CC BY
57
УДК 581.1 DOI: 10.24412/2071-6176-2021-2-47-55
НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПОВЫШЕНИИ СОЛЕУСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ
В.В. Иванищев
Представлены сведения о новых направлениях исследований в решении проблемы устойчивости растений к засолению почвы. Показано, что механизмы солеустой-чивости многогранны и включают несколько компонентов, главным из которых является перенос ионов через мембраны клеток или внутриклеточных компартментов (вакуолей, хлоропластов). Отмечено, что активная работа проводится в направлении анализа локусов количественных признаков ^ГП), которые связаны с обнаружением специфических маркеров, важных для селекции сельскохозяйственных культур. Показана важность альтернативного сплайсинга в решении проблемы солеустойчивости, использования знаний о генах устойчивости галофитов, редактирования генома, использования регуляторных РНК.
Ключевые слова: засоление, механизмы, солеустойчивость, методы.
Введение
Засоление почвы - один из важнейших абиотических стрессов, имеющих место в природе. Активное использование технологий возделывания сельскохозяйственных культур, связанных с поливным земледелием, усугубляет проблему, создавая вторичное засоление почвы. В результате происходит деградация пахотных земель [1-4].
Проблема засоления почвы имеет глобальный характер. В предыдущей работе отмечено, что засоление касается 6 % поверхности суши и 20-25 % возделываемых площадей, причем это касается и России [3]. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН ^АО) в мире подвержены засолению более 800 миллионов га. При этом из-за засушливости климата ряда областей мира к засоленным относят примерно 32 миллиона га сельскохозяйственных земель [5].
Присутствие избыточных количеств солей в почве приводит к развитию стресса, вызывающего значительное снижение продуктивности сельскохозяйственных культур. Это отражается не только на показателях всхожести семян, формировании проростков, но и на всем онтогенезе, включая общую или хозяйственно ценную продуктивность (урожай), что связано с токсическим действием избыточных количеств ионов солей [6]. Токсическое действие оказывает влияние не только на физиолого-биохимические процессы, но и проявляется в виде генотоксичности -сказывается на работе разных генов.
Такая ситуация приводит к необходимости поиска растений, устойчивых к рассматриваемому фактору среды, которые можно было бы возделывать в этих условиях. Было отмечено, что поиск солеустойчивых
генотипов до сих пор считается приоритетной задачей по многим причинам [7, 8]. При этом многообразие механизмов солеустойчивости и их понимание открывает широкие возможности в попытках управления этим свойством растений. Однако традиционные подходы селекции являются длительными, в то время как развитие молекулярно-генетических методов, кажется, может скорее привести к необходимому результату [9]. Особенно это касается растений, чей генотип давно и активно изучается, и для которых накоплено достаточно большое количество сведений молекулярно-генетического характера, а также отработаны лабораторные методы манипуляций их генетическим материалом.
Огромное количество работ в этой области не позволяет рассматривать все аспекты проблемы. Многие результаты носят частный характер, касаются отдельных растений и т.д. Поэтому цель данной работы состоит в рассмотрении общих принципов и новых идей, используемых в управлении солеустойчивостью растений.
Механизмы, связанные с увеличением солеустойчивости растений
Расширение возможностей генной инженерии привело к манипуляциям, которые затрагивали гены, связанные с отдельными метаболическими путями, накоплением ионов, синтезом и метаболизмом антиоксидантов, а также регуляторные элементы [8]. При этом, затрагивая работу одного гена, исследователи часто не учитывали то, что солеустойчивость, как и большинство признаков, имеет полигенную природу. С другой стороны, знания о работе генов всегда ограничены, поскольку часто важна не сама работа того или иного гена, а управление его работой в ходе онтогенеза. К сожалению, в большинстве случаев пути управления нам неизвестны. При этом состояние растения в ходе онтогенеза меняется, как и его реакция на постоянно присутствующий фактор засоления почвы. Поэтому дальнейшие попытки стали затрагивать работу нескольких генов, а также регуляторные элементы, важные для их работы, эпигенетический контроль и посттранскрипционные модификации через систему микроРНК [8]. Также следует отметить, что параллельно следует развивать моделирование процесса адаптации растений к условиям засоления, что важно для построения представлений обобщающего характера в этой области науки [10-13].
Одним из важнейших направлений в модификации исследований генно-инженерного характера является изучение технических регулирующих элементов (факторов транскрипции) для повышения солеустойчивости растений [8]. Регуляторные белки такого вида контролируют способы восприятия соли и передачи такого сигнала, а также экспрессию ряда генов, чувствительных к такому стрессу [14-16].
Показано взаимодействие факторов транскрипции с промоторными областями ряда генов. При этом, указанные элементы участвуют в регуляции и других стрессов абиотической природы [8].
По-прежнему, важными направлениями исследований являются:
- изучение ионного транспорта и переносчиков ионов соли в различных органах и тканях, а также внутри клеток растений, в т.ч. в хлоропласты;
- исследование протонных насосов, связанных с устойчивостью к солевому стрессу и, в первую очередь, К+/Ыа+-АТФ-азы, вакуолярной Н+-АТФ-азы и др.;
- особенности переноса ионов у С4-растений, у которых потребность в присутствии ионов натрия связана с необходимостью синтеза фосфоенолпирувата;
- особенности накопления ионов соли в связи с необходимостью формирования гран и фотосистемы II в хлоропластах;
- специфические переносчики ионов калия у галофитов;
- технологии РНК-интерференции и др. [8].
Количественные признаки солеустойчивости
Активные работы направлены в последние годы на идентификацию и анализ локусов количественных признаков ^ТЬ), которые связаны с обнаружением специфических маркеров, важных для селекции сельскохозяйственных культур [17, 18]. Это позволяет охарактеризовать на молекулярном уровне гены, которые участвуют в проявлении сложных признаков, в т.ч. в связи с проблемой устойчивости растений к стрессу в целом, а также к солевому стрессу, в частности [8]. Важным открытием в этом направлении стала идентификация локуса - QTL Saltol и введение его в растение на стадии проростков. Этот локус связан с гомеостазом №+/К+ при солевом стрессе [19, 20]. Другой локус QTL, который содержится в Saltol, включает ген SKC1, связанный с концентрацией ионов калия в побегах [19]. Введение QTL Saltol в геном одного из элитных сортов риса привело к получению линии, обладающей высокой устойчивость к засолению на стадии проростков и улучшенными агрономическими характеристиками [21]. Такие результаты позволили разработать несколько программ селекции риса по всему миру, а также адаптировать этот QTL для программ селекции с использованием маркеров, направленных на создание толерантных линий других растений [8].
Дальнейшая работа позволила идентифицировать более 20 новых локусов QTL, важных для солеустойчивости растений [22]. Сканирование геномов проводят с использованием SSR-маркеров. Работы проводятся в отношении не только риса, но и таких важных сельскохозяйственных культур как хлопчатник, кукуруза, огурец, соя [8]. Выделение локусов QTL
показывает, что их гены часто связаны с переносчиками семейства обменников типа катион/Н+. При этом показано, что локусы количественных признаков - QTL могут быть разными на разных стадиях онтогенеза растений и иметь разные маркеры, что усложняет ситуацию представлений об устойчивости растений к стрессу и вызывает необходимость поиска специфических маркеров для разных стадий онтогенеза у разных видов [8].
Роль альтернативного сплайсинга в солеустойчивости растений
Альтернативный сплайсинг предполагает, что один и тот же первичный транскрипт с определенного гена (пре-мРНК) созревает в разных специализированных клетках организма по-своему, в результате чего зрелые иРНК кодируют разные по аминокислотной последовательности белки, обладающие сходными или различным свойствами. Оказалось, что это явление также может быть связано с устойчивостью растений к стрессу, в т.ч. солевому. При этом нормальные и альтернативно сплайсированные варианты могут конкурировать между собой [23, 24].
У растений было обнаружено много факторов сплайсинга: у А. thaliana обнаружен Sm-подобный консервативный белок 5 (LSm5), который способствует неточному выбору сайтов сплайсинга в геноме растений [25]. Позднее был обнаружен еще один фактор сплайсинга РЯР31, который участвует в подавлении транскрипции генов и стрессовом ответе у А. thaliana [26]. Поэтому можно говорить о том, что альтернативный сплайсинг оказывается чрезвычайно важным на посттранскрипционном уровне для обеспечения устойчивости растений к абиотическому стрессу [8].
Галобиомы как пул генов
Исследование галобиомов - совокупности генов галофитов является важным направлением в поиске специфических генов, обеспечивающих их устойчивость к засолению среды. При этом считается, что подобные гены и механизмы присутствуют и у обычных организмов (гликофитов), но у галофитов они работают более эффективно [8]. Это касается многих генов, которые, например, кодируют ферменты, участвующие в производстве некоторых осмопротекторов, антиоксидантные ферменты и некоторые рибосомные белки.
В качестве источников генов используют не только растения-галофиты, но и другие устойчивые к присутствию солей организмы: грибы, бактерии, водоросли. Перенос таких генов в растения, например,
улучшает накопление биомассы, скорость фотосинтеза, снижает перекисное окисление липидов [8].
Интересным аспектом явилось использование на засоленных почвах галотолерантных бактерий, которые способствовали лучшей адаптации растений-гликофитов к таким условиям. Это было показано, например, для таких растений как горох (Pisum sativum), томат (Lycopersicon esculentum), арахис (Arachis hypogaea), киноа (Chenopodium quinoa) и пшеница (Triticum aestivum) [8]. Поэтому в технологиях возделывания некоторых культур на засоленных почвах могут быть использованы специальные почвенные бактерии и грибы, хотя в этом случае возрастают затраты на производство сельскохозяйственной продукции [27, 28].
Редактирование генома растений
В решении проблемы солеустойчивости некоторые исследователи стали применять методы редактирования генома с использованием специфических ферментов - нуклеаз, благодаря которым вводятся мутации в определенные участки ДНК. В результате таких манипуляций достигают вставку или замену отдельного гена [8]. Поскольку изменение отдельного гена часто приводит к снижению продуктивности растений, постольку использование метода CRISPR-Cas, как считают некоторые исследователи, позволит модифицировать сразу несколько генов, что должно привести к получению устойчивых растений с высокой продуктивностью [29]. Такие надежды связаны с успехами в создании устойчивых растений к другим абиотическим стрессам [8].
Заключение
Изложенное выше показывает, насколько изменились тенденции и расширились исследования по получению стресс-устойчивых растений. Представленная картина позволяет оценить многогранность как самой проблемы солеустойчивости, обусловленной многими факторами, так и сложность и многообразие методических подходов к ее решению. Несмотря на широчайшие экспериментальные возможности в манипуляции отдельными генами и геномами, успешных результатов не так много, как можно было надеяться. Важнейшей составляющей в этом аспекте являются полевые испытания, которые могут дать окончательный ответ и надежную оценку результатам работы в создании солеустойчивых растений. При этом полагают, что нет никаких общих правил в механизмах толерантности к ионам соли, или по крайней мере, что механизмы солеустойчивости могут существенно отличаться у разных видов растений [30], от сорта к сорту, от популяции к популяции и от индивидуума к индивиду, а также в разных органах, тканях и даже клетках, а также в
зависимости от альтернативных событий сплайсинга [8]. Все это не дает возможности надеяться на быстрый успех в решении рассматриваемой проблемы. Тем не менее, в ряде полевых исследований растений, у которых путем генетических манипуляций вызвана сверхэкспрессия гена(ов), наблюдали улучшение устойчивости к засолению и рост трансгенных растений на засоленных полях [31, 32]. При этом другой путь состоит в «одомашнивании» и введении новых видов и культур -природных галофитов в сельскохозяйственный оборот на засоленных землях, например, киноа [33].
Список литературы
1. Exogenous glutathione modulates salinity tolerance of soybean [Glycine max (L.) Merrill] at reproductive stage / S.Akram, M.N.Siddiqui,
B.N.Hussain [et al.] // J. Plant Growth Regul. 2017. V. 36. P. 877-888.
2. ROS induced signaling and gene expression in crops under salinity stress / Kumar V., Khare T., Sharma M. [et al.] / In: Khan M, Khan N (eds) Reactive oxygen species and antioxidant systems in plants: role and regulation under abiotic stress. Springer, Singapore. P. 159-184.
3. Иванищев В.В. О механизмах солеустойчивости растений и специфике влияния засоления // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2019. Вып. 4. С. 74-88.
4. Засоление почвы и его влияние на растения / В.В.Иванищев, Т.Н.Евграшкина, О.И.Бойкова [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. Вып. 3. С. 28-42.
5. FAO. Land and Plant Nutrition Management Service. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome. 2015.
6. Cheeseman J.M. The evolution of halophytes, glycophytes and crops, and its implications for food security under saline conditions // New Phytol. 2015. V. 206. P. 557-570.
7. Torabi M. Physiological and biochemical responses of plants to salt stress // The 1st Intern Conf on New Ideas in Agricultural. Islamic Azad University Khoragsan Branch. 26-27 jan 2014. Isfahan, Iran. 2014. 25 p.
8. Engineering salinity tolerance in plants: progress and prospects / S.H.Wani, V.Kumar, T.Khare [et al.] // Planta. 2020. V. 251. P. 76-105.
9. Phytohormones and their metabolic engineering for abiotic stress tolerance in crop plants / S.H.Wani, V.Kumar, V.Shriram [et al.] // Crop J. 2016. V. 4. P. 162-176.
10. Иванищев В.В. Об использовании статистических методов в стрессовой физиологии и селекции растений // Вюник Харьювського нащонального аграрного ушверситету. Серiя бюлопя. 2018. Вып. 3 (45).
C. 111-118.
11. Иванищев В.В., Жуков Н.Н. Проявления окислительного стресса в проростках тритикале при кратковременном действии хлорида натрия // Бутлеровские сообщения. 2017. Т. 52. № 11. С. 123-130.
12. Иванищев В.В., Жуков Н.Н. О взаимосвязи показателей водного обмена и фотосинтеза проростков тритикале при кратковременном действии хлорида натрия // Бутлеровские сообщения. 2018. Т. 53. № 3. С. 35-42.
13. Иванищев В.В. Исследование влияния кратковременного солевого стресса методом кластерного анализа // Бутлеровские сообщения. 2018. Т. 54 (4). С. 134-139.
14. Gupta B., Huang B. Mechanism of salinity tolerance in plants: physiological, biochemical, and molecular characterization // Int. J. Genom. 2014. Article ID 701596.
15. Li W., Tran L.S.P. Effects of ethylene on seed germination of halophyte plants under salt stress / In: Binder B., Schaller E.G. (eds) Ethylene signaling: methods in molecular biology. New York: Humana Press, 2017. P. 253-259.
16. Functional annotation of differentially expressed genes under salt stress in Dichanthium annulatum / A.Mann, N.Kumar, C.Lata [et al.] // Plant Physiol. Rep. 2019. V. 24. P. 104-111.
17. Ismail A.M., Horie T. Genomics, physiology, and molecular breeding approaches for improving salt tolerance // Annu Rev. Plant Biol. 2017. V. 68. P. 405-434.
18. Cobb J.N., Biswas P.S., Platten J.D. Back to the future: revisiting MAS as a tool for modern plant breeding // Theor. Appl. Genet. 2019. V. 132. P. 647.
19. A rice quantitative trait locus for salt tolerance encodes a sodium transporter / Z.H.Ren, J.P.Gao, L.G.Li [et al.] // Nat. Genet. 2005. V. 37. P. 1141-1146.
20. Characterizing the Saltol quantitative trait locus for salinity tolerance in rice / M.J.Thomson, M. de Ocampo, J.Egdane [et al.] // Rice. 2010. V. 3. P. 148-160.
21. Marker aided incorporation of Saltol, a major QTL associated with seedling stage salt tolerance into Oryza sativa 'Pusa Basmati 1121' / N.N.Babu, S.G.Krishnan, K.K.Vinod [et al.] // Front Plant Sci. 2017. V. 8. P. 41.
22. Identification of quantitative trait loci for salinity tolerance in rice (Oryza sativa L.) using IR29/Hasawi mapping population / J.B.Bizimana, A.Luzi-kihupi, R.W.Murori [et al.] // J. Genet. 2017. V. 96(4). P. 571-582.
23. Competitive inhibition of transcription factors by small interfering peptides / P.J.Seo, S.Y.Hong, S.G.Kim [et al.] // Trends Plant Sci. 2011. V. 16. P. 541-549.
24. Temperature-dependent regulation of flowering by antagonistic FLM variants / D.Pose, L.Verhage, F.Ott [et al.] // Nature. 2013. V. 503. P. 414-417.
25. Dynamic regulation of genome-wide pre-mRNA splicing and stress tolerance by the Sm-like proteins LSm5 in Arabidopsis / P.Cui, S.Zhang, F.Ding [et al.] // Genome Biol. 2014. V. 15:R1.
26. The splicing factor PRP31 is involved in transcriptional gene silencing and stress response in Arabidopsis / J.L.Du, S.W.Zhang, H.W.Huang [et al.] // Mol. Plant. 2015. V. 8 P. 1053-1068.
27. Aroca P., Ruiz-Lozano J. Salinity stress alleviation using arbuscular mycorrhizal fungi. A review // Agron. Sustain Dev. 2012. V. 32. P. 181-200.
28. Shrivastava P., Kumar R. Soil salinity: a serious environmental issue and plant growth promoting bacteria as one of the tools for its alleviation // Saudi J. Biol. Sci. 2015. V. 22(2). P. 123-131.
29. ARGOS8 variants generated by CRISPR/Cas9 improve maize grain yield under field drought stress conditions / J.Shi, H.Gao, H.Wang [et al.] // Plant Biotechnol. J . 2017. V. 15. P. 207-216.
30. Comparison between Arabidopsis and rice for main pathways of K+ and Na+ uptake by roots / M.Nieves-Cordones, V.Martinez, B.Benito [et al.] // Front Plant Sci. 2016. V. 7. P. 992.
31. Expression of an Arabidopsis vacuolar H+-pyrophosphatase gene (AVP1) in cotton improves droughtand salt tolerance and increases fiber yield in the field conditions / V.Pasapula, G.Shen, S.Kuppu [et al.] // Plant Biotechnol. J. 2011. V. 9. P. 88-99.
32. Expression of the Arabidopsis vacuolar H+-pyrophosphatase gene (AVP1) improves the shoot biomass of transgenic barley and increases grain yield in a saline field / R.K.Schilling, P.Marschner, Y.Shavrukov [et al.] // Plant Biotechnol. J. 2014. V. 12. P. 378-386.
33. Breeding and domesticating crops adapted to drought and salinity: a new paradigm for increasing food production / A.Fita, A.Rodriguez-Burruezo, M.Boscaiu [et al.] // Front Plant Sci. 2015. V. 6. P. 978.
Иванищев Виктор Васильевич, д-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой, avdey_VV@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
NEW AREAS OF RESEARCH IN INCREASING THE SALT RESISTANCE OF PLANTS
V.V. Ivanishchev
The paper presents information on new directions of research in solving the problem of plant resistance to soil salinization. It has been shown that the mechanisms of salt tolerance are multifaceted and include several components, the main of which is the transfer of ions through the membranes of cells or intracellular compartments (vacuoles, chloroplasts). It is noted that active work is being carried out towards the analysis of quantitative trait loci (QTL), which are associated with the detection of specific markers that are important for crop
breeding. The importance of alternative splicing in solving the problem of salt tolerance, using knowledge about halophyte genes for resistance, genome editing, and the use of regulatory RNAs is shown.
Key words: salinization, mechanisms, salt tolerance, methods.
Ivanishchev Viktor Vasilyevich, doctor of biology, professor, head of the chair, avdey_ VV@mail. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
