Изучение экспрессии генов целлюлозосинтаз у льна в процессе роста

В селекции лубяных культур, направленной на создание высоковолокнистых сортов, важным является выявление закономерностей формирования волокна на молекулярном уровне, определение генотипспецифичности процессов синтеза целлюлозы, изучение эффективности работы генов, отвечающих за синтез целлюлозы на различных этапах онтогенеза растений. Целью работы являлось изучение экспрессии генов целлюлозосинтаз льна. Объектом исследования являлись 8 образцов льна (род Linum), отличающихся по содержанию волокна: 7 сортов Linum usitatissimum L., из которых 5 сортов льна-долгунца, 2 сорта льна масличного, один образец льна крупноцветкового (L. grandiflorum Desf.). Исследуемые сорта выращивали в растильной установке. Пробы растительного материала отбирали на 10-й, 20-й, 30-й, 40-й и 50-й дни после появления всходов. Проводили извлечение РНК, синтез кДНК. Были получены последовательности РНК CesA1, CesA4, CesA6, CesA7 и разработаны ген-специфические праймеры для ПЦР. Экспрессию генов определяли методом полуколичественной RT-PCR, продукты реакции разделяли по размеру с помощью 1,2%-го агарозного геля. На основании полученных данных было установлено наличие фазо- и генотипспецифичности в процессе экспрессии целлюлозосинтаз семейства CesA в стебле льна. Целлюлозосинтазы первичной клеточной стенки льна (CesA1, CesA6) проявляют динамику роста экспрессии до стадии «елочка», а затем экспрессия постепенно снижается к фазе наступления быстрого роста, тогда как целлюлозосинтазы вторичной клеточной стенки (CesA4, CesA7) характеризуются постоянным увеличением экспрессии от первых дней развития проростков до фазы быстрого роста.

1. Dhaliwal J. S. Natural fibers: applications. Generation, development and modifications of natural fibers. London: IntechOpen, 2020. Pp. 1–23. DOI: https://doi.org/10.5772/intechopen.86884

2. Mohite S., Patil C. K. Linseed Biodiesel – A Review. FLAME 2022: Advances in Fluid and Thermal Engineering. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Singapore: Springer, 2023. Pp. 131–141. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-99-2382-3_11

3. Haag K., Padovani J., Fita S., Trouvé J., Pineau C., Hawkins S., De Jong H., Deyholos M., Chabbert B., Müssig J., Beaugrand J. Influence of flax fibre variety and year-to-year variability on composite properties. Industrial Crops and Products. 2017;98:1–9. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.12.028

4. Pisupati A., Willaert L., Goethals F., Uyttendaele W., Park C. H. Variety and growing condition effect on the yield and tensile strength of flax fibers. Industrial crops and products. 2021;170:113736. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.113736

5. Kvavadze E., Bar-Yosef O., Belfer-Cohen A., Boaretto E., Jakeli N., Matskevich Z., Meshveliani T. 30,000-year-old wild flax fibers. Science. 2009;325(5946):1359. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1175404

6. Gorshkova T., Chernova T., Mokshina N., Ageeva M., Mikshina P. Plant ‘muscles’: fibers with a tertiary cell wall. New Phytologist. 2018;218(1):66–72. DOI: https://doi.org/10.1111/nph.14997

7. Ageeva M., Petrovská B., Kieft H., Sal’nikov V., Snegireva A., Van Dam J., Van Veenendaal W., Emons A., Gorshkova T., Van Lammeren A. Intrusive growth of flax phloem fibers is of intercalary type. Planta. 2005;222:565–574. DOI: https://doi.org/10.1007/s00425-005-1536-2

8. Snegireva A., Chernova T., Ageeva M., Lev-Yadun S., Gorshkova T. Intrusive growth of primary and secondary phloem fibres in hemp stem determines fibre-bundle formation and structure. AoB Plants. 2015;7:plv061. DOI: https://doi.org/10.1093/aobpla/plv061

9. Mokshina N., Chernova T., Galinousky D., Gorshkov O., Gorshkova T. Key stages of fiber development as determinants of bast fiber yield and quality. Fibers. 2018;6(2):20. DOI: https://doi.org/10.3390/fib6020020

10. Gorshkova T., Mokshina N., Chernova T., Ibragimova N., Salnikov V., Mikshina P., Tryfona T., Banasiak A., Immerzeel P., Dupree P., Mellerowicz E. Aspen tension wood fibers contain β-(1→ 4)-galactans and acidic arabinogalactans retained by cellulose microfibrils in gelatinous walls. Plant Physiology. 2015;169(3):2048–2063. DOI: https://doi.org/10.1104/pp.15.00690

11. Lampugnani E. R., Flores-Sandoval E., Tan Q. W., Mutwil M., Bowman J. L., Persson S. Cellulose synthesis – central components and their evolutionary relationships. Trends in Plant Science. 2019;24(5):402–412. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tplants.2019.02.011

12. Daras G., Templalexis D., Avgeri F., Tsitsekian D., Karamanou K., Rigas S. Updating insights into the catalytic domain properties of plant cellulose synthase (CesA) and cellulose synthase-like (Csl) proteins. Molecules. 2021;26(14):4335. DOI: https://doi.org/10.3390/molecules26144335

13. Wilson T. H., Kumar M., Turner S. R. The molecular basis of plant cellulose synthase complex organisation and assembly. Biochemical Society Transactions. 2021;49(1):379–391. DOI: https://doi.org/10.1042/BST20200697

14. Haigler C. H., Roberts A. W. Structure/function relationships in the rosette cellulose synthesis complex illuminated by an evolutionary perspective. Cellulose. 2019;26:227–247. DOI: https://doi.org/10.1007/s10570-018-2157-9

15. Purushotham P., Ho R., Zimmer J. Architecture of a catalytically active homotrimeric plant cellulose synthase complex. Science. 2020;369(6507):1089–1094. DOI: https://doi.org/10.1126/science.abb2978

16. Roach M. J., Deyholos M. K. Microarray analysis of flax (Linum usitatissimum L.) stems identifies transcripts enriched in fibre-bearing phloem tissues. Molecular Genetics and Genomics. 2007;278:149–165. DOI: https://doi.org/10.1007/s00438-007-0241-1

17. Mokshina N., Gorshkov O., Galinousky D., Gorshkova T. Genes with bast fiber-specific expression in flax plants – Molecular keys for targeted fiber crop improvement. Industrial crops and products. 2020;152:112549. DOI: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2020.112549

18. Горбова М. А., Мансапова А. И. Изучение сортов льна-долгунца томской селекции в подтаёжной зоне Омской области. Актуальные вопросы биологии, селекции, технологии возделывания и переработки сельскохозяйственных культур: сб. мат-лов 11-й Всеросс. конф. молодых учёных и специалистов. Краснодар: ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК имени В. С. Пустовойта, 2021. С. 44–49. DOI: https://doi.org/10.25230/conf11-2021-44-49

19. Gorshkova T. A., Sal'nikov V. V., Chemikosova S. B., Ageeva M. V., Pavlencheva N. V., Van Dam J. E. The snap point: a transition point in Linum usitatissimum bast fiber development. Industrial Crops and Products. 2003;18(3):213–221. DOI: https://doi.org/10.1016/S0926-6690(03)00043-8

20. Guenin S., Mauriat M., Pelloux J., Van Wuytswinkel O., Bellini C., Gutierrez L. Normalization of qRT-PCR data: the necessity of adopting a sysematic, experimental conditions-specific, validation of references. Journal of experimental botany. 2009;60(2):487–493. DOI: https://doi.org/10.1093/jxb/ern305

21. Kumar S., Jordan M. C., Datla R., Cloutier S. The LuWD40-1 gene encoding WD repeat protein regulates growth and pollen viability in flax (Linum usitatissimum L.). PloS One. 2013;8(7):e69124. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0069124

22. Thambugala D., Cloutier S. Fatty acid composition and desaturase gene expression in flax (Linum usitatissimum L.). Journal of Applied Genetics. 2014;55:423–432. DOI: https://doi.org/10.1007/s13353-014-0222-0

23. Huis R., Hawkins S., Neutelings G. Selection of reference genes for quantitative gene expression normalization in flax (Linum usitatissimum L.). BMC plant biology. 2010;10:71. DOI: https://doi.org/10.1186/1471-2229-10-71

24. Galinousky D., Padvitski T., Bayer G., Pirko Y., Pydiura N., Anisimova N., Nikitinskaya T., Khotyleva L., Yemets A., Kilchevsky A., Blume Ya. Expression analysis of cellulose synthase and main cytoskeletal protein genes in flax (Linum usitatissimum L.). Cell Biology International. 2019;43(9):1065–1071. DOI: https://doi.org/10.1002/cbin.10837

25. Chantreau M., Chabbert B., Billiard S., Hawkins S., Neutelings G. Functional analyses of cellulose synthase genes in flax (Linum usitatissimum) by virus‐induced gene silencing. Plant biotechnology journal. 2015;13(9):1312–1324. DOI: https://doi.org/10.1111/pbi.12350

26. Mokshina N., Gorshkova T., Deyholos M. K. Chitinase-like (CTL) and cellulose synthase (CESA) gene expression in gelatinous-type cellulosic walls of flax (Linum usitatissimum L.) bast fibers. PLoS One. 2014;9(6):e97949. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0097949