезо Ф., Оливер Л., Кошонно Д., Лалье Л., Картрон П.-Ф., Хейманн Д. 2019. Спящие, покоящиеся, толерантные и персистирующие клетки: четыре синонима одной и той же мишени при раке. Биохим Фармакол 162: 169–176. doi:10.1016/j.bcp.2018.11.004. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]76. Hangauer MJ, Viswanathan VS, Ryan MJ, Bole D, Eaton JK, Matov A, Galeas J, Dhruv HD, Berens ME, Schreiber SL, McCormick F, McManus MT.2017. Лекарственно-устойчивые персистирующие раковые клетки уязвимы для ингибирования GPX4. Природа 551: 247–250. дои: 10.1038/природа24297. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Идентификация и характеристика нового гена, реагирующего на мультистресс, у арабидопсиса

Abstract

Абиотические стрессы, особенно засоление, засуха и высокая температура, приводят к значительному снижению урожайности сельскохозяйственных культур. В этом исследовании мы идентифицировали AT4G18280 , аннотированный как богатый глицином белок, подобный белку клеточной стенки (далее именуемый GRPL1 ), как потенциальный ген, реагирующий на мультистресс.Анализ общедоступных данных транскриптома и анализ GUS pGRPL1 :: GUS показал сильную индукцию GRPL1 в условиях засухи, засоления и теплового стресса. Трансгенные растения со сверхэкспрессией GRPL1 -3HA показали значительно более высокую всхожесть, удлинение корней и выживаемость в условиях солевого стресса. Кроме того, трансгенные линии 35S :: GRPL1-3HA также показали более высокую выживаемость при засушливых и тепловых стрессах. GRPL1 продемонстрировал сходные паттерны экспрессии с генами пути абсцизовой кислоты (ABA) в различных условиях роста и стресса, что указывает на возможность того, что GRPL1 может действовать на путь ABA, что также подтверждается неспособностью мутанта с дефицитом ABA ( aba2-1 ), чтобы индуцировать GRPL1 в условиях засушливого стресса. В совокупности наши данные представляют GRPL1 как потенциальный ген, чувствительный к множественным стрессам, работающий ниже по течению от ABA.

Образец цитирования: Таваб Ф., Мунир И., Насим З., Хан М.С., Таваб С., Насим А. и др. (2020)Идентификация и характеристика нового гена, реагирующего на мультистресс, у арабидопсиса. ПЛОС ОДИН 15(12): е0244030. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0244030

Редактор: Кэцян Ву, Тайваньский национальный университет, ТАЙВАНЬ

Получено: 22 августа 2020 г .; Принято: 1 декабря 2020 г .; Опубликовано: 17 декабря 2020 г.

Авторское право: © 2020 Tawab et al.Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные содержатся в рукописи и файлах вспомогательной информации.

Финансирование: Автор(ы) не получали специального финансирования для этой работы.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Будучи сидячими в природе, растения постоянно подвергаются различного рода экологическим стрессам, в том числе повышенному уровню засоления, засухе и экстремальным температурам [1], что вызывает снижение урожайности сельскохозяйственных культур и представляет серьезную угрозу глобальной продовольственной безопасности [2]. ]. Неблагоприятные последствия этих абиотических стрессов еще больше усугубляются изменением климата, постоянным сокращением пахотных земель и ограничением водных ресурсов [3,4]. Обширные исследования модельных растений и сельскохозяйственных культур были направлены на понимание реакции растений на различные биотические и абиотические стрессы [5]. Для удовлетворения потребностей растущего населения и меняющихся климатических условий земного шара существует большая потребность в увеличении мирового производства продуктов питания, поэтому спрос на устойчивые к стрессу сорта сельскохозяйственных культур увеличился, чем в прошлом [6,7].

Чтобы справиться со стрессом, растения разработали многочисленные адаптивные стратегии, которые включают физиологические, морфологические, молекулярные и биохимические реакции [8]. Растения развили несколько молекулярных механизмов для адаптации и последующего выживания в условиях стресса, что было выявлено с помощью транскриптомики, вызванной стрессом.Сотни генов растений по-разному регулируются в ответ на абиотические стрессы, как показано анализом секвенирования РНК. Различные стрессы широко изучались у Arabidopsis thaliana [9]. РНК-секвенирование зарекомендовало себя как мощный метод для понимания сложных сетей регуляции и экспрессии генов у многих видов растений, реагирующих на несколько видов биотических и абиотических стрессов, таких как пекинская капуста [10], нут [11], кукуруза [12]. , картофель [13], Ammopiptanthus mongolicus [14] и соя [15].

Чтобы смягчить негативные последствия этих стрессов, растения развили сложную систему сенсоров стресса, путей передачи сигналов и факторов транскрипции (TF) [16,17]. За последние несколько лет была исследована функциональная роль богатых глицином белков (GRP) в реакции на стресс, и было показано, что некоторые члены этого семейства у арабидопсиса усиливают прорастание семян и устойчивость проростков к холодовому стрессу [18]. Большое количество богатых глицином белков (GRP) также модулируется биотическими и абиотическими факторами [19].GRP также участвуют в реагировании на водный стресс, включая засуху и заболачивание. Урожайность зерна риса ( Oryza sativa ) во время стресса от засухи была улучшена после включения AtGRP2 и AtGRP7 в геном риса [20].

В этом исследовании мы идентифицировали новый ген GRPL1 ( AT4G18280 ), который аннотирован как богатый глицином белок, подобный белку клеточной стенки, в Arabidopsis thaliana , используя общедоступные транскриптомные данные растений, подвергшихся различным абиотическим стрессам. .Сообщалось о совместной регуляции AT4G18280 с высокоаффинным K+ 5 ( HAK5 ) при дефиците K ⁺ и солевом стрессе [21]; однако не было предпринято никаких попыток функционально охарактеризовать этот ген. В этом исследовании мы охарактеризовали GRPL1 , создав линии сверхэкспрессии и проанализировав их производительность при различных абиотических стрессах. Перенаселенность GRPL1 приводит к повышенной устойчивости к солевым, засушливым и тепловым стрессам у Arabidopsis thaliana .Манипулирование ортологами этого гена в экономически важных сельскохозяйственных культурах может быть полезным для обеспечения глобальной продовольственной безопасности в меняющихся условиях окружающей среды.

Материалы и методы

Поиск и анализ общедоступных наборов данных RNA-seq с использованием протокола Tuxedo

Чтобы получить представление об экспрессии транскриптомных генов, мы выбрали общедоступные наборы данных транскриптома растений Arabidopsis thaliana на основе критериев, согласно которым используемые образцы должны иметь одинаковую стадию развития, и в идеале уровень и продолжительность конкретного абиотического стресса должны быть одинаковыми. .На основании этого критерия были загружены SRA009031 [22], GSE72806 [23] и SRP035234 [24] Arabidopsis thaliana (Col-0) и проанализированы с помощью протокола Tuxedo [25]. Вкратце, необработанные считывания оценивали по качеству, усыновляли и затем выравнивали с TOPHAT2 с последующей сборкой транскриптов с Cufflinks и анализом дифференциальной экспрессии генов с Cuffdiff2. Последующий анализ и визуализация дифференциально экспрессируемых генов (DEG) выполнялись с помощью пользовательских сценариев R и Python.Общие гены-мишени различных стрессов определяли с помощью Venny2 (доступно по ссылке: bioinfogp.cnb.csic.es/tools/venny).

Растительный материал, условия роста и анализ реакции на стресс

Для всех экспериментов использовали образец Columbia (Col-0) Arabidopsis thaliana . Двухнедельные растения, выращенные в контролируемых условиях (16:8 часов день/ночь), использовали для экспериментов по реакции на стресс.

Анализ экспрессии.

Для экспрессии генов на уровне транскриптов и проверки данных секвенирования РНК РНК экстрагировали из проростков арабидопсиса с использованием реагента TRI (Sigma), а кДНК синтезировали из тотальной РНК (2 мкг) с использованием обратной транскриптазы Superscript-II (Invitrogen). Количественную оценку проводили с использованием прибора LightCycler® 480. Эксперименты с КПЦР проводили в трех технических и биологических повторностях каждый. Средние значения Ct, полученные в результате количественной ПЦР, использовали для расчета относительного количества (RQ) для эталона и интересующего гена с использованием уравнения, приведенного ниже:

1. Относительное количество (RQ) = E ^{(Ct[контроль]–Ct[обработка])}
2. Где: E = Эффективность грунтовки
3. T = Целевой ген
4. Затем относительные количества использовали для оценки относительной экспрессии целевого гена с помощью уравнения:
5. нормализованное выражение = образец RQ _(GOI) / образец RQ _(REF)
6. Где: GOI = интересующий ген
7. REF = эталонный ген

Экспрессия генов нормализована по убиквитину.Принимая во внимание, что белковый гель-блот использовался для обнаружения белков, меченных HA-эпитопом, в линиях сверхэкспрессии. Для белкового гель-блоттинга использовали моноклональные антитела против HA (Agrisera). Окрашивание Ponceau использовали в качестве контроля загрузки.

Чтобы проверить промоторную активность промотора GRPL1 , мы клонировали 1758 п.н. перед сайтом начала трансляции GRPL1 с использованием системы клонирования Infusion. Вкратце, вектор pBI101 линеаризовали с использованием рестриктазы Sma I, тогда как промоторную область амплифицировали с использованием высокоточной ДНК-полимеразы pfu с использованием праймеров, упомянутых в (S1 Table).Анализ GUS проводили на стабильных трансгенных линиях T ₃ , как описано ранее [26]. Вкратце, образцы фиксировали 90% ацетоном в течение 20 минут, промывали и обрабатывали окрашивающим буфером (содержащим X-Gluc) и инкубировали при 37°C в течение 2 часов. После удаления буфера для окрашивания и промывки этанолом образцы исследовали под световым микроскопом.

Генерация гиперэкспрессионных линий.

Ген потенциальной устойчивости к множественным стрессам AT4G18280 был амплифицирован с помощью ген-специфических праймеров (таблица S1) и клонирован в фоновый бинарный вектор pUC19, содержащий промотор слитого вируса мозаики цветной капусты 35S (CaMV).Сверхэкспрессия GRPL1 была подтверждена на уровне транскриптов с помощью количественной ПЦР (таблица S1) и на уровне белка с помощью вестерн-блоттинга стабильных трансгенных линий.

Анализы стресса.

Для доступа к функциональности AT4G18280 в качестве потенциального кандидата на устойчивость к множественным стрессам была определена производительность линий сверхэкспрессии поколения T ₄ в условиях солевого, засушливого и теплового стресса по сравнению с растениями дикого типа. Солевой стресс индуцировали добавлением 100 и 200 мМ NaCl в чашки для МС.Линии дикого типа и избыточной экспрессии оценивали по сырой массе, проценту прорастания, относительному удлинению корней, содержанию хлорофилла, содержанию пролина, содержанию мелондиальдегида (МДА) и коэффициенту выживаемости (%). После завершения стрессового периода сеянцы (10 растений/генотип) брали из контрольных и подвергнутых стрессу горшков и определяли их сырую массу (мг/растение) с помощью цифровых весов. Для теста на всхожесть различия в прорастании семян при солевом стрессе регистрировали на третьи сутки переноса в ростовую камеру (22°С).Относительное удлинение корней (%) измеряли как процент удлинения корней при солевом стрессе, нормализованный по отношению к контрольным условиям. Содержание хлорофилла в листьях растений, обработанных 100 и 200 мМ NaCl, определяли количественно с помощью спектрофотометра (U-2810, Hitachi). После экстракции супернатанта из образцов, гомогенизированных в ацетоне, хлорофиллы а и b определяли суммарно в мг/г сырой массы по методике, описанной ранее [27]. Содержание пролина ( мкг/г г/г сырой массы) определяли с использованием ранее описанного метода с небольшими изменениями [28].Содержание мелондиальдегида (МДА) измеряли путем получения надосадочной жидкости из образцов листьев контрольных и подвергшихся стрессу растений с помощью ряда стадий, а затем полученную надосадочную жидкость использовали для измерения оптической плотности при 532, 600 и 450 нм, а содержание МДА рассчитывали с использованием метод, описанный Zhang et ​​al. . [29]. Выживаемость (%) определяли, подвергая двухнедельные проростки обработке NaCl (200 мМ) с последующим расчетом процента живых растений, как описано ранее [30].

Анализ устойчивости к засухе был проведен путем расчета выживаемости и потери воды. Процент выживаемости определяли, подвергая 14-дневные растения, выращенные в почве (линии WT и сверхэкспрессии), обезвоживанию путем прекращения подачи воды в течение 20 дней, а затем повторного полива. Процент выживаемости регистрировали через 6 дней после выздоровления, и эксперимент повторяли трижды [31]. Анализ потерь воды оторванными листьями проводили, как описано ранее [32]. Вкратце, ~0,5 г розеточных листьев трехнедельных растений взвешивали (FW ₀ ) и инкубировали при 23°C.Затем образцы повторно взвешивали через 1, 2, 3, 4 и 5 часов (FW _i ), тогда как сухую массу (DW) измеряли путем сушки отделенных листьев при 80°C в течение 5 часов. Потери воды рассчитывали исходя из исходной сырой массы растений по формуле:

[(FW _i -DW)/(FW ₀ -DW)] ×100, где FW ₀ и FW _i — сырой вес для исходного и любого данного интервала соответственно, DW – сухая масса.

Для анализа устойчивости к тепловому стрессу выживаемость измеряли после воздействия на растения теплового стресса при 45°C в течение 1 часа.

Статистический анализ.

Данные физиологических и биохимических параметров между трансгенными и нетрансгенными линиями были проанализированы в трех экземплярах с помощью дисперсионного анализа (ANOVA) с использованием t-критерия Стьюдента.

Результаты

Идентификация

Неблагоприятные условия окружающей среды представляют собой серьезную угрозу глобальной продовольственной безопасности.Состояние ухудшилось при постоянном сокращении пахотных земель, ограничении водных ресурсов и тенденциях изменения климата [33]. Поэтому мы стремились использовать общедоступные данные транскриптома, т. е. SRA009031 [22], SRP035234 [24] и GSE72806 [23] растений, подвергшихся различным абиотическим стрессам, для выявления потенциальных генов стрессоустойчивости. Наш анализ этих общедоступных наборов данных транскриптома выявил в общей сложности 760 генов, которые обычно активировались в ответ на жару, засуху, соль и комбинированный стресс от жары и засухи (рис. 1A и таблица S2).Топ-10 генов, вызывающих множественный стресс, из этого списка содержали некоторые белки теплового шока наряду с другими известными генами, реагирующими на абиотический стресс (рис. 1А). Тем не менее, мы выбрали GRPL1 , т.е. AT4G18280 , в качестве кандидата, потому что он показал сильную индукцию в ответ на эти абиотические стрессы и не изучался ранее в контексте толерантности к мультиабиотическим стрессам (рис. 1А). Уровень экспрессии GRPL1 в ответ на различные абиотические стрессы показан на рис. 1В.Хотя все испытанные абиотические стрессы показали индукцию GRPL1 , индуцированный ПЭГ осмотический и солевой стресс показал сравнительно более высокие уровни мРНК GRPL1 , чем тепловой стресс (рис. 1В). В соответствии с результатами РНК-секвенирования наш анализ КПЦР показал сходную картину экспрессии для данных абиотических стрессов (рис. 1С). А именно, уровни мРНК гена GRPL1 повышались примерно в 5,8 раза при солевом стрессе, в ~6,1 раза при засушливом стрессе и в ~4,1 раза при тепловом стрессе (рис. 1C).Для дальнейшего подтверждения этой индукции GRPL1 под воздействием абиотического стресса мы создали трансгенные линии GUS, управляемые промотором GRPL1 ( pGRPL1 :: GUS ). Проростки pGRPL1 :: GUS показали слабое окрашивание GUS в контрольных условиях, что указывает на слабую промоторную активность GRPL1 (рис. 1D), однако в условиях абиотического стресса мы наблюдали сильную индукцию промоторной активности pGRPL1 , представленную сильное окрашивание GUS.В целом эти результаты показывают, что транскрипция GRPL1 сильно индуцируется при абиотических стрессах, что указывает на потенциальную роль GRPL1 в модулировании реакции растений на абиотические стрессы.

Рис. 1. Экспрессия GRPL1 индуцируется абиотическими стрессами.

(A) Гены, обычно повышающие регуляцию в ответ на множественные абиотические стрессы. Таблица, показывающая 10 наиболее активных генов среди 760 генов. (B) Экспрессия GRPL1 в условиях засухи, жары, соли и комбинированного стресса от жары и засоления, полученная из общедоступных наборов данных RNA-seq.(C) Подтверждение количественной ПЦР индукции GRPL1 при абиотических стрессах (D) pGPRL1 :: трансгенных линий GUS под контролем, засухой, жарой и солевым стрессом. Масштабная линейка = 0,1 см.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0244030.g001

Клонирование и анализ экспрессии

Чтобы подтвердить потенциальную роль GRPL1 в реакции на абиотический стресс, мы создали трансгенные растения, сверхэкспрессирующие HA-меченый GRPL1 .Во-первых, сверхэкспрессию анализировали на уровне транскриптов с помощью ОТ-ПЦР и на уровне белка с помощью белкового гель-блоттинга. Действительно, три независимые трансгенные линии 1–4 , 4–3 и 6–2 показали более высокое накопление мРНК (рис. 2А) и белка (рис. 2В). Кроме того, трансгенные растения со сверхэкспрессией GRPL1 демонстрировали лучший рост и имели значительно более высокую сырую массу по сравнению с растениями дикого типа (фиг. 2C и 2D). Эти результаты подтвердили сверхэкспрессию GPRL1 как на уровне транскрипта, так и на уровне белка.Подтвержденные линии сверхэкспрессии были протестированы в условиях засоленного, засушливого и теплового стресса, чтобы подтвердить их уровень устойчивости.

Рис. 2. Генерация линий сверхэкспрессии GRPL1 .

Подтверждение сверхэкспрессии GRPL1 с помощью RT-PCR (A) и вестерн-блоттинга (B). (C) Фенотип трансгенных линий 35S :: GRPL1-3HA . Масштабная линейка = 1 см. (D) Сравнение сырого веса линий WT и 35S :: GRPL1-3HA . Взвешивали по 10 растений каждого генотипа.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0244030.g002

Функция гиперэкспрессии

Для оценки эффекта сверхэкспрессии GRPL1 трансгенные линии тестировали в условиях воздействия соли, засухи и теплового стресса. Поскольку засоление является одним из основных абиотических стрессов, снижающих продуктивность сельскохозяйственных культур [34], мы оценили производительность линий сверхэкспрессии при солевом стрессе 100 мМ и 200 мМ.В контрольных условиях все линии показали всхожесть 96–100% (рис. 3А). Однако семена WT, выращенные на среде MS с добавлением 100 мМ и 200 мМ NaCl, показали снижение всхожести на ~ 55% и ~ 33% соответственно. Принимая во внимание, что линии со сверхэкспрессией продемонстрировали лучшую всхожесть при обеих концентрациях солевого стресса, т.е. около 75–85% семян успешно проросли при низкой (100 мМ), в то время как ~ 50–60% семян проросли при высокой концентрации (200 мМ NaCl) солевого стресса (рис. 3А).

Рис. 3. Характеристики трансгенных линий 35S :: GRPL1-3HA при солевом стрессе.

(A) Прорастание трех независимых линий со сверхэкспрессией и семян дикого типа под контролем и в условиях стресса с концентрацией соли 100 и 200 мМ. (B) Относительное удлинение корней и (C) Содержание хлорофилла линий 35S :: GRPL1-3HA в ответ на солевой стресс. (D) Более высокое накопление содержания пролина в линиях сверхэкспрессии GRPL1 при воздействии солевого стресса. (E) Количественное определение содержания MDA и (F) процент выживания WT и трансгенных растений, подвергшихся солевому стрессу.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0244030.g003

В соответствии с предыдущими отчетами [35], мы наблюдали примерно 65% относительное удлинение корня у растений дикого типа, тогда как линии со сверхэкспрессией показали значительно большее удлинение корня в условиях стресса. состоянии, т.е. до 80% относительного удлинения корня (рис. 3В). Солевой стресс вызывает выработку активных форм кислорода (АФК), которые повреждают клеточные компоненты [36], включая хлорофилл [37]. Растения дикого типа показали снижение общего содержания хлорофилла более чем на 50% при солевом стрессе (рис. 3С).Однако растения со сверхэкспрессией GRPL1 показали значительную толерантность к солевому стрессу, на что указывает сниженная деградация содержания хлорофилла (~ 30–45%), что подчеркивает потенциал устойчивости линий со сверхэкспрессией (рис. 3C). Для дальнейшего тестирования солеустойчивости растений со сверхэкспрессией GRPL1 мы провели количественную оценку содержания пролина и MDA. Пролин действует как осмолит, играет важную роль в стабилизации макромолекул и мембран в клетках за счет более высокого накопления [38].Растения дикого типа в условиях солевого стресса накапливали в ~2 раза больше пролина, тогда как линии со сверхэкспрессией демонстрировали в ~4 раза большее накопление пролина (рис. 3D), что указывает на то, что трансгенные растения более устойчивы к солевому стрессу. Однако продуктивность трансгенной линии 1–4 была несколько сопоставима с растениями дикого типа. Уровень мелондиальдегида (МДА) является индикатором клеточного повреждения, вызванного стрессовыми состояниями [39]. Хотя механизм толерантности, опосредованный GRPL1 , все еще неуловим, существует вероятность того, что избыточная экспрессия GRPL1 может быть связана с накоплением пролина и эффективным удалением АФК, о чем свидетельствует снижение количества МДА в трансгенных растениях (рис. 3D). и 3Е).Засоление представляет серьезную опасность для растений, нарушая все физиологические процессы и даже вызывая гибель растений [34]. Наши результаты показали, что сверхэкспрессия GRPL1 повышала выживаемость растений при более высокой дозе засоления (рис. 3F). Все линии сверхэкспрессии показали значительно более высокие показатели выживаемости.

Стресс, вызванный засухой, также является одной из самых серьезных угроз продуктивности пищевых продуктов. Чтобы изучить реакцию линий сверхэкспрессии на стресс от засухи, мы подвергли 14-дневные сеянцы обезвоживанию, поскольку растениям не давали воды в течение 20 дней, с последующим повторным поливом и проверкой выживаемости. В условиях дефицита воды в течение 20 дней выжило только 22–27% растений дикого типа, тогда как линии со сверхэкспрессией показали значительно более высокую выживаемость — 34–42% (рис. 4А и 4В). Кроме того, мы также обнаружили, что растения со сверхэкспрессией, как правило, сохраняют большее содержание воды по сравнению с растениями дикого типа. После трех часов обезвоживания линии со сверхэкспрессией потеряли значительно меньшее количество воды по сравнению с растениями WT, и разница между потерями воды стала более значительной с увеличением времени обезвоживания (рис. 4C).Эти результаты свидетельствуют о том, что сверхэкспрессия GRPL1 приводит к уменьшению потери воды при стрессе от засухи по сравнению с растениями дикого типа и, следовательно, демонстрирует более высокие показатели выживаемости.

Рис. 4. Сверхэкспрессия GRPL1 повышает устойчивость к засухе и жаре у трансгенных растений.

(A) Фенотип WT и трансгенных линий в ответ на обезвоживание. (B) Гистограмма, представляющая процент выживаемости линий сверхэкспрессии GRPL1 в ответ на стресс от засухи.(C) Линейный график, показывающий сравнение потери воды между WT и трансгенными линиями при воздействии обезвоживания. (D) Фенотип линий сверхэкспрессии WT и GRPL1 при тепловом стрессе. Масштабная линейка = 0,5 см. (E) Процент выживания WT и трансгенных растений при тепловом стрессе.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0244030.g004

Повторный анализ общедоступных данных транскриптома и анализ КПЦР выявили индукцию GRPL1 при тепловом стрессе (рис. 1), что побудило нас проверить эффективность эти линии сверхэкспрессии при тепловом стрессе.Интересно, что линии со сверхэкспрессией показали значительно более высокую выживаемость по сравнению с растениями дикого типа (рис. 4D и 4E), что также указывает на возможную роль GRPL1 в реакции на тепловой стресс. Однако роль GRPL1 в реакции на тепловой стресс требует дальнейшего изучения.

Толерантность растений к абиотическим стрессам часто опосредована АБК [39]. Чтобы проверить, действует ли GRPL1 по тому же пути, мы проверили экспрессию GRPL1 в наборе общедоступных данных микрочипов.Интересно, что GRPL1 показал сходные паттерны экспрессии с ABA INSENSITIVE 1 ( ABI1 ), 2 и 5 (рис. 5А), что указывает на возможность того, что GRPL1 может действовать в пути ABA. Для дальнейшего подтверждения этой гипотезы мы использовали общедоступный набор данных транскриптома (GSE75933) ABA-дефицитного ( aba2-1 ) мутанта [40]. Повторный анализ данных секвенирования РНК показал, что GRLP1 индуцируется (примерно в 2,4 раза) засушливым стрессом на фоне WT (рис. 5B), однако такая индукция стрессовой обработкой GRPL1 была нарушена у мутантов с дефицитом АБК ( аба2-1 ).Взятые вместе, эти результаты предполагают, что GRPL1 могут действовать после передачи сигналов ABA.

Рис. 5. Анализ экспрессии.

(A) Профиль генов пути ABA и GRPL1 из ряда общедоступных наборов данных микрочипов (с использованием ePLANT), PP2A использовали в качестве контроля. (B) Экспрессия GRPL1 в мутантах WT и aba2-1 под контролем и засушливым стрессом из общедоступных данных секвенирования РНК под регистрационным номером GSE75933.

https://дои.org/10.1371/journal.pone.0244030.g005

Обсуждение

Растения постоянно подвергаются широкому спектру биотических и абиотических стрессов в своей естественной среде. Обширные исследования модельных растений и сельскохозяйственных культур были направлены на понимание реакции растений на ряд биотических и абиотических стрессов, поскольку эти стрессы снижают урожайность [41]. В ответ на абиотические стрессы сотни генов растений регулируются по-разному, как показано анализом секвенирования РНК. В этом исследовании наше базовое понимание адаптации растений к абиотическим стрессам было расширено за счет анализа всего транскриптома (RNA-Seq), основанного на использовании общедоступных наборов данных транскриптома. Согласно нашему анализу выбранных наборов транскриптомных данных, в общей сложности 760 генов обычно активировались в ответ на жару, засуху, соль и комбинированный стресс от жары и засухи. Чтобы идентифицировать гены, потенциально реагирующие на множественный стресс, мы отсортировали гены на основе их значений кратности изменения. Топ-10 генов, вызывающих множественный стресс, содержали некоторые белки теплового шока наряду с другими известными генами, реагирующими на абиотический стресс. Однако мы выбрали GRPL1 , т.е. AT4G18280 , в качестве кандидата, потому что он показал сильную индукцию в ответ на эти абиотические стрессы и не изучался ранее в контексте толерантности к мультиабиотическим стрессам.Экспрессия выбранного гена, предсказанная с помощью RNA-seq, была подтверждена с помощью qRT-PCR, которая показала, что результаты обоих значительно сопоставимы друг с другом, а результаты RNA-Seq надежны и могут использоваться для дальнейшего анализа. Эти результаты согласуются с предыдущими выводами о том, что уровни мРНК богатых глицином белков ( GRPs ) зависят от различных абиотических стрессов у ряда видов растений [42].

Выбранный ген, индуцированный множественным стрессом, сверхэкспрессировался в Arabidopsis thaliana , и характер его экспрессии был подтвержден на уровне транскриптов и белков.Сверхэкспрессированные трансгенные линии Arabidopsis с функциональными признаками AT4G18280 были изучены для подтверждения их роли в различных стрессовых условиях. Достоверные различия между линиями сверхэкспрессии AT4G18280 и растениями дикого типа наблюдались при солевом, засушливом и тепловом стрессах. Для подтверждения уровня устойчивости сверхэкспрессированных трансгенных растений с геном AT4G18280 к солевому стрессу было проведено тестирование некоторых физиологических параметров.Биологическую роль трансгенных растений со сверхэкспрессией гена AT4G18280 в условиях солевого стресса подтверждали измерением сырого веса (мг/растение). Солевой стресс вызывает снижение сырого веса из-за относительного увеличения концентрации Na+ за счет ионного стресса. В нашем исследовании самая высокая сырая масса была показана всеми линиями сверхэкспрессии по сравнению с растениями дикого типа (Col-0).

Проращивание является наиболее подходящим подходом, используемым для отбора солеустойчивости растений [43].Ряд научных исследований продемонстрировал негативное влияние увеличения дозы засоления на процент всхожести растений [44,45]. В нашем исследовании линии сверхэкспрессии оценивали по скорости прорастания (%) в контроле и в стрессовых условиях. Линии со сверхэкспрессией показали значительно более высокую скорость прорастания в условиях солевого стресса, чем растения дикого типа, что позволяет предположить, что линии со сверхэкспрессией способны прорастать в условиях солевого стресса и, следовательно, устойчивы к снижению вредного воздействия на всхожесть при увеличении дозы солевого стресса.Это снижение прорастания семян WT согласуется с предыдущими сообщениями о солевом стрессе, отрицательно влияющем на скорость прорастания, скорее всего, за счет подавления биосинтеза двух фитогормонов, гибберелловой кислоты (GA) и салициловой кислоты (SA) [46,47]. Сверхэкспрессия GRPL1 увеличивает прорастание, скорее всего, за счет биосинтетической регуляции этих двух фитогормонов. Находясь в непосредственном контакте с почвой, длина корня считается одним из важнейших параметров, определяющих устойчивость растений к солевому стрессу.Хорошо известно, что солевой стресс ингибирует активность корневой меристемы, клеточный цикл и удлинение клеток корня у арабидопсиса и других видов растений [48,49], что приводит к задержке первичного роста корня [50,51]. Было продемонстрировано, что высокая доза солевого стресса может уменьшить длину корня за счет замедления поглощения воды растениями [52]. Относительная длина корней, определенная в нашем исследовании, показала, что в условиях стресса (100 мМ и 200 мМ NaCl) линии со сверхэкспрессией показали больший рост корней по сравнению с растениями дикого типа, что означает, что корни линий со сверхэкспрессией способны расти даже в условиях высокой дозу солености и, следовательно, более терпимы.В то время как аналогичная картина длины корня наблюдалась для линий сверхэкспрессии, а также для растений дикого типа в нормальных условиях роста. Засоление почвы представляет серьезную опасность для растений, нарушая все физиологические процессы и даже вызывая гибель растений [34]. Чтобы узнать, может ли сверхэкспрессия AT4G18280 спасти низкую выживаемость, были зарегистрированы выживаемость как для трансгенных линий со сверхэкспрессией, так и для растений дикого типа после воздействия солевого стресса 200 мМ NaCl. Наши результаты показали, что линии со сверхэкспрессией были способны выживать при более высокой дозе засоления по сравнению с контрольными растениями дикого типа и, следовательно, они более устойчивы к засолению.

Содержание свободного пролина может увеличиваться при воздействии на растения засухи, засоления, холода, тяжелых металлов или некоторых патогенов. Определение уровня свободного пролина является полезным методом контроля физиологического состояния и оценки стрессоустойчивости высших растений [53]. Наши результаты продемонстрировали увеличение содержания пролина во всех линиях сверхэкспрессии по сравнению с растениями дикого типа, что позволяет предположить, что они более устойчивы к солевому стрессу. На Arabidopsis thaliana было проведено большое количество научных исследований по сверхэкспрессии нативных или антонимных генов, что приводило к более высокому накоплению пролина [54].Различные растения производят более высокие уровни свободного пролина в ответ на засоление, и многие ученые указывают на потенциальную роль пролина, такую ​​как стабилизация белков, осмолит, удаление гидроксильных радикалов и регулирование цитозольного pH [55-57]. Известно, что солевой стресс вызывает перекисное окисление липидов мембран, что используется в качестве индикатора индуцированного солевым стрессом окислительного повреждения мембран [58]. Поэтому он используется в качестве важного критерия для оценки стрессоустойчивости растений в стрессовых условиях.В нашем исследовании содержание мелондиальдегида (МДА) определяли как в контроле, так и в условиях солевого стресса. В условиях солевого стресса все линии со сверхэкспрессией показали значительно более низкое содержание МДА по сравнению с растениями дикого типа. Это означает, что трансгенные растения со сверхэкспрессией гена AT4G18280 придают устойчивость к солевому стрессу, поскольку они обеспечивают лучшую защиту от окислительного повреждения. Растения, устойчивые к солевому стрессу, будут накапливать меньшее количество МДА по сравнению с восприимчивыми растениями [59].Наши результаты согласуются с предыдущими сообщениями о снижении накопления МДА у толерантных трансгенных растений в условиях солевого и осмотического стрессов [59]. Было показано, что солевой стресс повреждает содержание хлорофилла в растениях и, следовательно, снижает фотосинтез растений у разных видов растений [60,61]. В этом исследовании линии со сверхэкспрессией и контрольные растения оценивали на содержание хлорофилла (мг/г сырой массы) в контроле и в условиях солевого стресса. Линии со сверхэкспрессией поддерживают содержание хлорофилла при высокой дозе (200 мМ NaCl) солености, что означает, что они могут выдерживать воздействие соленой среды, сохраняя содержание хлорофилла, и, следовательно, более устойчивы. Длительная засуха вызывает обезвоживание и, как следствие, гибель растений. Чтобы узнать роль сверхэкспрессии AT4G18280 в условиях засушливого стресса, линии со сверхэкспрессией с геном AT4G18280 были протестированы на выживаемость. Значительно более высокая выживаемость была зарегистрирована для всех линий сверхэкспрессии по сравнению с контрольными растениями дикого типа в условиях засушливого стресса. Эти результаты показывают, что сверхэкспрессия арабидопсиса с геном AT4G18280 приводит к большей устойчивости к засухе, чем у растений дикого типа (Col-0).Кроме того, для подтверждения того, что сверхэкспрессия AT4G18280 действительно участвует в обеспечении засухоустойчивости трансгенных растений, их тестировали на потерю воды при различных интервалах обезвоживания. Наши результаты показали, что все линии сверхэкспрессии были способны поддерживать содержание воды в течение увеличивающихся часов обезвоживания. Значительно меньшая потеря воды была зарегистрирована для линий сверхэкспрессии по сравнению с контрольными растениями дикого типа; свидетельствует о том, что они более устойчивы к засушливым условиям.

Узнав о потенциальной роли сверхэкспрессированных трансгенных растений арабидопсиса с геном AT4G18280 в солевом и засушливом стрессе, они также были оценены, чтобы подтвердить его роль в тепловом стрессе. Так как тепловой стресс губителен для растений, вызывая ряд изменений в метаболизме растений и даже вызывая их гибель. Для этого регистрировали выживаемость линий сверхэкспрессии и растений дикого типа после воздействия теплового стресса при 45°С в течение 1 часа. Выживаемость, зарегистрированная для всех линий сверхэкспрессии, была значительно выше, чем у растений дикого типа, что означает, что они способны выдерживать тепловой стресс и, следовательно, более устойчивы.

Экспрессия GRPL1 была проверена в наборе общедоступных данных микрочипов, и, что интересно, GRPL1 показал сходный характер экспрессии с ABA INSENSITIVE 1 ( ABI1 ), 2 и 5, 5,. возможность того, что GRPL1 может действовать на путь АБК. Эта гипотеза была дополнительно подтверждена анализом общедоступного набора данных транскриптома (GSE75933) ABA-дефицитного ( aba2-1 ) мутанта [40]. GRPL1 сильно индуцировался при стрессе засухи на фоне WT, однако такая индукция обработки стрессом GRPL1 была нарушена у мутантов с дефицитом АБК ( aba2-1 ). Ген ABA2 представляет собой алкогольдегидрогеназу, и мутация в этом гене приводит к блокированию ксантоксина до альдегида АБК, что является ключевым этапом биосинтеза АБК, что приводит к снижению продукции АБК. АБК положительно регулирует индукцию генов, вызывающих засуху. Сигнальный механизм хорошо известен [62].Вкратце, ABA ингибирует PP2C-зависимую негативную регуляцию протеинкиназы SnRK2 [63], в результате чего SnRK2 может фосфорилировать нижележащие факторы транскрипции-мишени (например, ABF), которые, в свою очередь, индуцируют гены-мишени. Тот факт, что мутант с дефицитом АБК не способен индуцировать экспрессию GRPL1 в ответ на засуху, предполагает, что АБК необходима для индукции GRPL1 и что она действует после АБК. Вместе взятые; эти результаты предполагают, что GRPL1 может действовать ниже по течению от передачи сигналов ABA, однако для подтверждения этой гипотезы необходимы дальнейшие эксперименты.

Выводы

В заключение, используя ряд общедоступных наборов транскриптомных данных и трансгенных подходов, мы идентифицировали и охарактеризовали ранее неизвестный GRPL1 как ген, реагирующий на абиотический стресс. Конститутивная экспрессия GRPL1 в арабидопсисе повышала устойчивость растений к солевым, засушливым и тепловым стрессам. Дальнейшее понимание функции GRPL1 может помочь в разработке стратегий селекции на устойчивость к абиотическому стрессу и может внести вклад в глобальную продовольственную безопасность.

Благодарности

Авторы выражают благодарность каждому сотруднику биохимического и аналитического отдела за участие в экспериментах, анализе данных и подготовке рукописи.

Каталожные номера

1. 1. Де Леонардис А.М., Мароне Д., Маццукотелли Э., Неффар Ф., Рицца Ф., Ди Фонзо Н. и др. Гены твердой пшеницы, активированные на ранних фазах холодового стресса, модулируются засухой в зависимости от развития и генотипа. Растениевод.2007; 172: 1005–1016. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2007.02.002.
2. 2. Zhu Jian-Kang, 2016. Сигнализация абиотического стресса и реакция растений. Ячейка 167, 313–324. https://doi.org/10.1016/j.physbeh.2017.03.040 pmid:27716505
3. 3. Лобелл Д.Б., Шленкер В.С., Коста-Робертс Дж. Климатические тенденции и мировое растениеводство с 1980 года. Sci.2011; 333: 616–620. пмид:21551030
4. 4. Федоров Н.В., Баттисти Д.С., Бичи Р.Н., Купер П.Дж.М., Фишхофф Д.A., Hodges C.N., et al, 2010. Радикальное переосмысление сельского хозяйства в XXI веке. Наука (80-х гг.). 327, 833–834. https://doi.org/10.1126/science.1186834 pmid:20150494
5. 5. Хираяма Т., Шинозаки К. Восприятие и передача сигналов абсцизовой кислоты: ключи к функции универсального растительного гормона ABA. Тенденции Растениевод. 2007 г.; 12:343 – 351. pmid:17629540
6. 6. Такеда С., Мацуока М. Генетические подходы к улучшению сельскохозяйственных культур: реакция на изменения окружающей среды и населения.Нац. Преподобный Генетика. 2008 г.; 9: 444–457. пмид:18475268
7. 7. Ньютон А.С., Джонсон С.Н., Грегори П.Дж. Последствия изменения климата для болезней, урожайности и продовольственной безопасности. Эвфитика. 2011 г.; 179: 3–18.
8. 8. Махаджан С., Тутея Н. Холод, засоление и засуха: обзор. Арх БиохимБиофиз. 2005 г.; 444: 139–58. пмид:16309626
9. 9. Целлер Г., Хенц С.Р., Видмер С.К. Стресс-индуцированные изменения в транскриптоме Arabidopsis thaliana , проанализированные с использованием массивов мозаики всего генома.Растение. Дж. 2009; 58: 1068–1082. пмид:1
04
10. 10. Yu S, Zhang F, Yu Y, Zhang D, Zhao X. Профилирование транскриптома дегидратационного стресса у пекинской капусты (Brassica rapa L. ssp. pekinensis) путем секвенирования меток. Завод Мол. биол. 2012 г.; 30: 17–28.
11. 11. Ван ХС, Лю Ю, Цзя ЮЙ, Гу ХИ, Ма ХИ. Транскрипционные ответы на стресс засухи в корнях и листьях проростков нута. Мол. биол. Респ.2012; 39: 8147–8158. пмид:22562393
12. 12. Шен И, Чжан И, Чен Дж, Линь Х, Чжао М.Анализ профиля экспрессии генома выявил важные транскрипты в корнях кукурузы, реагирующие на воздействие тяжелого металла Pb. Физиол. Растение. 2013; 147: 270–282. пмид:22747913
13. 13. Nachappa P, Levy J, Tamborindeguy C. Анализ транскриптома Bactericeracockerelli взрослых в ответ на инфекцию CandidatusLiberibactersolanacearum. Мол. Жене. Геномика. 2012 г.; 287: 803–817. пмид:22945464
14. 14. Zhou Y, Gao F, Liu R, Feng J, Li H. Секвенирование de novo и анализ корневого транскриптома с использованием пиросеквенирования 454 для обнаружения предполагаемых генов, связанных с засухоустойчивостью у Ammopiptanthusmongolicus . БМС.Геномика. 2012 г.; 13: 266. pmid:22721448
15. 15. Fan XD, Wang JQ, Yang N, Dong YY, Liu L. Профилирование экспрессии генов в листьях и корнях сои в условиях солевого, соле-щелочного стресса и засухи с помощью высокопроизводительного секвенирования Illumina. Ген. 2012 г.; 512: 392–402. пмид:23063936
16. 16. Пак Х.Дж., Ким В.Ю., Юн Д.Дж., 2016. Новое понимание сигналов солевого стресса у растений. Мол. Камеры 39, 447–459. https://doi.org/10.14348/molcells.2016.0083 pmid:27239814
17. 17.Цинь Ф., Шинозаки К., Ямагути-Шинозаки К., 2011. Достижения и проблемы в понимании реакции растений на абиотический стресс и толерантности. Физиология клеток растений. 52, 1569–1582. https://doi.org/10.1093/pcp/pcr106 pmid:21828105
18. 18. Kim Joo Yeol, Kim WY, Kwak KJ, Oh SH, Han YS, Kang H., 2010. Богатые глицином РНК-связывающие белки функционально консервативны у арабидопсиса thaliana и oryza sativa во время процесса адаптации к холоду. Дж. Эксп. Бот. 61, 2317–2325. https://дои.org/10.1093/jxb/erq058 pmid:20231330
19. 19. Сачетто-Мартинс Г., Франко Л.О., Де Оливейра Д.Е., 2000. Растительные белки, богатые глицином: семейство или просто белки с общим мотивом? Биохим. Биофиз. Acta — генная структура. Экспл. 1492, 1–14. https://doi.org/10.1016/S0167-4781(00)00064-6 pmid:10858526
20. 20. Ян Д.Х., Квак К.Дж., Ким М.К., Парк С.Дж., Ян К.Ю., Кан Х., 2014. Экспрессия богатого глицином РНК-связывающего белка арабидопсиса AtGRP2 или AtGRP7 повышает урожайность зерна риса (Oryza sativa) в условиях засухи.Растениевод. 214, 106–112. пмид:24268168
21. 21. Адамс Э., Диас С., Мацуи М., Шин Р. 2014. Сверхэкспрессия нового компонента индуцирует HAK5 и усиливает рост арабидопсиса. Издательская корпорация Hindawi ISRN Botany.https://doi.org/10.1155/2014/4

    .

22. 22. Филичкин С.А., Генри Д., Скотт А.Г., Ронгкун С., Дуглас В.Б., Сэмюэл Э.Ф. и соавт. Альтернативный сплайсинг в Arabidopsis thaliana . Геном Res. 2010 г.; 20: 45–58. пмид:19858364
23. 23.Судзуки Н., Бассил Э., Гамильтон Дж.С., Инупакутика М.А., Зандалинас С.И., Трипати Д. и соавт. АБК необходима для адаптации растений к солевому и тепловому стрессу. ПЛОС Один. 2016; 11: 0147625. pmid:26824246
24. 24. Дин Ф., Цуй П., Ван З., Чжан С., Али С., Сюн Л. Полногеномный анализ альтернативного сплайсинга пре-мРНК в условиях солевого стресса в Arabidopsis.BMC Genomics. 2014; 15: 431. pmid:24897929
25. 25. Трапнелл С., Робертс А., Гофф Л., Пертеа Г., Ким Д., Келли Д.Р. и др.Дифференциальный анализ экспрессии генов и транскриптов в экспериментах по секвенированию РНК с помощью TopHat и Cufflinks. Нат Проток. 2012 г.; 7: 562–78. пмид:22383036
26. 26. Li X. Гистоокрашивание паттерна тканевой экспрессии GUS-активности, управляемой промотором, у арабидопсиса. БИО-ПРОТОКОЛ 1. 2011. https://doi.org/10.21769/bioprotoc.93.
27. 27. Арнон Д.И. Ферменты меди в изолированных хлоропластах. Полифенолоксидаза в Beta vulgaris . Завод Физиол. 1949 год; 24: 1–15. пмид:16654194
28. 28.Бейтс Л.С., Уолдрен Р.П., Тир И.Д. Быстрое определение свободного пролина для исследований водного стресса. Растительная почва. 1973 год; 39, 205.
29. 29. Zhang S, Gan Y, Xu B. Применение грибков trichodermalongibrachiatum t6, стимулирующих рост растений, повышает устойчивость пшеницы к солевому стрессу за счет улучшения системы антиоксидантной защиты и экспрессии генов. Front. Растениевод. 2016; 7: 1405.
30. 30. Чжао В.Т., Фэн С.Дж., Ли Х., Фауст Ф., Кляйне Т., Ли Л.Н. и др., 2017.Феррохелатаза 1, индуцированная солевым стрессом, улучшает устойчивость к солевому стрессу, ограничивая накопление натрия у Arabidopsis thaliana. науч. Отчет 7, 1–16. https://doi.org/10.1038/s41598-017-13593-9 pmid:28127051
31. 31. Ziyuan L, Chunfei W, Jianjun Y, Xian L, Liangjun L, Libao C, et al. Молекулярное клонирование и функциональный анализ индуцированных солью лотоса NnDREB2C , NnPIP1 — 2 и NnPIP2 — 1 в Arabidopsis thaliana . Mol Biol Rep. 2020; 47: 497–506. https://doi.org/10.1007/s11033-019-05156-0 pmid:31654214
32. 32. Niu CF, Wei W, Zhou QY и др. Гены пшеницы WRKY TaWRKY2 и TaWRKY19 регулируют устойчивость к абиотическому стрессу у трансгенных растений арабидопсиса. завод, клеточная среда. 2012 г.; 35: 1156–1170. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2012.02480.x pmid:22220579
33. 33. Лобелл Д.Б., Шленкер В.С., Коста-Робертс Дж. Климатические тенденции и мировое растениеводство с 1980 года. Sci.2011; 333: 616–620.пмид:21551030
34. 34. Маннс Р., Тестер М. Механизмы солеустойчивости. Анну. Преподобный завод биол. 2008 г.; 59: 651–81. пмид:18444910
35. 35. Нойман ПМ. Роль адаптации клеточной стенки в устойчивости растений к водному дефициту (обзор и интерпретация). Растениеводство. 1995 год; 35: 1258–1266.
36. 36. Van Breusegem F., Dat J.F., 2006. Активные формы кислорода при гибели клеток растений. Завод Физиол. https://doi. org/10.1104/pp.106.078295 pmid:16760492
37. 37.Смирнов Н. Функция и метаболизм аскорбиновой кислоты в растениях. Аня. Бот. 1996: 78: 661–669.
38. 38. Ван В., Винокур Б., Альтман А. Реакция растений на засуху, засоление и экстремальные температуры: к генной инженерии для устойчивости к стрессу. Планта. 2003 г.; 218: 1–14. пмид:14513379
39. 39. Шарма П., Джа А.Б., Дубей Р.С., Пессаракли М., Афсар Т., Разак С. и др. Активные формы кислорода, окислительное повреждение и механизм антиоксидантной защиты растений в стрессовых условиях [Документ WWW].Дополнение БМК. Альтерн. Мед. 2016; https://doi.org/10.1186/s12906-016-1240-8.
40. 40. Шинде С., Вилламор Дж. Г., Лин В., Шарма С., Верслюс П.Е. Координация пролина с синтезом жирных кислот и окислительно-восстановительным метаболизмом хлоропластов и митохондрий. Завод Физиол. 2016; 172: 1074–1088. https://doi.org/10.1104/pp.16.01097 pmid:27512016
41. 41. Хираяма Т., Шинозаки К. Исследование реакции растений на абиотический стресс в постгеномную эпоху: прошлое, настоящее и будущее. Плант Дж.2010 г.; 61: 1041–52. пмид:20409277
42. 42. Чолпинска М., Рурек М. Растительные белки, богатые глицином, в ответ на стресс: новая, все еще перспективная история. Фронт. Растениевод. 2018. 9. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00302 pmid:29568308
43. 43. Хуан Дж., Редманн Р.Э. Солеустойчивость видов Hordeum и Brassica в период прорастания и раннего роста проростков. Может. Дж. Плант. науч. 1995 год; 75: 815–819.
44. 44. Гульзар С, Хан М.А., Унгар И.А. Влияние солености и температуры на прорастание Urochondrasetulosa (Trin.) К. Э. Хаббард. Семенная наука. Технол. 2001 г.; 29: 21–29.
45. 45. Жаннетт С., Крейг Р., Линч Дж.П. Солеустойчивость видов Phaseolus в период прорастания и раннего роста проростков. Растениеводство. 2002 г.; 42: 1584–1594.
46. 46. Ким С.Г., Пак К.М. Опосредованная гибберелловой кислотой передача сигналов соли при прорастании семян. Сигнал завода. Поведение 2008 г.; 3: 877–879. https://doi.org/10.4161/psb.3.10.6247 pmid:19704528
47. 47. Ли С., Ким С.Г., Пак С.М. Салициловая кислота способствует прорастанию семян в условиях высокой засоленности путем модуляции антиоксидантной активности арабидопсиса.Новый Фитол. 2010 г.; 188: 626–637. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2010.03378.x pmid:20663063
48. 48. Бурссенс С., Химанен К., Ван Де Котт Б., Бекман Т., Ван Монтегю М., Инзе Д. и др. Экспрессия генов, регулирующих клеточный цикл, и морфологические изменения в ответ на солевой стресс у Arabidopsis thaliana. Планта. 2000;211:632–640. пмид:11089675
49. 49. Чжу Дж.К. Сигнализация абиотического стресса и реакция растений. Клетка. 2016; 167: 313–324. https://doi.org/10.1016/ж.физбех.2017.03.040 пмид:27716505
50. 50. Бустос Д., Ласкано Р., Вилласусо А.Л., Мачадо Э., Сенн М.Е., Кордоба А. и др. Уменьшение удлинения кончиков корней кукурузы под действием соли и осмотического стресса не коррелирует с апопластными уровнями O2•- [Документ WWW]. Аня. Бот. 2008 г.; https://doi.org/10.1093/aob/mcn141.
51. 51. Цзян К., Мо-Ланге Дж., Хеннет Л., Фельдман Л.Дж. Солевой стресс влияет на окислительно-восстановительный статус меристем корней арабидопсиса. Фронт. Растениевод. 2016;7:81. https://дои.org/10.3389/fpls.2016.00081 pmid:26
    3
52. 52. Вернер Дж. Э., Финкельштейн Р. Р. Мутанты арабидопсиса со сниженной реакцией на NaCl и осмотический стресс. Физиол. Растение. 1995 год; 93: 659–666.
53. 53. Ábraham E, Hourton-Cabassa C, Erdei L, Szabados L. Методы определения пролина в растениях. В: Сункар Р., редактор. Стрессоустойчивость растений. Методы молекулярной биологии (методы и протоколы), Humana Press; 2010. https://doi.org/10.1007/978-1-60761-702-0_20.
54. 54.Лю В., Тай Х., Ли С., Гао В., Чжао М., Се С. и др. bHLh222 важен для устойчивости к засухе и осмотическому стрессу у Arabidopsis и для подавления катаболизма АБК. Новый Фитол. 2014; 201: 1192–1204. пмид:24261563
55. 55. Коджа Х., Бор М., Оздемир Ф., Тюркан И. Влияние солевого стресса на перекисное окисление липидов, антиоксидантные ферменты и содержание пролина в сортах кунжута. Окружающая среда. Эксп. Бот. 2007 г.; 60: 344–351.
56. 56. Хазман М., Хаус Б., Эйхе Э., Ник П., Риманн М.Повышенная толерантность к солевому стрессу у мутантов алленоксидциклазы риса с дефицитом OPDA связана с повышенной активностью по удалению АФК. Дж. Эксп. Бот. 2015 г.; 66: 3339–3352. пмид: 25873666
57. 57. Дар М.И., Найку М.И., Рехман Ф., Наушин Ф., Хан Ф.А. «Накопление пролина в растениях: роль в стрессоустойчивости и развитии растений». Ин Икбал Н., Назар Р., Хан Н.А., редакторы. Осмолиты и адаптация растений к изменяющейся окружающей среде: новые OmicsTechnologies, Springer, Нью-Дели. 2016; стр.155–166.
58. 58. Эрнандес Х.А., Альманса М.С. Краткосрочные эффекты солевого стресса на антиоксидантные системы и водные отношения листьев гороха. Физиол. Растение. 2002 г.; 115: 251–257. пмид:12060243
59. 59. Ullah A, Sun H, Hakim, Yang X, Zhang X. Новый ген хлопка WRKY, подобный GhWRKY6, улучшает солеустойчивость за счет активации сигнального пути ABA и удаления активных форм кислорода. Физиол. Растение. 2018; 162: 439–454. https://doi.org/10.1111/ppl.12651 pmid:2

    59

60. 60.Таффуо В.Д., Вамба О.Ф., Юмби Э., Ноно Г.В., Акоа А. Рост, урожайность, водный статус и реакция распределения ионов трех местных сортов арахиса бамбара (vigna subterranea (L.) verdc.), выращиваемых в засоленных условиях. Междунар. Дж. Бот. 2010 г.; 6: 53–58. https://doi.org/10.3923/ijb.2010.53.58.
61. 61. Туран М.А., Туркмен Н., Табан Н. Влияние NaCl на устойчивость устьиц и концентрацию пролина, хлорофилла, Na, Cl и K в растениях чечевицы. Дж. Агрон. 2007 г.; 6: 378–381. https://дои.org/10.3923/ja.2007.378.381.
62. 62. Вишвакарма К., Упадхьяй Н., Кумар Н., Ядав Г., Сингх Дж., Мишра Р.К. и др. (2017)Передача сигналов абсцизовой кислоты и устойчивость к абиотическому стрессу у растений: обзор текущих знаний и будущих перспектив. Фронт. Растениевод. 8: 161. pmid:28265276
63. 63. Умэдзава Т., Накашима К., Миякава Т., Куромори Т., Танокура М., Шинозаки К. и др. Молекулярная основа основной регуляторной сети в реакциях на абсцизовую кислоту: восприятие, передача сигналов и транспорт.Физиология клеток растений. 2010 г.; 51:1821–39. пмид: 20980270

Устойчивость к наводнениям и засухе у риса: противоположности, но могут сосуществовать — Бин Рахман — 2016 — Продовольственная и энергетическая безопасность

Введение

Наводнение и засуха являются двумя наиболее распространенными климатическими бедствиями, которые препятствуют росту и развитию всех сельскохозяйственных культур, вызывая значительное снижение урожайности во всем мире. Эти два абиотических стресса могут полностью уничтожить растениеводство в экстремальных условиях, и, следовательно, оба стресса считаются ключевыми детерминантами глобальной продовольственной безопасности. Кроме того, прогнозируется, что изменение климата также подорвет глобальную продовольственную безопасность (IPCC, 2014), поскольку изменение климата приведет к усилению частоты и серьезности засух и наводнений во всем мире. Например, всего 2 года назад в Калифорнии произошла самая сильная засуха в истории наблюдений, а в недавнем отчете прогнозируется, что в ближайшем будущем в Калифорнии могут произойти более сильные и частые засухи и наводнения (Yoon et al. 2015).

Еще одной растущей глобальной проблемой является нехватка пресной воды для сельского хозяйства.На сельское хозяйство приходится большая часть забора пресной воды. В некоторых засушливых районах этот показатель даже превышает 90%, тогда как в глобальном масштабе этот показатель составляет 70% (WWDR, ​​2014). Растущий спрос на продовольствие для все еще растущего населения может привести к острой нехватке пресной воды для сельского хозяйства. Рис обычно выращивают в районах с жарким и влажным климатом. Однако также прогнозируется, что к 2025 году 15–20 миллионов гектаров орошаемого риса могут столкнуться с нехваткой воды в той или иной степени (Bouman et al. 2007). Таким образом, девиз « больше урожая на каплю » стал тенденцией развития водосберегающих технологий либо с помощью агротехнических приемов, либо программ развития сортов практически для всех культур (Marris 2008).

Poaceae — единственное семейство покрытосеменных, имеющее наиболее важные источники продовольственных культур, таких как рис, кукуруза, пшеница, сорго, овес, рожь, просо и т. д. На все эти культуры приходится наибольшее потребление калорий людьми и животными на всем земном шаре. (Патерсон и др., 2005 г.). Среди них половина населения мира потребляет рис, при этом в некоторых развивающихся странах на рис приходится более 75% потребности в калориях (Maclean et al. 2002). Более того, рис является одной из уникальных культур, генотипы которой устойчивы как к внезапным, так и к продолжительным паводкам. В последнее десятилетие были выявлены молекулярные механизмы быстрой (Xu et al. 2006) и продолжительной (Hattori et al. 2009) адаптации риса к наводнениям с успешным выпуском сортов, устойчивых к внезапным наводнениям, фермерам в нескольких странах Азии (Ismail и др., 2013 г.). К сожалению, несмотря на обширные усилия, предпринятые в последние десятилетия, разработка и выпуск засухоустойчивых сортов в значительной степени недостаточны, хотя сообщалось, что большое количество генов обеспечивает устойчивость к засухе у риса (Todaka et al. 2015).Более того, недавний технологический прогресс, то есть секвенирование тысяч образцов риса и т. д., позволил получить гигаданные (Александров и др., 2014), но прорыв в исследованиях засухоустойчивости еще впереди.

В ходе адаптации некоторые экотипы могут эффективно воспринимать определенный стресс и активировать последующие адаптивные механизмы, таким образом, становясь в определенной степени толерантными, что известно как стрессоустойчивые генотипы/образцы. Генетические ресурсы являются исходным материалом для любой программы улучшения сельскохозяйственных культур (McCouch 2013), где успех программы улучшения во многом зависит от выявления истинных генотипов стрессоустойчивости (Ismail et al.2012) и стратегии добычи генов. Поэтому был проведен скрининг сотен тысяч генотипов риса из генбанка на различные типы биотических (Джексон, 1995) и абиотических стрессов (Ангаджи и др., 2010; Платтен и др., 2013; Торрес и др., 2013).

Засуха и наводнение считаются противоположными абиотическими стрессами в зависимости от состояния воды, ее недостатка или избытка. Поэтому обычно засуху и наводнение изучают, анализируют и даже рассматривают по отдельности. Однако мы обнаружили, что появляется все больше свидетельств того, что эти два явно противоположных стресса могут регулироваться некоторыми общими сигнальными путями.Поэтому в этом обзоре мы анализируем засухоустойчивость и устойчивость к наводнениям под разными углами. Поскольку молекулярные механизмы различных типов устойчивости к наводнениям уже известны, в то время как результаты скрининга крупномасштабной полевой засухи (Торрес и др. , 2013 г.) и устойчивости к анаэробным прорастаниям (Ангаджи и др., 2010 г.) доступны, мы сначала исследуем распределение и популяционный тип засухоустойчивых и паводкоустойчивых образцов риса. Затем мы рассматриваем недавние разработки в отношении устойчивости к наводнениям и засухе и связанных с ними игроков и синтезируем гипотезу о том, что молекулярные механизмы как устойчивости к засухе, так и устойчивости к наводнениям могут регулироваться взаимодействующими путями и сосуществовать в aus субпопуляциях риса.Наконец, мы описываем возможные способы разработки ключевых регуляторов засухоустойчивости и создания засухоустойчивого риса.

Распространение устойчивых к наводнениям и засухе генотипов

Устойчивость к анаэробным прорастаниям

Затопление может произойти на любой стадии роста и развития риса. Разрушительное действие паводка проявляется в первую очередь на стадии прорастания семян и укоренения всходов. За исключением риса, ни одна из основных сельскохозяйственных культур не является устойчивой к наводнениям во время прорастания семян и укоренения всходов (Ismail et al.2012). Рис может эффективно прорастать даже в анаэробных условиях, но толерантность ограничивается только развитием колеоптилей. Ни побег, ни корень не развиваются в анаэробных условиях и, следовательно, полностью не дают проростка (Исмаил и др., 2012).

Ранее в различных исследованиях были проверены сотни зародышевых плазм на устойчивость к АГ (анаэробное прорастание) (Ямаути и др., 1993; Линг и др., 2004). Однако эти попытки в значительной степени потерпели неудачу, главным образом из-за отсутствия истинно стрессоустойчивых генотипов (Ismail et al.2012). Затем ученые из IRRI (Международного научно-исследовательского института риса) провели скрининг более 8000 генотипов на устойчивость к АГ и выявили лишь несколько сортов с выживаемостью более 70 % (Ангаджи и др., 2010). После повторных экспериментов количество толерантных генотипов было ограничено всего 6. В него входят Khaiyan и Kalonchi (Бангладеш), Nanhi (Индия), Khao Hlan On (Мьянма), Ma-Zhan Red (Китай) и Cody (США) (Angaji). и др., 2010). Коди был улучшенным сортом, выведенным в Миссури в 1944 году в результате скрещивания Леди Райт и Колузы.Colusa был выпущен в Луизиане в 1917 г. путем селекции китайского сорта, завезенного из Италии в 1909 г. (Johnston 1958). Colusa относится к умеренному типу japonica , что подтверждается SNP и анализом структуры популяции (Kim and Tai 2013). Происхождение Леди Райт неизвестно, но, возможно, она имеет сходство с умеренным japonica , демонстрируя сходство с Smooth No. 3, голым образцом также неизвестного происхождения (Kim and Tai 2013). Поскольку Коди является улучшенным сортом, разработанным в процессе селекции, где источник толерантности к АГ неясен, поэтому мы сосредоточимся на распространении остальных 5 генотипов.Интересно, что из этих пяти четыре толерантных генотипа происходят из трех соседних стран (Индия, Бангладеш и Мьянма), где Бангладеш граничит только с Индией и Мьянмой. Более того, эти страны также имеют общую культуру и тысячелетнюю историю выращивания риса.

Допуск на внезапное наводнение

На стадии всходов внезапные проливные дожди могут привести к внезапным наводнениям в богарных низинных рисовых экосистемах. Около 20 миллионов гектаров рисоводческих площадей, в основном в Бангладеш и Индии, находятся под угрозой затопления (Ismail et al.2012). Большинство сортов риса очень чувствительны к затоплению и поэтому погибают в течение недели после полного затопления. FR13A, сорт aus , был выведен путем чистолинейной селекции устойчивой к внезапным наводнениям местной расы Dhalputtia (HilleRisLambers and Vergara 1982), которая может выживать более 2 недель при полном погружении в воду (Xu et al. 2006). Исследования QTL показали, что признак толерантности к погружению расположен на хромосоме 9, где один QTL объясняет почти 70% фенотипической изменчивости.Дальнейшее точное картирование и последующее позиционное клонирование идентифицировали локус SUB1, имеющий три транскрипционных фактора, подобных ответу на этилен. Комплементация SUB1A в непереносимом рисе japonica подтвердила участие SUB1A в толерантности к погружению (Xu et al. 2006).

Наличие аллеля SUB1A как у местных сортов/традиционных сортов, так и у дикого риса (как у Oryza nivara , так и у O. rufipogon) изучалось в различных исследованиях (Fukao et al.2009 г.; Ли и соавт. 2011 г.; Нирула и соавт. 2012 г.; Ифтехаруддаула и соавт. 2015). Интересно, что совместное присутствие дикого риса и риса SUB1A ограничивается Бангладеш, Индией и Непалом (Pucciariello and Perata 2013). Недавнее исследование с использованием 300 образцов зародышевой плазмы Бангладеш выявило восемь образцов с выживаемостью от 71,2% до 95,4% после 16 дневного полного погружения (Ифтехаруддаула и др., 2015). Интересно, что пять образцов из Бангладеш (DG1-349, Kalojoma, DSL-78-8, Damsi и Putidepa) продемонстрировали более высокую толерантность к погружению (выживаемость 83–95%), даже лучше, чем FR13A, хотя они не обладают тем же аллелем устойчивости, что и FR13A (Iftekharuddaula). и другие.2015). Помимо этих областей, местные сорта, имеющие аллель SUB1A, также были зарегистрированы в Шри-Ланке, Таиланде и Вьетнаме. Итак, Pucciariello и Perata (2013) выдвинули гипотезу, что SUB1A-1 мог быть интрогрессирован в одомашненный рис из дикого риса, где интрогрессия, вероятно, произошла в бассейне Ганга, и последующее распространение SUB1A-1 в другие части Южной Азии из-за миграции человека.

Устойчивость к длительному затоплению

Рис — уникальная культура, имеющая экотипы, хорошо приспособленные к длительному (1–5 месяцев) глубоководному (1–5 метров) паводку; поэтому их называют глубоководным рисом (Cattleing 1992).Глубоководный рис приспосабливается к паводку, используя совершенно противоположную стратегию риса SUB1A. После подъема паводковых вод у глубоководного риса постоянно удлиняются междоузлия и листовые влагалища, так как его верхние листья всегда остаются над водой (Cattling 1992). Молекулярные механизмы длительной устойчивости к наводнениям были выявлены в бангладешском глубоководном рисе Говаи 38-9 (Хаттори и др. , 2009). Исследования QTL и последующее точное картирование и комплементация непереносимых генотипов выявили участие генов SNORKEL в глубоководной адаптации.SNORKEL (SK1 и SK2) позволяет рису адаптироваться к глубоководным условиям за счет повышения реакции на глобальный абордаж (Хаттори и др., 2009).

Три вида дикого риса были исследованы на наличие SNORKEL. И O. rufipogon , и O. nivara обладают SK1 и SK2. Однако SK2 O. nivara усечен. Амазонский дикий рис, O. glumaepatula , также обладает SK2 и SK2-подобным геном, но не имеет SK1 (Hattori et al. 2009). Несколько глубоководных сортов риса были исследованы на наличие генов SNORKEL, и, что интересно, все они обладают как SK1, так и SK2 (Hattori et al.2009). Однако, кроме глубоководного риса, нет сообщений о наличии генов SNORKEL в других экотипах или подвидах. Таким образом, в эталонном геноме риса Nipponbare полностью отсутствует такой ген или аллель.

Распространение глубоководного выращивания риса в основном ограничивается впадиной или речным бассейном Ганга-Брахмапутры в Бангладеш (11,42%), Индии (3,2%) и Непала (7,9%), Иравади в Мьянме (5,75), Меконга во Вьетнаме. (2,77%), Камбоджа (8,0%) и Чао Прайя в Таиланде (3,77%).54) (Кэттлинг, 1992; Хьюк и Хьюк, 1997). В скобках выше показан процент площади глубоководного выращивания риса по странам. Некоторое количество глубоководного риса также выращивается в верхнем и среднем бассейнах реки Нигер в Западной Африке, но это составляет лишь 5% от общей площади выращивания глубоководного риса (Cattleng, 1992). Однако африканский глубоководный рис — это не O. sativa , а другой вид, O. glaberrima . Большинство районов глубоководного выращивания риса в Бангладеш и индийских штатах примыкают к Бангладеш (Западная Бенгалия, Ассам, Бихар, Орисса, Уттар-Прадеш).Бангладеш богат разнообразием глубоководного риса. В Бангладеш выращивают три основных типа глубоководного риса: типичный глубоководный рис, бхадоя/ашина и райада (Бин Рахман и Чжан, 2013 г.). Среди них райада является наиболее примитивным с годовым жизненным циклом и все еще имеет некоторые черты дикого риса (Бин Рахман и Чжан, 2013).

Засухоустойчивость

Засуха считается одним из самых сложных стрессов, которые трудно преодолеть (Reyes 2009). По оценкам, около 23 миллионов гектаров богарных рисоводческих площадей в Южной и Юго-Восточной Азии подвержены засухе (Pandey et al. 2007), что приводит к снижению урожайности на 17–40% в сильные засушливые годы. Были предприняты многочисленные попытки вывести засухоустойчивый рис, но они не увенчались успехом. Более ранние молекулярно-генетические анализы идентифицировали многочисленные QTL (локусы количественных признаков) вторичных признаков, таких как архитектура корня, водный статус листа, водный потенциал метелки, осмотическая адаптация и относительное содержание воды и т. д., но не удалось идентифицировать какие-либо основные гены, регулирующие эти признаки; в основном из-за низкого разрешения картирования и слабого фенотипического эффекта. Однако огромное количество генов по-разному экспрессируется после засушливого стресса у риса, то есть более 5000 генов активируются, а 6000 подавляются (Maruyama et al. 2014).

Основным ограничением селекции в условиях засушливого стресса является отсутствие подходящих методов скрининга, а также специфический характер окружающей среды. Более ранние исследования пытались связать вторичные признаки с засухоустойчивостью.Однако недавняя и наиболее эффективная стратегия отбора, например, прямой отбор по урожайности в условиях засухи и при хорошем поливе, все чаще используется для определения засухоустойчивости риса (Кумар и др., 2008 г.; Венупрасад и др., 2008 г.; Торрес и др.). . 2013). Недавно ученые из IRRI проверили около 1000 образцов из Генбанка из 47 стран на предмет урожайности в условиях засухи и обильного полива в 2004–2009 гг. Среди 988 образцов 65 образцов (происходивших из 13 разных стран) были признаны засухоустойчивыми образцами на основании самой высокой урожайности зерна в любой сельскохозяйственный сезон (Torres et al.2013). Интересно, что распределение этих устойчивых образцов (страна происхождения) ясно показывает, что большинство засухоустойчивых образцов (48 образцов, т. е. 73% от общего числа устойчивых образцов) происходят из Бангладеш и прилегающей к нему Индии (особенно восточной Индии). Остальные 17 толерантных образцов были получены из 11 разных стран, таких как Шри-Ланка (4), Филиппины (3), Вьетнам (2), Афганистан (1), Китай (1), Либерия (1), Малайзия (1), Непал ( 1), Пакистан (1), Таиланд (1) и США (1). Интересно, что около 20% бангладешских образцов устойчивы к засухе, тогда как в случае индийских образцов этот показатель составляет всего 12% (Torres et al. 2013). Примечательно, что все рекомендуемые сорта, полученные в результате селекции в условиях стресса от засухи, а именно Kataktara Da2, Dular, Shada Shaita и DA 28 (Torres et al. 2013), все еще выращиваются в Бангладеш в 91 325 или 91 326 вегетационных периодах на значительных площадях ( Хоссейн и др., 2013).

Тип популяции устойчивых к засухе и наводнениям образцов

Рис классифицируется как indica и japonica типов/подвидов на основе морфологических признаков уже давно (Kato et al.1928), но популяционные исследования с использованием молекулярных маркеров для недавнего секвенирования и генотипирования SNP подтвердили еще несколько категорий (Glaszmann 1987; Garris et al. 2005; Huang et al. 2011; Alexandrov et al. 2014; Wang et al. 2014). От изофермента до генотипирования SNP или всегда идентифицируются как отдельная категория. Однако в нескольких исследованиях (генотипирование изоферментов и SSR) также были определены отдельные категории глубоководного риса (Ashina и Rayada) (Glaszmann 1987; Wang et al. 2014). Недавно было секвенировано и генотипировано SNP более 4000 мировых образцов риса (Huang et al.2012 г.; Александров и др. 2014). Таким образом, мы проанализировали типы популяций как устойчивых к наводнениям, так и засухоустойчивых образцов.

Поскольку образцы, устойчивые к АГ, очень ограничены, то есть всего 5, поэтому мы подробно изучили их популяционные типы в предыдущих исследованиях. Среди пяти образцов, устойчивых к АГ, три из них, Nanhi (Baltazar et al. 2014), Khaiyan (Angaji et al. 2010) и Kalonchi (Platten et al. 2013), зарегистрированы как тип aus , где Ma-Zhan Red это индика (Septiningsih et al.2013). Интересно, что Khao Hlan On был описан как ароматный рис типа japonica (Angaji et al. 2010), выращенный в штате Шан в Мьянме, но по морфологическим признакам классифицированный как indica (www. genesys-pgr.org), в то время как недавнее секвенирование и анализ SNP показал, что обычно это или (Dwiyanti et al. 2014). Таким образом, из пяти устойчивых к АГ образцов четыре относятся к aus и в основном происходят из Бангладеш и прилегающих территорий.

Среди 65 засухоустойчивых образцов большинство из них принадлежат к двум субпопуляциям, либо aus (29), либо indica (29), а остальные немногие относятся к другим субпопуляциям или примесям (Torres et al.2013). Наибольшее количество засухоустойчивых образцов aus (19) происходит из Бангладеш, затем следует Индия (7), тогда как наибольшее количество засухоустойчивых образцов indica происходит из Индии (16), за которой следуют Бангладеш (3) и Шри-Ланка (3). Среди всех образцов indica (601) только 4,8% являются засухоустойчивыми, в то время как 45,3% из образцов aus являются засухоустойчивыми среди всех образцов aus . Таким образом, это ясно показывает, что засухоустойчивые образцы преимущественно произошли от образцов или . Точно так же устойчивые к быстрому возгоранию образцы риса (Sub1A), использованные в различных исследованиях молекулярного генотипирования, ясно показали, что большинство устойчивых образцов происходят из субпопуляций aus или indica .

Из приведенного выше обсуждения ясно, что все образцы, устойчивые к водному стрессу, как к засухе, так и к наводнениям, преимущественно происходят от типа или . Как насчет глубоководного риса? Несколько популяционных исследований также выявили отдельные категории глубоководного риса (Glaszmann 1987; Wang et al.2014). Однако большинство популяционных исследований либо исключают глубоководный рис особого типа, такой как Райада/Ашина, либо включают только несколько образцов, поэтому в их исследованиях может не выделяться отдельная категория. За последнее время было секвенировано несколько тысяч образцов и генотипировано SNP (Huang et al. 2012; Alexandrov et al. 2014), поэтому мы можем проверить тип популяции глубоководного риса по этой базе данных. Примечательно, что сорта aus и indica не могут быть дифференцированы по морфологическим признакам.Интересно, что после изучения 3000 баз данных SNP генома риса (Александров и др., 2014) мы идентифицировали многочисленные глубоководные сорта риса Бангладеш, такие как BORA DIGA, HIJOL DIGA, LAKHSMI DIGHA, JHUL DIGA, BAZAIL 975, BAZAIL 980, BHADOIA 303, DHARIAL и т. д. , как типичный или .

Среди различных адаптивных признаков засухи особенности корня (угол корня, длина, плотность и т. д.) в основном рассматриваются как признаки засухоустойчивости (Blum 2011). Недавно Уга и соавт. (2013) идентифицировали QTL DEEPER ROOTING 1 (DRO1) из селекционных популяций IR64 и Kinandang Patong, местного сорта с глубокими корнями из Филиппин.DRO1 значительно повышает урожайность в условиях засухи благодаря углу наклона корней и более длинной корневой системе. Среди 20 генотипов OryzaSNP из образцов показали наибольшую плотность длины корней в условиях засухи (Gowda et al. 2012). Хотя в литературе Кинанданг Патонг идентифицируется как тропическая японская разновидность (Уга и др., 2008 г.), нам было немного любопытно. Таким образом, мы проверили его тип субпопуляции во всех недавних популяционных и генетических исследованиях, основанных на секвенировании, использовалось ли какое-либо исследование с использованием Кинанданг Патонг.Интересно, что мы определили, что Huang et al. (2012) использовали Kinandang Patong (GP75) в своих исследованиях. Интересно, что данные секвенирования и генотипирования SNP ясно показали, что Kinandang Patong также является типичным типом или . Таким образом, из приведенного выше анализа распределения и типа популяции устойчивых к засухе и наводнениям образцов риса становится очевидным, что все устойчивые к водному стрессу (засухе или наводнению) образцы преимущественно относятся к типу или и в основном происходят из Бангладеш и соседних стран. области.

Бангладеш: сильно подвержен наводнениям и засухе и центр разнообразия