danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2024-68-1-46-54dan-1174Research ArticleБИОЛОГИЯBIOLOGYМолекулярные механизмы регуляции биосинтеза антоцианов, фотосинтез и морозоустойчивость проростков озимой пшеницы, обработанных 5-аминолевулиновой кислотойMolecular mechanisms of regulation of anthocyanine biosynthesis, photosynthesis, and frost resistance of winter wheat seedlings treated with the 5-aminolevulic acidАверинаН. Г.AverinaN. G.

Аверина Наталья Георгиевна – д-р биол. наук, гл. науч. сотрудник, профессор.

Ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Averina Natalya G. – D. Sc. (Biology), Chief Researcher, Professor.

27, Akademicheskaya Str., 220072

averina@ibp.org.byСавинаС. М.SavinaS. M.

Савина Светлана Михайловна – канд. биол. наук, ст. науч. сотрудник.

Ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Savina Svetlana M. – Ph. D. (Biology), Senior Researcher.

27, Akademicheskaya Str., 220072

svetlanapavluchkova@yandex.ruЕмельяноваА. В.YemelyanavaA. V.

Емельянова Анна Викторовна – канд. биол. наук, ст. науч. сотрудник.

Ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Emelyanova Anna V. – Ph. D. (Biology), Senior Researcher.

27, Akademicheskaya Str., 220072

yashchuk.anna@mail.ruДремукИ. А.DremukI. A.

Дремук Ирина Александровна – канд. биол. наук, ст. науч. сотрудник.

Ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Dremuk Irina A. – Ph. D. (Biology), Senior Researcher.

27, Akademicheskaya Str., 220072

irinadremuk@yandex.ruПрищепчикЮ. В.PrischepchikYu. V.

Прищепчик Юлия Владимировна – мл. науч. сотрудник.

Ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Prishchepchik Yulia V. – Junior Researcher.

27, Akademicheskaya Str., 220072

yuliya_prishchepchik@mail.ruИнститут биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук БеларусиInstitute of Biophysics and Cell Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus2024040320246814654Copyright © Аверина Н.Г., Савина С.М., Емельянова А.В., Дремук И.А., Прищепчик Ю.В., 20242024Аверина Н.Г., Савина С.М., Емельянова А.В., Дремук И.А., Прищепчик Ю.В.Averina N.G., Savina S.M., Yemelyanava A.V., Dremuk I.A., Prischepchik Y.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/1174

Установлено, что в обогащенных антоцианами колеоптилях озимой пшеницы сорта ЭтW5 экзогенная 5-аминолевулиновая кислота (АЛК) в 1,5 раза увеличила содержание антоцианов и повысила уровень экспрессии структурных (PAL, CHS) и регуляторного (PAP-1) генов пути биосинтеза антоцианов. В колеоптилях растений сорта Влади, содержащих в 33 раза меньшее количество антоцианов по сравнению с сортом ЭтW5, экспрессия CHS и PAP-1 была снижена и дополнительно заингибирована с помощью АЛК. Таким образом, генетическая активность фенилпропаноидного и флавоноидного участков пути биосинтеза антоцианов показывает отчетливую сортоспецифичность и зависимость от уровня антоцианов. АЛК значительно снизила тепловую диссипацию энергии возбуждения в комплексах ФСII у обогащенного антоцианами сорта ЭтW5 и существенно повысила уровень этих процессов у сорта Влади. Отмечена сортоспецифичность в уровнях морозостойкости двух сортов – высокий (88 % выживших растений, подвергшихся действию температуры –8 °С в течение 5 ч) у сорта ЭтW5 и более низкий (80 %) у сорта Влади. АЛК повысила морозоустойчивость обоих сортов за счет увеличения содержания антоцианов и пролина в колеоптилях сорта ЭтW5 и большего содержания пролина у сорта Влади.

It was found that in anthocyanin-enriched coleoptiles of winter wheat EtW5 variety, the exogenous 5-aminolevulinic acid (ALA) increased the content of anthocyanins by a factor of 1.5 and the expression level of structural (PAL, CHS) and regulatory (PAP-1) genes of the anthocyanin biosynthesis pathway. In coleoptiles of Vladi plants containing 33 times less anthocyanins compared to EtW5, the expression of CHS and PAP-1 was reduced and additionally inhibited by ALA. Thus, the genetic activity of the phenylpropanoid and flavonoid sites of the anthocyanin biosynthesis pathway shows distinct variety specificity and a dependence on the level of anthocyanins. ALA significantly reduced the thermal dissipation of excitation energy in PSII complexes in the EtW5 variety enriched with anthocyanins and significantly increased the level of these processes in the Vladi variety. Variety-specificity was noted in the levels of frost resistance of two varieties – high (88 % of surviving plants exposed to a temperature of –8 °С for 5 hours) in the EtW5 variety and lower (80 %) in the Vladi variety. ALA increased the frost resistance of both varieties due to an increase in the content of anthocyanins and proline in the coleoptiles of the EtW5 variety and a higher proline content in the Vladi variety.

Triticum aestivum L.колеоптилиантоцианыпролин5-аминолевулиновая кислота (АЛК)АЛК-дегидратазапорфобилиногеназагены PALCHSPAP-1показатели фотосинтезаморозоустойчивостьTriticum aestivum L.coleoptilesanthocyaninsproline5-aminolevulinic acid (ALA)ALA-dehydrataseporphobilinogenasegenes PALCHSPAP-1photosynthesis parametersfrost resistanceРабота выполнена при финансовой поддержке БРФФИ (договор № Б20ГРМГ-001). Авторы также выражают благодарность канд. биол. наук, доценту С. И. Гордею – руководителю отдела озимых зерновых культур в РУП «Научно-практический центр НАН Беларуси по земледелию» за предоставление семян сортов озимой пшеницыThe work was supported by the BRFFR (contract no. Б20ГРМГ-001). The authors also express their sincere gratitude to Ph. D. (Biology), Associate Professor S. I. Gordey – Head of the Department of winter grain crops in RUE “Scientific and Practical Center of the National Academy of Sciences of Belarus for Agriculture” for providing seeds of winter wheat varietiesReferencesPeer, W. A. Flavonoids as Signal Molecules: Targets of Flavonoid Action / W. A. Peer, A. S. Murphy // The Science of Flavonoids. – 2008. – P. 239–268. https://doi.org/10.1007/978-0-387-28822-2_9Peer W. A., Murphy A. S. Flavonoids as Signal Molecules: Targets of Flavonoid Action. The Science of Flavonoids, 2008, pp. 239–268. https://doi.org/10.1007/978-0-387-28822-2_9Zhao, H. J. Protective effects of exogenous antioxidants and phenolic compounds on photosynthesis of wheat leaves under high irradiance and oxidative stress / H. J. Zhao, Q. Zou // Photosynthetica. – 2002. – Vol. 40, N 4. – P. 523–527. https://doi.org/10.1023/a:1024339716382Zhao H. J., Zou Q. Protective effects of exogenous antioxidants and phenolic compounds on photosynthesis of wheat leaves under high irradiance and oxidative stress. Photosynthetica, 2002, vol. 40, no. 4, pp. 523–527. https://doi.org/10.1023/a:10243397163825-Aminolevulinic acid affects fruit coloration, growth, and nutrition quality of Litchi chinensis Sonn. cv. Feizixiao in Hainan, tropical China / S. Feng [et al.] // Sci. Hortic. – 2015. – Vol. 193. – P. 188–194. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.07.010Feng S., Li M. F., Wu F., Li W.-L., Li S.-P. 5-Aminolevulinic acid affects fruit coloration, growth, and nutrition quality of Litchi chinensis Sonn. cv. Feizixiao in Hainan, tropical China. Scientia Horticulturae, 2015, vol. 193, pp. 188–194. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.07.010Zhang, Zh. Effects of 5-aminolevulinic acid on Anthocyanin synthesis in Vitis Vinifera ‘Crimson Seedless’ grapes at the transcriptomics level / Zh. Zhang // J. Horticultural Sci. Biotechnol. – 2021. – Vol. 96, N 6. – P. 797–807. https://doi.org/10.1080/14620316.2021.1930589Zhang Zh., Liu L., Chang X., He W., Liu J., Zhao B., Sun J. Effects of 5-aminolevulinic acid on Anthocyanin synthesis in Vitis Vinifera ‘Crimson Seedless’ grapes at the transcriptomics level. Journal of Horticultural Science and Biotechnology, 2021, vol. 96, no. 6, pp. 797–807. https://doi.org/10.1080/14620316.2021.1930589Молекулярно-генетические механизмы регуляции дигидрофлавонол редуктазы и транскрипционного фактора HY5 экзогенной 5-аминолевулиновой кислотой в проростках озимого рапса / Н. Г. Аверина [и др.] // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2020. – Т. 64, № 3. – С. 317–324. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2020-64-3-317-324Averina N. G., Yemelyanava H. V., Kaliaha T. G., Savina S. M. Molecular-genetic mechanisms of regulation of digydroflavonol reducase and transcription factor HY5 by exogenous 5-aminolevulinic acid in winter rape plants. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2020, vol. 64, no. 3, pp. 317–324 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8323-2020-64-3-317-324Молекулярно-генетические механизмы формирования окраски плодов и семян растений / В. Ф. Аджиева [и др.] // Вавиловский журн. генетики и селекции. – 2015. – Т. 19, № 5. – С. 561–573. https://doi.org/10.18699/vj15.073Adzhieva V. F., Babak O. G., Shoeva O. Y., Kilchevsky A. V., Khlestkina E. K. Molecular-genetic mechanisms underlying fruit and seed coloration in plants. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2015, vol. 19, no. 5, pp. 561–573. https://doi.org/10.18699/vj15.073Shoeva, O. Yu. Anthocyanins participate in the protection of wheat seedlings against cadmium stress / O. Yu. Shoeva, E. K. Khlestkina // Cereal Research Communications. – 2018. – Vol. 46, N 2. – P. 242–252. https://doi.org/10.1556/0806.45.2017.070Shoeva O. Yu., Khlestkina E. K. Anthocyanins participate in the protection of wheat seedlings against cadmium stress. Cereal Research Communications, 2018, vol. 46, no. 2, pp. 242–252. https://doi.org/10.1556/0806.45.2017.070Anthocyanins participate in protection of wheat seedlings from osmotic stress / O. Yu. Shoeva [et al.] // Cereal Research Communications. – 2017. – Vol. 45, N 1. – P. 47–56. https://doi.org/10.1556/0806.44.2016.044Shoeva O. Yu., Gordeeva E. I., Arbuzova V. S., Khlestkina E. K. Anthocyanins participate in protection of wheat seedlings from osmotic stress. Cereal Research Communications, 2017, vol. 45, no. 1, pp. 47–56. https://doi.org/10.1556/0806.44.2016.044Mabry, T. J. The systematic identification of flavonoids / T. J. Mabry, K. R. Markham, M. B. Thomas. – Berlin: Heidelberg, 1970. – P. 261–266. https://doi.org/10.1007/978-3-642-88458-0Mabry T. J., Markham K. R., Thomas M. B. The systematic identification of flavonoids. Berlin, Heidelberg, 1970, pp. 261–266. https://doi.org/10.1007/978-3-642-88458-0Шлык, А. А. О спектрофотометрическом определении хлорофиллов а и b / А. А. Шлык // Биохимия. – 1968. – Т. 33, вып. 2. – С. 275–285.Shlyk A. A. On spectrophotometric determination of chlorophylls a and b. Biokhimiya = Biochemistry, 1968, vol. 33, no. 2, pp. 275–285.Misra, N. Effect of Salt Stress on Proline Metabolism in Two High Yielding Genotypes of Green Gram / N. Misra, A. K. Gupta // Plant Sci. – 2005. – Vol. 169, N 2. – P. 331–339. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2005.02.013Misra N., Gupta A. K. Effect of Salt Stress on Proline Metabolism in Two High Yielding Genotypes of Green Gram. Plant Science, 2005, vol. 169, no. 2, pp. 331–339. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2005.02.013Kruse E., Mock H.-P., Grimm B. Coproporphyrinogen III oxidase from barley and tobacco – sequence analysis and initial expression studies / E. Kruse, H.-P. Mock, B. Grimm // Planta. – 1995. – Vol. 196. – P. 796–803. https://doi.org/10.1007/bf01106776Kruse E., Mock H.-P., Grimm B. Coproporphyrinogen III oxidase from barley and tobacco – sequence analysis and initial expression studies. Planta, 1995, vol. 196, pp. 796–803. https://doi.org/10.1007/bf01106776Shemin, D. Delta-aminolevulinic acid degydrase from Rhodopseudomonas sphaeroides / D. Shemin // Methods in Enzymology / eds. S. P. Colowick, N. O. Koplan. – Academic Press, 1962. – Vol. 5. – P. 883–884. https://doi.org/10.1016/s00766879(62)05333-1Shemin D. Delta-aminolevulinic acid degydrase from Rhodopseudomonas sphaeroides. Colowick S. P., Koplan N. O., eds. Methods in Enzymology. Academic Press, 1962, vol. 5, pp. 883–884. https://doi.org/10.1016/s0076-6879(62)05333-1Аверина, Н. Г. Метаболические перестройки и регуляция биосинтеза антоцианов в растениях озимого рапса (Brassica napus L.) под действием 5-аминолевулиновой кислоты / Н. Г. Аверина, А. В. Емельянова // Сб. тез. конф. «Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем». – Минск, 2022. – С. 49.Averina N. G., Emel’yanova A. V. Metabolic rearrangements and regulation of anthocyanin biosynthesis in winter rapeseed plants (Brassica napus L.) under the influence of 5-aminolevulinic acid. Molekulyarnye, membrannye i kletochnye osnovy funktsionirovaniya biosistem: sbornik tezisov konferentsii [Molecular, membrane and cellular basis of the functioning of biosystems: Collection of abstracts from the conference]. Minsk, 2022, pp. 49 (in Russian).The genomes uncoupled – dependent signaling pathway coordinates plastid biogenesis with the synthesis of anthocyanins / A. S. Richter [et al.] // Phil. Trans. R. Soc. B. – 2020. – Vol. 375, N 1801. – P. 1–13. https://doi.org/10.1098/rstb.2019.0403Richter A. S., Tohge T., Femie A. R., Grimm B. The genomes uncoupled – dependent signaling pathway coordinates plastid biogenesis with the synthesis of anthocyanins. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2020, vol. 375, no. 1801, pp. 1–13. https://doi.org/10.1098/rstb.2019.0403

The authors declare that there are no conflicts of interest present.