Молекулярно-генетические механизмы регуляции дигидрофлавонол редуктазы и транскрипционного фактора Hy5 экзогенной 5-аминолевулиновой кислотой в проростках озимого рапса

Изучено влияние экзогенной 5-аминолевулиновой кислоты (АЛК) на активность дигидрофлавонол-4-редуктазы (DFR), экспрессию dfr гена и hy5 гена транскрипционного фактора Hy5, а также действие света разной интенсивности в сочетании с действием АЛК на накопление антоцианов в семядольных листьях озимого рапса (Brassica napus L.). Показано, что стимуляция накопления антоцианов под действием экзогенной АЛК на молекулярном уровне обеспечивается повышением уровня экспрессии dfr и hy5 генов, а также возрастанием активности DFR фермента. Увеличение интенсивности света от 40,5 до 66,2 мкмоль фотонов/м²·с приводило к повышению способности растений накапливать антоцианы в среднем на 35 %. Действие АЛК в концентрациях 50, 100, 150 и 200 мг/л приводило к дополнительному усилению накопления антоцианов при двух используемых уровнях освещенности, причем в дозозависимой манере. При этом величина стимулирующего эффекта АЛК при использовании света высокой интенсивности была выше, чем в случае более низкой освещенности. Так, стимуляция накопления антоцианов при освещенности 40,5 мкмоль фотонов/м²·с составила 106 % при использовании 50 мг/л АЛК, 165 % – при использовании 100 мг/л АЛК, 222 % – в случае 150 мг/л АЛК и 350 % – при действии 200 мг/л АЛК по сравнению со световым контролем без обработки растений АЛК. При освещенности 66,2 мкмоль фотонов/м²·с эти показатели были 164, 262, 359 и 583 % соответственно по отношению к световому контролю. Таким образом, продемонстрировано, что стимуляция накопления антоцианов под действием АЛК в растениях озимого рапса обусловлена на молекулярном уровне ее влиянием на транскрипцию dfr и hy5 генов.

1. Peer, W. A. Flavonoids as Signal Molecules: Targets of Flavonoid Action / W. A. Peer, A. S. Murphy // The Science of Flavonoids / ed. by P. E. Grotewald. – N. y., 2008. – Ch. 9. – P. 239–268. https://doi.org/10.1007/978-0-387-28822-2_9

2. Shi, M. Z. Biosynthesis and metabolic engineering of anthocyanins in Arabidopsis thaliana / M. Z. Shi, D. y. Xie // Recent Pat Biotechnol. – 2014. – Vol. 8, N 1. – P. 47–60. https://doi.org/10.2174/1872208307666131218123538

3. Wang, H. Oxygen Radical Absorbing Capacity of Anthocyanins / H. Wang, G. Cao, R. L. Prior // J. Agric. Food Chem. – 1997. – Vol. 45, N 2. – P. 304–309. https://doi.org/10.1021/jf960421t

4. Environmental regulation of leaf colour in red 35S:PAP1 Arabidopsis thaliana / D. D. Rowan [et al.] // New Phytol. – 2009. – Vol. 182, N 1. – P. 102–115. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2008.02737.x

5. Functional Genomics by Integrated Analysis of Metabolome and Transcriptome of Arabidopsis Plants Over-Expressing an MyB Transcription Factor / T. Tohge [et al.] // Plant J. – 2005. – Vol. 42, N 2. – P. 218–235. https://doi.org/10.1111/j.1365-313x.2005.02371.x

6. Аверина, Н. Г. Биосинтез тетрапирролов в растениях / Н. Г. Аверина, Е. Б. Яронская. – Минск, 2012. – 413 c.

7. Proteomic and SSH analyses of ALA-promoted fruit coloration and evidence for the involvement of a MADS-BOX gene, MdMADS1 / X. Feng [et al.] // Front. Plant Sci. – 2016. – Vol. 7. – P. 1615. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01615

8. Effects of 5-Aminolevulinic Acid on Chlorophyll, Photosynthesis, Soluble Sugar and Flavonoids of Ginkgo biloba / F. Xu [et al.] // Notulae Botanicae Horti Agrobotanici Cluj-Napoca. – 2011. – Vol. 39, N 1. – P. 41–47. https://doi.org/10.15835/nbha3915880

9. Индукция накопления антоцианов и состояние защитной системы в растениях озимого рапса, обработанных 5-аминолевулиновой кислотой / Н. Г. Аверина [и др.] // Физиол. растений. – 2017. – Т. 64, № 3. – С. 173–182.

10. Enhanced dihydroflavonol-4-reductase activity and NAD homeostasis leading to cell death tolerance in transgenic rice / M. Hayashi [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2005. – Vol. 102, N 19. – P. 7020–7025. https://doi.org/10.1073/pnas.0502556102

11. Proanthocyanidin biosynthesis in the seed coat of yellow-seeded, canola quality Brassica napus yN01-429 is constrained at the committed step catalyzed by dihydroflavonol 4-reductase / L. Akhov [et al.] // Botany. – 2009. – Vol. 87, N 6. – P. 616–625. https://doi.org/10.1139/b09-036

12. Gangappa, S. N. The Multifaceted Roles of Hy5 in Plant Growth and Development / S. N. Gangappa, J. F. Botto // Molecular Plant. – 2016. – Vol. 9, N 10. – P. 1353–1365. https://doi.org/10.1016/j.molp.2016.07.002

13. Exogenous application of 5-aminolevulinic acid increases the transcript levels of sulfur transport and assimilatory genes, sulfate uptake, and cysteine and glutathione contents in Arabidopsis thaliana / A. Maruyama-Nakashita [et al.] // Soil Sci. Plant Nutr. – 2010. – Vol. 56, N 2. – P. 281–288. https://doi.org/10.1111/j.1747-0765.2010.00458.x

14. Evidence for a Contribution of ALA Synthesis to Plastid-To-Nucleus Signaling / O. Czarnecki [et al.] // Frontiers in Plant Science. – 2012. – Vol. 3. https://doi.org/10.3389/fpls.2012.00236

15. Beizaei, Z. Response of nitrate reductase to exogenous application of 5-aminolevulinic acid in barley plants / Z. Beizaei, R. A. Sherbakov, N. G. Averina // J. Plant Growth Regul. – 2014. – Vol. 33, N 4. – P. 745–750. https://doi.org/10.1007/s00344-014-9422-4