Анализ молекулярно-генетических механизмов устойчивости березы и дуба к дефициту воды и азота

В статье представлен обзор литературных данных по вопросу молекулярно-генетических механизмов устойчивости березы и дуба к дефициту воды и азота. Анализ транскриптомной активности генов, реагирующих на абиотические стрессы, дает возможность осуществления целенаправленной селекции генетически улучшенных форм для нужд эффективного лесовосстановления, а также создания лесных плантаций. Молекулярно-генетический ответ на засуху более изучен для древесных растений, чем дефицит азота. По сравнению с Betula sp., ранний ответ Quercus sp. на засуху менее интенсивный и выражается в подавлении метаболической активности и активации систем поддержания роста после стресса. При длительном воздействии засухи наблюдается интенсивное восстановление клеточной стенки, связанное с биосинтезом целлюлозы и лигнина. Наблюдаются активные процессы нейтрализации активных форм кислорода и биосинтез антиоксидантов. Во время раннего ответа Betula sp. на засуху наблюдается высокий уровень экспрессии генов, связанных со снижением потерь воды. Защита от засухи также включает контроль закрытия устьиц и активацию генов, ассоциированных с ответом на осмотический стресс. Среди генов-кандидатов ответа на засуху у видов дуба были идентифицированы транскрипционные факторы, белки теплового шока, белки-транспортеры и др. По результатам аналитического обзора литературы составлен список дифференциально экспрессируемых генов (ДЭГ), идентифицированных у березы и дуба в ответ на засуху. Если молекулярно-генетические механизмы засухоустойчивости древесных растений изучены в достаточной степени, определено множество генов-кандидатов, участвующих в реакции на стресс, и могут быть в дальнейшем рекомендованы для целенаправленной селекции, то вопрос адаптации древесных растений к дефициту азота слабо изучен и представляется весьма актуальным для дальнейших исследований.

1. Королева Т.С., Константинов А.В., Шунькина Е.А. Угрозы и социально-экономические последствия изменения климата для лесного сектора // Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства. 2015. № 3. С. 55–71.

2. Лукина Н.В., Исаев А.С., Крышень А.М. и др. Приоритетные направления развития лесной науки как основы устойчивого управления лесами // Лесоведение. 2015. № 4. С. 243–254.

3. Морковина С.С. Торжков И.О. Экономическая оценка возможности создания лесных плантаций на землях лесного фонда // Социально-экономические явления и процессы. 2016. Т. 11. № 6. С. 46–50.

4. Неофитов Ю.А. Краткая хронология потери лесистости планеты // Научные труды Чебоксарского филиала Главного ботанического сада им. Н.В. Цицина РАН. 2018. № 10. С. 29–40.

5. Шейкина О.В. Применение молекулярных маркеров в лесном селекционном семеноводстве в России: опыт и перспективы (обзор) // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2022. № 2(54). С. 64–79.

6. Штукин С.С. Лесные плантации в современном мире // Лесное и охотничье хозяйство. 2015. № 3. С. 2–6.

7. Chen Z.-Q., Baison J., Pan B. et al. Accuracy of genomic selection for growth and wood quality traits in two control-pollinated progeny trials using exome capture as the genotyping platform in Norway spruce // BMC Genomics. 2018. No. 19. P. 946.

8. Cheng L. et al. A miR169c-NFYA10 module confers tolerance to low-nitrogen stress to Betula luminifera // Industrial Crops and Products. 2021. Vol 172. P. 113988.

9. De León I.P., Sanz A., Hamberg M., Castresana C. Involvement of the Arabidopsisα-DOX1 fatty acid dioxygenase in protection against oxidative stress and cell death // The Plant Journal. 2002. No. 29(1). P. 61–72.

10. Ganie A. H., Ahmad A., Yousuf P.Y., Pandey R., Ahmad S., Aref I.M., et al. Nitrogen-regulated changes in total amino acid profile of maize genotypes having contrasting response to nitrogen deficit // Protoplasma. 2017. No. 254. Р. 2143–2153.

11. Gong S., Ding Y., Hu S., Ding L., Chen Z., Zhu C. The role of HD-Zip class I transcription factors in plant response to abiotic stresses // Physiologia Plantarum. 2019. No. 167(4). P. 516–525.

12. Isik F., Bartholomé J., Farjat A.et al. Genomic selection in maritime pine // Plant Science. 2016. Vol. 242. P. 108–119.

13. Jia Y., Niu Y., Zhao H., Wang Z., Gao C., Wang C., Chen S., Wang Y. Hierarchical transcription factor and regulatory network for drought response in Betula platyphylla // Horticulture Research. 2022. No. 9. P. uhac040.

14. Krutovsky K.V. From population genetics to population genomics of forest trees: Integrated population genomics approach // Russian Journal of Genetics. 2006. Vol. 42. No 10. P. 1088–1100.

15. Lu L., Zhang Y., Li L., Yi N., Liu Y., Qaseem M.F. et al. Physiological and Transcriptomic Responses to Nitrogen Deficiency in Neolamarckia cadamba // Front. Plant Sci., 2021. С. 2488.

16. Lenz P.R., Nadeau S., Mottet M.-J. et al. Multi-trait genomic selection for weevil resistance, growth, and wood quality in Norway spruce // Evolutionary Application. 2019. Vol. 13, no 1. P. 76–94.

17. Li D., Li Y., Qian J., Liu X., Xu H., Zhang G., Ren J., Wang L., Zhang L., Yu H. Comparative Transcriptome Analysis Revealed Candidate Genes Potentially Related to Desiccation Sensitivity of Recalcitrant Quercus variabilis Seeds // Frontiers in Plant Science. 2021. No. 12. P. 717563.

18. Ling L.-Z., Zhang S.-D. Comparative proteomic analysis between mature and germinating seeds in Paris polyphylla var. yunnanensis // PeerJ. 2022. No. 10. P. e13304.

19. Liu C., Chen S., Wang S. et al. A genome wide transcriptional study of Populus alba x P. tremula var. glandulosa in response to nitrogen deficiency stress // Physiol Mol Biol Plants. 2021. No. 27. P. 1277–1293.

20. Ma P., Zhang X., Luo B. et al. Transcriptomic and genome-wide association study reveal long noncoding RNAs responding to nitrogen deficiency in maize // BMC Plant Biol. 2021. No. 21. P. 93 (2021)

21. Madritsch S., Wischnitzki E., Kotrade P., Ashoub A., Burg A., Fluch S., Brüggemann W., Sehr E.M. Elucidating Drought Stress Tolerance in European Oaks Through Cross-Species Transcriptomics // G3: Genes|Genomes|Genetics. 2019. No. 9(10). P. 3181–3199.

22. Mamashita T., Larocque G.R., DesRochers A., Beaulieu J., Thomas B.R., Mosseler A., et al. Short-term growth and morphological responses to nitrogen availability and plant density in hybrid poplars and willows // Biomass Bioenergy. 2015. No. 81. P. 88–97.

23. Martin T., Oswald O., Graham I. A. Arabidopsis seedling growth, storage lipid mobilization, and photosynthetic gene expression are regulated by carbon:nitrogen availability // Plant Physiol. 2002. No. 128. Р. 472–481.

24. Mevy J.-P., Loriod B., Liu X., Corre E., Torres M., Büttner M., Haguenauer A., Reiter I.M., Fernandez C., Gauquelin T. Response of Downy Oak (Quercus pubescens Willd.) to Climate Change: Transcriptome Assembly, Differential Gene Analysis and Targeted Metabolomics // Plants. 2020. No. 9(9). P. 1149.

25. Miller A.J., Xu G., Fan X. Plant nitrogen assimilation and use efficiency // Annu. Rev. Plant Biol. 2012. No. 63. Р. 153–182.

26. Pantelić A., Stevanović S., Komić S.M., Kilibarda N., Vidović M. In Silico Characterisation of the Late Embryogenesis Abundant (LEA) Protein Families and Their Role in Desiccation Tolerance in Ramonda serbica Panc // International Journal of Molecular Sciences. 2022. No. 23(7). P. 3547.

27. Qin Y., Li Q., An Q., Li D., Huang S., Zhao Y., Chen W., Zhou J., Liao H. A phenylalanine ammonia lyase from Fritillaria unibracteata promotes drought tolerance by regulating lignin biosynthesis and SA signaling pathway // International Journal of Biological Macromolecules. 2022. No. 213. P. 574–588.

28. Resende M.F., Munoz P., Acosta J.J. et al. Accelerating the domestication of trees using genomic selection: accuracy of prediction models across ages and environments // New Phytologist. 2012. Vol. 193, no. 3. P. 617–624.

29. Sadhukhan A., Prasad S.S., Mitra J., Siddiqui N., Sahoo L., Kobayashi Y., Koyama H. How do plants remember drought? // Planta. 2022. No. 256(1). P. 7.

30. Scheible W.R., Morcuende R., Czechowski T., Fritz C., Osuna D., Palacios-Rojas N. et al. Genome-wide reprogramming of primary and secondary metabolism, protein synthesis, cellular growth processes, and the regulatory infrastructure of arabidopsis in response to nitrogen // Plant Physiol. 2004. No. 136. Р. 2483–2499.

31. Shin S.Y. et al. Transcriptomic analyses of rice (Oryza sativa) genes and noncoding RNAs under nitrogen starvation using multiple omics technologies // BMC genomics. 2018. Vol. 19, no. 1. P. 1–20.

32. Singh A., Mehta S., Yadav S., Nagar G., Ghosh R., Roy A., Chakraborty A., Singh I.K. How to Cope with the Challenges of Environmental Stresses in the Era of Global Climate Change: An Update on ROS Stave off in Plants // International Journal of Molecular Sciences. 2022. No. 23(4). P. 1995

33. Singh P., Arif Y., Miszczuk E., Bajguz A., Hayat S. Specific Roles of Lipoxygenases in Development and Responses to Stress in Plants // Plants. 2022. No. 11(7). P. 979.

34. Sun Y., Liu L., Sun S., Han W., Irfan M., Zhang X., Zhang L., Chen L. AnDHN, a Dehydrin Protein From Ammopiptanthus nanus, Mitigates the Negative Effects of Drought Stress in Plants // Frontiers in Plant Science. 2021. No. 12. P. 788938.

35. Taji T., Ohsumi C., Iuchi S., Seki M., Kasuga M., Kobayashi M., Yamaguchi-Shinozaki K., Shinozaki K. Important roles of drought- and cold-inducible genes for galactinol synthase in stress tolerance in Arabidopsis thaliana // The Plant Journal: For Cell and Molecular Biology. 2002. No. 29(4). P. 417–426.

36. Tan Z., Wen X., Wang Y. Betula platyphylla BpHOX2 transcription factor binds to different cis-acting elements and confers osmotic tolerance // Journal of Integrative Plant Biology. 2020. No. 62(11). P. 1762–1779.

37. Ukrainetz N.K., Mansfield S.D. Assessing the sensitivities of genomic selection for growth and wood quality traits in lodgepole pine using Bayesian models / Tree Genetics & Genomes. 2020. Vol. 16, no. 1. P. 14.

38. Wang Y., Feng G., Zhang Z., Liu Y., Ma Y., Wang Y., Ma F., Zhou Y., Gross R., Xu H., Wang R., Xiao F., Liu Y., Niu X. Overexpression of Pti4, Pti5, and Pti6 in tomato promote plant defense and fruit ripening // Plant Science: An International Journal of Experimental Plant Biology. 2021. No. 302. P. 110702.

39. Wang C., Zhou Y., Yang X., Zhang B., Xu F., Wang Y., Song C., Yi M., Ma N., Zhou X., He J. The Heat Stress Transcription Factor LlHsfA4 Enhanced Basic Thermotolerance through Regulating ROS Metabolism in Lilies (Lilium Longiflorum) // International Journal of Molecular Sciences. 2022. No. 23(1). P. 572.

40. Wen X., Wang J., Zhang D., Wang Y. A Gene Regulatory Network Controlled by BpERF2 and BpMYB102 in Birch under Drought Conditions // International Journal of Molecular Sciences. 2019. No. 20(12). P. 3071.

41. Yang Z., Wang Z., Yang C., Yang Z., Li H., Wu Y., et al. Physiological responses and small rnas changes in maize under nitrogen deficiency and resupply // Genes Genomics, 2019. No. 41. Р. 1183–1194.

42. Zapata-Valenzuela J., Whetten R.W., Neale D. et al. Genomic estimated breeding values using genomic relationship matrices in a cloned population of loblolly pine // G3: Genes, Genomes, Genetics. 2013. Vol. 3, no. 5. P. 909–916.

43. Zhang J., Qian J.-Y., Bian Y.-H., Liu X., Wang C.-L. Transcriptome and Metabolite Conjoint Analysis Reveals the Seed Dormancy Release Process in Callery Pear // International Journal of Molecular Sciences. 2022. No. 23(4). P. 2186.

44. Zhao W.T., Feng S.J., Li H., Faust F., Kleine T., Li L.N., Yang Z.M. Salt stressinduced ferrochelatase 1 improves resistance to salt stress by limiting sodium accumulation in Arabidopsis thaliana // Scientific Reports. 2017. No. 7(1). P. 14737.

45. Zhao X. et al. Transcriptome analysis for Fraxinus mandshurica Rupr. seedlings from different carbon sequestration provenances in response to nitrogen deficiency // Forests. 2021. Vol. 12, no.. 2. P. 257.

46. Zhou H., Zhao J., Cai J., Patil S.B. Ubiquitin-specific proteases function in plant development and stress responses // Plant Molecular Biology. 2017. No. 94(6). P. 565–576.