Transgenic plants as genetic models for studying functions of plant genes

A V Kochetov,V K Shumny

doi:10.18699/vj16.179

Abstract

Transgenic plants are widely used for the investigation of functions of particular genes as well as for reconstruction of complex gene networks controlling plant morphology, biochemistry, and physiology during different development stages and in response to various external stimuli. Gene engineering instruments for the design of transgenic plants with either elevated or suppressed expression of target genes are discussed. Genetic constructs for protein synthesis or antisense RNA/self-complementary double-stranded RNA transcription are described. Transgenic plants with elevated or decreased levels of expression of S-like ribonucleases and decreased expression of the proline dehydrogenase gene are considered as examples. It was believed that S-like RNase functions concern mainly phosphate remobilization from senescent organs. However, expression patterns of some genes coding for S-like RNases were similar to some pathogen-responsive genes (both local and systemic induction after wounding or pathogen inoculation). In addition, some pathogenesis-related proteins (PR-4 family) possess RNase activity and can inhibit growth of pathogenic fungi. Investigation of transgenic plants revealed that high ribonuclease activity in apoplast correlated with increased resistance against tobacco mosaic virus. Thus, S-like RNases may have a new function as a part of the plant basal antiviral defense mechanism. Another set of transgenic plants bears an antisense suppressor of the proline dehydrogenase gene (PDH) constructed with an Arabidopsis target gene segment. Tobacco, maize and sunflower plants with this heterologous suppressor were characterized with a moderate decrease in PDH activity and a mild (1.5–3-fold) increase in the proline content under normal conditions. It was also found that these plants were more tolerant to various abiotic stresses (drought, NaCl, cold, toxic heavy metals), which may result from the protective proline effect early in exposure to stress, preventing the cellular gene expression machinery from damage by stress-generated free radicals.

Highlights

В настоящее время трансгенные растения широко используются как для изучения функций отдельных генов, так и для реконструк ции сетей взаимодействующих генов, контролирующих формиро вание морфологических, биохимических и физиологических признаков в процессе развития и при воздействии внешних факторов различной природы
Transgenic plants are widely used for the investigation of functions of particular genes as well as for recon struction of complex gene networks controlling plant morphology, biochemistry, and physiology during different development stages and in response to various external stimuli
Transgenic plants with elevated or decreased levels of expression of S-like ribonucleases and decreased expression of the proline dehydrogenase gene are considered as examples

Summary

Трансгенные растения как генетические модели для изучения функций генов растений

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», Новосибирск, Россия Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», Новосибирск, Россия. В качестве примера рассмотрены трансгенные растения, характеризующиеся увеличенным или сниженным уровнем экспрессии генов S-подобных рибонуклеаз, а также сниженным уровнем экспрессии гена пролиндегидрогеназы, отвечающего за катабо лизм пролина. Функции S-подобных РНКаз связывали главным образом с ремобилизацией фосфата из стареющих и отмирающих частей растений, однако паттерн экспрессии некоторых генов из этой группы предполагал возможность их участия в защите от патогенов (индукция при повреждении тканей в районе повреж дения (локально) и в удаленных органах (системно)). Оказа лось, что при этом также повышается устойчивость растений к различным видам абиотических стрессов (засуха, засоление, холод, соли тяжелых металлов), что может быть связано с защит ным действием пролина на ранних этапах неблагоприятных воз действий, предотвращающим повреждение белков клеточного аппарата экспрессии свободными радикалами. Трансгенные растения как генетические модели для изучения функций генов растений.

Transgenic plants as genetic models for studying functions of plant genes

Choice of the transformation method

GM line