Экспрессия генов метаболизма фенолов и лигнина в Zinnia elegans в условиях засоления

Salinization is a common type of agricultural land degradation. It causes inhibition of plant growth and productivity. Previous research into mechanisms of plant resistance to salinity and other stressors has shown that one of nonspecific responses is cell wall lignification which limits translocation of water and ions in the tissues and the whole plant. The current study aims to investigate the responses of Zinnia elegans Jacq. grown under regular soil irrigation with 50 mM NaCl. Plant growth parameters and biochemical characteristics, such as the level of hydrogen peroxide and malondialdehyde (MDA), and phenolics and lignin content, were determined. The level of expression of genes encoding the biosynthesis of phenolic compounds and lignin was evaluated by the relative number of transcripts. Application of 50 mM NaCl to soil decreased plant growth and induced lipid peroxidation in stem tissues, despite an increase in the concentration of phenolic compounds. It means that the antioxidant potential of produced phenolics might be insufficient for plant protection. The amount of lignin in stem tissues increased mainly due to Klason lignin which is known to limit cell elongation. The concentration of phenolic compounds correlated with the expression of PAL, C4H and 4CL genes involved in their biosynthesis; and the amount of lignin correlated with the expression level of CCR, CAD, PRX, and LAC genesЗасоление – распространенный вид нарушения сельскохозяйственных земель. Оно вызывает угнетение роста и продуктивности растений. Изучение механизмов устойчивости растений к засолению показало, что лигнификация клеточной стенки – одна из неспецифических реакций растений на этот и другие стрессоры, что ограничивает транспорт воды и ионов в тканях и целом растении. Настоящее исследование направлено на изучение реакции растений Zinnia elegans Jacq. на засоление в длительном эксперименте при выращивании на почве с регулярным поливом 50 мМ NaCl. Определены ростовые характеристики растений и биохимические показатели, такие как уровень пероксида водорода и малонового диальдегида (МДА), содержание фенольных соединений и лигнина. Уровень экспрессии генов, кодирующих биосинтез фенольных соединений и лигнина, оценивали по относительному количеству транскриптов. Внесение 50 mM NaCl в почву подавляло рост растений и индуцировало перекисное окисление липидов в тканях стебля, несмотря на увеличение концентрации фенольных соединений. Вероятно, их антиоксидантного потенциала было недостаточно для защиты растений. Количество лигнина в тканях стебля увеличивалось в основном за счет лигнина Класона, который ограничивал растяжение клеток. Уровень транскриптов генов PAL, C4H, 4CL, участвующих в синтезе фенольных соединений, коррелировал с повышением их концентрации; а генов CCR, CAD, PRX и LAC – с количеством лигнин

Plant Growth Promoting Activity and Metal Tolerance of Bacteria Isolated from Rhizosphere of the Orchid Epipactis atrorubens Growing on Serpentine Substrates of the Middle Urals

В статье представлены данные, полученные при изучении бактерий, выделенных из ризосферы орхидеи Epipactis atrorubens (Hoffm.) Besser. Проведен сравнительный анализ некоторых морфологических, физиологических и биохимических характеристик ризобактерий растений, произрастающих в двух биотопах на серпентинитовых породах: в естественном лесном фитоценозе (фоновый участок) и на отвале после добычи асбеста (Свердловская область, Средний Урал). Оценка ростстимулирующей (PGP) активности выделенных штаммов не показала достоверных различий между исследованными участками по способности ризобактерий к синтезу индолил‑3-уксусной кислоты (ИУК) и солюбилизации фосфатов. Однако доля изолятов, способных к азотфиксации, была выше в ризосфере E. atrorubens, произрастающего на отвале, по сравнению с фоновым местообитанием. Устойчивость изолятов к тяжелым металлам оценивали по максимальной концентрации металла (400, 600 и 1000 мг/л соответственно для Ni, Cu и Zn), при которой отмечался рост бактерий. Показано, что ризобактерии с отвала оказались более устойчивыми к повышенным концентрациям металлов по сравнению с естественным лесным фитоценозом. На основе молекулярно-генетического анализа изолятов с наиболее выраженной PGP‑активностью (ИУК >1,0 мг/л; PO4 3- >50,0 мг/л) обнаружено сходство между изученными местообитаниями по родовой принадлежности ризобактерий E. atrorubens: выделенные штаммы принадлежали преимущественно к родам Buttiauxella и Pseudomonas. В модельных экспериментах протестирована ростстимулирующая способность четырех отобранных штаммов на семенах циннии. Инокуляция семян Pseudomonas sp. и Buttiauxella sp. не оказывала значимого влияния на их всхожесть, однако Buttiauxella sp. способствовала увеличению длины проростков в сравнении с контролем (в среднем на 25 %). Сделано предположение, что отобранные изоляты ризобактерий E. atrorubens, благодаря их ростстимулирующей активности и металлоустойчивости, могут способствовать натурализации орхидеи на техногенно нарушенной территорииThe article presents data obtained in the study of bacteria isolated from the rhizosphere of the orchid Epipactis atrorubens (Hoffm.) Besser. Analysis was carried out to compare some morphological, physiological, and biochemical characteristics of plant rhizobacteria growing on serpentine rocks in two biotopes: in the natural forest community (control habitat) and on the asbestos mine dump (the Sverdlovsk region, Middle Urals). An assessment of the plant growth promoting (PGP) activity of the isolated strains did not show significant differences in the ability of rhizobacteria to synthesize indol‑3-acetic acid (IAA) and solubilize phosphates between the study sites. However, the proportion of isolates capable of nitrogen fixation was higher in the rhizosphere of E. atrorubens growing on the dump compared to the control habitat. The tolerance of isolates to heavy metals was assessed by the maximum metal concentration (400, 600, and 1000 mg/L, respectively, for Ni, Cu, and Zn) at which bacterial growth was observed. Rhizobacteria from the dump were found to be more resistant to elevated concentrations of metals compared to their counterparts from the natural forest community. The molecular genetic analysis of isolates with the highest PGP‑activity (IAA >1.0 mg/L; PO4 3- >50.0 mg/L) revealed that most of the E. atrorubens rhizobacteria in both habitats belonged to the genera Buttiauxella and Pseudomonas. In model experiments, the PGP ability of four selected strains was tested on zinnia seeds. Seed inoculation with Pseudomonas sp. and Buttiauxella sp. did not have any significant effect on their germination; however, Buttiauxella sp. contributed to the increase in the length of seedlings compared with the control (by 25 %, on average). It has been suggested that the selected isolates of E. atrorubens rhizobacteria, due to their growth promoting activity and metal tolerance, can facilitate naturalization of the orchid in an industrially disturbed are

Активность ассоциированных с клеточной стенкой и цитозольных пероксидаз в условиях последействия ионов меди в растениях Nicotiana tabacum

The adaptation of plants to an excess of heavy metals in the environment and their recovery after elimination of the stressor is of interest in connection with the large-scale pollution of ecosystems and their remediation. This study is aimed at the aftereffect of copper ions (100 and 300 μM) in plants of Nicotiana tabacum L. The level of plant stress markers (concentration of hydrogen peroxide, activity of class III peroxidases – benzidine and guaiacol, their isoforms) during the recovery period after the removal of copper ions from the environment was evaluated in pretreatment by copper ions of different concentration and the use of control plants. During the recovery period, the concentration of hydrogen peroxide in plant organs (root, stem, and leaves) was high compared to the control. The responses of the roots and shoots under the aftereffect of the stressor were different. The activity of cytosolic guaiacol peroxidase and cell wall-bound peroxidases in root tissues increased according to the increase in Н2О2. In plants pretreated with a lower copper concentration, the activity of cell wall-bound peroxidases in the stem and cytosolic and cell wall-bound benzidine peroxidases in leaves increased. In contrast, pretreatment with a high copper concentration led to a decrease in the activity of peroxidases during the period of plant recovery. Thus, plant organs differed in the content of H2O2 and the activity of class III peroxidases localized in different compartments (apoplast and cytosol) and in their ability to recover after the removal of the stressorАдаптация растений к избытку тяжелых металлов в среде и их восстановление после элиминации стрессора представляют интерес в связи с масштабным загрязнением экосистем. Наше исследование направлено на изучение последействия ионов меди (100 и 300 μM) в растениях Nicotiana tabacum L. Оценивался уровень маркеров стресса растений (содержание пероксида водорода, активность пероксидаз III класса – бензидиновой и гваяколовой, их изоформы) в период их восстановления после удаления ионов меди из среды. Выявлено увеличение концентрации пероксида водорода в тканях корня, стебля и листьев. Реакции корня и побега в условиях последействия стрессора различались. Активность цитозольной гваяколовой пероксидазы и ассоциированных с клеточной стенкой пероксидаз в тканях корня повышалась на фоне увеличения содержания Н2О2. Увеличение активности ассоциированных с клеточной стенкой пероксидаз в стебле, цитозольной и ассоциированной с клеточной стенкой бензидиновой пероксидазы в листьях наблюдали у растений, предобработанных более низкой концентрацией меди. Предварительная обработка высокой концентрацией меди, наоборот, приводила к снижению активности пероксидаз в период восстановления растений. Таким образом, органы растений различались по содержанию Н2О2 и активности пероксидаз III класса, локализованных в разных компартментах (апопласт и цитозоль), и по способности восстанавливаться после снятия действия стрессор

Expression of a Stilbene Synthase Gene from the Vitis labrusca x Vitis vinifera L. Hybrid Increases the Resistance of Transgenic Nicotiana tabacum L. Plants to Erwinia carotovora

‘Isabel’ grape (Vitis labrusca x V. vinifera L. hybrid) is one of the main grape cultivars in Russia and some other countries for processing, due to its vigor, tolerance to the main fungal diseases, high yield and potential for sugar accumulation. The stilbene synthase gene VlvSTS was isolated from the hybrid grape cv. Isabel and cloned into a pSS plant transformation vector under the control of a constitutive 35S RNA double promoter of the cauliflower mosaic virus, CaMV 35SS. VlvSTS-gene containing transgenic tobacco lines were obtained and analyzed. For the first time plants expressing the VlvSTS gene were shown to have an enhanced resistance to the bacterial pathogen Erwinia carotovora subsp. carotovora B15. Transgenic plants were tested for resistance to a number of fungal pathogens. The plants were resistant to the grey mould fungus Botrytis cinerea, but not to the fungi Fusarium oxysporum, F. sporotrichioides, or F. culmorum. According to the results of a high performance liquid chromatography-mass spectrometry analysis, the amount of trans-resveratrol in leaves of transgenic plants with the highest expression of the VlvSTS gene was in a range from 150 to 170 μg/g of raw biomass. Change in the color and a decreased anthocyanin content in the flower corollas of transgenic plants were observed in transgenic lines with the highest expression of VlvSTS. A decrease in total flavonoid content was found in the flower petals but not the leaves of these tobacco lines. High expression of the VlvSTS gene influenced pollen development and seed productivity in transgenic plants. The size of pollen grains increased, while their total number per anther decreased. A decrease in the number of fertile pollen grains resulted in a decreased average weight of a seed boll in transgenic plants

Антиоксидантная активность и химический состав экстрактов ксилотрофных грибов Среднего Урала, произрастающих на березе

The search for new natural sources of biologically active substances is a major issue in pharmaceutical industry. Xylotrophic basidiomycetes are common in forests worldwide, but as a prospective raw source of biologically active compounds they have not been studied as extensively as plants and other groups of fungi. The study is aimed to determine the chemical composition and antioxidant activity of extracts from 10 species of tinder fungi growing on birch and common in the forests in Russia. The chaga muchroom (Inonotus obliquus), traditionally used in medicine, was chosen as a standard species. Extracts from fruiting bodies were obtained with water or 95 % ethanol. They contained 4 to 8 types of free amino acids including 2 to 6 essential ones. Perennial basidiocarps were shown to be richer in phenolic compounds and poorer in amino acids than annual ones. Alkaloids and saponins were found in perennial basidiocarps of two species, saponins were also found in annual basidiocarps of one species. Water and alcohol extracts differed in composition and concentration of extractives, and showed different antioxidant (inhibition of lipid peroxidation) and antiradical (ABTS‑test, inhibition of NO production) activity. This way it was shown that the nature of the solvent extraction agent is important for the manifestation of biological activity. In most tests, water extracts from chaga showed better antioxidant properties; extracts from Piptoporus betulinus and Fomitopsis pinicola were also effective as antioxidants, which may be promising avenues for future researchПоиск новых природных источников биологически активных веществ остается актуальной проблемой. Ксилотрофные базидиомицеты широко распространены в лесах, но как сырье для получения биологически активных соединений они менее изучены, чем растения и другие группы грибов. Цель исследования – изучение химического состава и антиоксидантной активности экстрактов 10 видов трутовых грибов, произрастающих на березе и широко распространенных в лесах России. В качестве вида сравнения выбрана чага Inonotus obliquus, традиционно используемая в медицине. Экстракцию веществ из плодовых тел проводили водой или 95%-ным этанолом. В экстрактах обнаружено от 4 до 8 типов свободных аминокислот, в том числе от 2 до 6 незаменимых. Показано, что многолетние базидиокарпы богаче фенольными соединениями и беднее аминокислотами, чем однолетние. В многолетних базидиокарпах двух видов были обнаружены алкалоиды и сапонины; также сапонины обнаружены у одного вида с однолетними базидиокарпами. Водные и спиртовые экстракты различались по составу и концентрации экстрактивных веществ и проявляли разную антиоксидантную (ингибирование перекисного окисления липидов) и антирадикальную (ABTS‑тест, ингибирование продукции NO) активность. Таким образом, природа экстрагента имеет значение для проявления биологической активности. В большинстве тестов водные экстракты чаги показали наилучшие антиоксидантные свойства, однако с ними могут быть сопоставимы экстракты Piptoporus betulinus и Fomitopsis pinicola, что определяет перспективы их дальнейшего изучени