Xác định một dòng đột biến có khả năng chịu lạnh trong cỏ biển (Paspalum vaginatum)

Plant Cell, Tissue and Organ Culture - Tập 140 - Trang 379-387 - 2019
Haifan Shi1, Risheng Huang1, Yajie Liu1, Xiangwei Chen1, Shaoyun Lu2, Zhenfei Guo1
1College of Grassland Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing, China
2State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources, Guangdong Engineering Research Center for Grassland Science, College of Life Sciences, South China Agricultural University, Guangzhou, China

Tóm tắt

Cỏ biển (Paspalum vaginatum Swartz) là một loại cỏ mùa ấm thường được sử dụng với khả năng chịu mặn vượt trội. Nhiệt độ thấp là một trong những điều kiện không thuận lợi chính hạn chế sự phát triển và vùng trồng của nó. Nghiên cứu này đã thiết lập một quy trình tạo đột biến bằng ethyl methanesulfonate (EMS) từ callus phôi sinh và lựa chọn một dòng đột biến cỏ biển với khả năng chịu lạnh tăng cường. Việc điều trị callus phôi sinh bằng 5 giờ với 0,8% EMS đã dẫn đến tỷ lệ sống sót khoảng 50% của callus, được sử dụng để tạo ra các đột biến từ callus phôi sinh của cỏ biển. Một dòng đột biến (A6) với khả năng chịu lạnh tăng cường đã được lựa chọn và xác định từ khoảng 10.000 cây con tái sinh. A6 có TEL50 (nhiệt độ dẫn đến 50% rò rỉ điện giải) thấp hơn và tỷ lệ sống sót cao hơn so với các cây giống hoang dã (WT) của nó sau 7 ngày thích nghi lạnh. Hệ thống phòng thủ chống oxy hóa phản ứng với nhiệt độ thấp ở cả hai kiểu gen, trong khi hoạt tính CAT cao hơn được duy trì ở A6 so với WT sau 3 ngày điều trị lạnh. Trong số bốn gen DREB1/CBF được kích thích bởi điều trị lạnh, mức độ bản sao DREB1A, DREB1D và DREB1E cao hơn đã được quan sát thấy ở A6 so với WT. Nồng độ axit amin tự do phản ứng với điều trị lạnh cũng cho thấy sự khác biệt giữa A6 và WT. Các kết quả cho thấy phản ứng của biểu hiện DREB1/CBFs, hoạt tính CAT và nồng độ axit amin tự do đối với lạnh được thay đổi khác nhau ở A6 so với WT, điều này liên quan đến khả năng chịu lạnh tăng cường ở A6. Một dòng đột biến với khả năng chịu lạnh tăng cường đã được lựa chọn bằng đột biến EMS trong cỏ biển. Nó có hoạt tính catalase cao hơn và các bản sao DREB1/CBFs với các axit amin tự do biến đổi so với WT.

Từ khóa

#cỏ biển #Paspalum vaginatum #đột biến #chịu lạnh #ethyl methanesulfonate #gen DREB1 #hoạt tính catalase

Tài liệu tham khảo

Ashraf M, Foolad MR (2007) Roles of glycine betaine and proline in improving plant abiotic stress resistance. Environ Exp Bot 59:206–216 Bhat R, Upadhyaya N, Chaudhury A, Raghavan C, Qiu FL, Wang HH, Wu JL, McNally K, Leung H, Till B, Henikoff S, Comai L (2007) Chemical and irradiation induced mutants and tilling. In: Upadhyaya NM (ed) Rice functional genomics: challenges, progress and prospects. Springer, New York, pp 149–180 Busey P (1980) Gamma ray dosage and mutation breeding in St. Augustinegrass. Crop Sci 20:81–184 Chen C, Lu S, Chen Y, Wang Z, Niu Y, Guo Z (2009) A gamma-ray induced dwarf mutant from seeded bermudagrass and its physiological responses to drought stress. J Am Soc Hort Sci 134:22–30 Chen J, Guo Z, Fang J, Lu S (2013) Physiological responses of a centipedegrass mutant to chilling stress. Agron J 105:1814–1820 Cuevas JC, López-Cobollo R, Alcázar P, Zarza X, Koncz C, Altabella T, Salinas J, Tiburcio AF, Ferrando A (2008) Putrescine is involved in Arabidopsis freezing tolerance and cold acclimation by regulating abscisic acid levels in response to low temperature. Plant Physiol 148:1094–1105 Cyril J, Powell GL, Duncan RR, Baird WV (2002) Changes in membrane polar lipid fatty acids of seashore paspalum in response to low temperature exposure. Crop Sci 42:2031–2037 Dickens R, Johnston WJ, Haaland RL (1981) Variability observed in centipedegrass grown from 60Co irradiated seed. Agron J 73:674–676 Dubouzet JG, Sakuma Y, Ito Y, Kasuga M, Dubouzet EG, Miura S, Seki M, Shinozaki K, Shinozaki KY (2003) OsDREB genes in rice (Oryza sativa L.) encode transcription activators that function in drought-, high-salt- and cold-responsive gene expression. Plant J 334:751–763 Erpen L, Devi HS, Grosser JW, Dutt M (2017) Potential use of the DREB/ERF, MYB, NAC and WRKY transcription factors to improve abiotic and biotic stress in transgenic plants. Plant Cell Tiss Org 132:1–25 Fang C, Wang C, Wang P, Tang Y, Wang X, Cui F, Yu S (2012) Identification of a novel mutation in FAD2B from a peanut ems mutant with elevated oleate content. J Oleo Sci 61(3):143–148 Farnese FS, Menezes-Silva PE, Gusman GS, Oliveira JA (2016) When bad guys become good ones: the key role of reactive oxygen species and nitric oxide in the plant responses to abiotic stress. Front Plant Sci 7:471 Ge H, Li Y, Fu H, Long G, Luo L, Li R, Deng Z (2015) Production of sweet orange somaclones tolerant to citrus canker disease by in vitro mutagenesis with EMS. Plant Cell Tiss Org Cult 123:29–38 Gilmour SJ, Fowler SG, Thomashow MF (2004) Arabidopsis transcriptional activators CBF1, CBF2, and CBF3 have matching functional activities. Plant Mol Biol 54:767–781 Greene EA, Codomo CA, Taylor NE, Henikoff JG, Henikoff S (2003) Spectrum of chemically induced mutations from a large-scale reverse-genetic screen in Arabidopsis. Genetics 164:731–740 Hanna WW, Elsner JE (1999) Registration of TifEagle bermudagrass. Crop Sci 39:1258 Hanna WW, Dobson J, Duncan RR, Thompson D (1997) Registration of ‘TifBlair’ centipedegrass. Crop Sci 37:1017 Heidarvand L, Amiri RM (2010) What happens in plant molecular responses to cold stress? Acta Physiol Plant 32:419–431 Ibitayo OO, Butler JD (1981) Cold hardiness of bermudagrass and Paspalum vaginatum Sw. HortSci 16:683–684 Jabeen N, Mirza B (2002) Ethyl methane sulfonate enhances genetic variability in Capsicum annum. Asian J Plant Sci 1:425–428 Jander G, Baerson SR, Hudak JA, Gonzalez KA, Gruys KJ, Last RL (2003) Ethyl methane sulfonate saturation mutagenesis in Arabidopsis to determine frequency of herbicide resistance. Plant Physiol 131:139–146 Jency JP, Ravikesavan R, Sumathi P, Raveendran M (2017) Effect of chemical mutagen on germination percentage and seedling parameters in Kodomillet variety Co 3. Int J Chem Stud 5:166–169 Jin W, Liu G, Yang X (2005) Callus mutation with EMS and drought-resistant mutants selection for wheat. Chin Agric Sci Bull 21:190–193 Kovács Z, Simon-Sarkadi L, Sovány C, Kirsch K, Galiba G, Kocsy G (2011) Differential effects of cold acclimation and abscisic acid on free amino acid composition in wheat. Plant Sci 180:61–68 Kumar K, Gill MIS, Kaur H, Choudhary OP, Gosal SS (2010) In vitro mutagenesis and somaclonal variation assisted salt tolerance in ‘rough lemon’ (Citrus jambhiri Lush.). Eur J Hort Sci 75:233–238 Latha GM, Raman KV, Lima JM, Pattanayak D, Singh AK, Chinnusamy V (2019) Genetic engineering of indica rice with AtDREB1a gene for enhanced abiotic stress tolerance. Plant Cell Tiss Org 136:173–188 Lee YI, Lee IS, Lim YP (2002a) Variation in sweet potato regenerates from gamma-rays irradiated embryogenic callus. J Plant Biotechnol 4:163–170 Lee YI, Lee IS, Lim YP (2002b) Variation in sweet potato regenerates from gamma-rays irradiated embryogenic callus. J Plant Biotechnol 4:163–170 Li R, Bruneau AH, Qu R (2010) Morphological mutants of St. Augustinegrass induced by gamma ray irradiation. Plant Breeding 129:412–416 Liu B, Zhou Y, Lan W, Zhou Q, Liu G (2019) LlDREB1G, a novel DREB subfamily gene from Lilium longiflorum, can enhance transgenic Arabidopsis tolerance to multiple abiotic stresses. Plant Cell Tiss Org 138:489–506 Lu S, Wang Z, Niu Y, Chen Y, Chen H, Fan Z, Lin J, Yan K, Guo Z, Li H (2009) Gamma-ray radiation induced dwarf mutants of turf-type bermudagrass. Plant Breed 128:205–209 Lu S, Wang X, Guo Z (2013) Differential responses to chilling in Stylosanthes guianensis (Aublet) Sw. and its mutants. Agron J 105:377–382 Mao D, Chen C (2012) Colinearity and similar expression pattern of rice DREB1s reveal their functional conservation in the cold-responsive pathway. PLoS ONE 7:e47275 Micke A, Donni B, Maluszynski M (1990) Induced mutations for crop improvement. Mutat Breed Rev 7:1–2 Muthusamy A, Vasanth K, Sivasankari D, Chandrasekar BR, Jayabalan N (2007) Effects of mutagens on somatic embryogenesis and plant regeneration in groundnut. Biol Plant 51:430–435 Nakashima K, Yamaguchi-Shinozaki K (2006) Regulons involved in osmotic stress-responsive and cold stress-responsive gene expression in plants. Physiol Plant 126:62–71 Pennycooke JC, Cheng H, Stockinger EJ (2008) Comparative genomic sequence and expression analyses of Medicago truncatula and alfalfa subspecies falcata COLD-ACCLIMATION-SPECIFIC genes. Plant Physiol 146:1242–1254 Predieri S (2001) Mutation induction and tissue culture in improving fruits. Plant Cell Tiss Org Cult 64:185–210 Rai VK (2002) Role of amino acids in plant responses to stresses. Biol Plant 45:481–487 Sattler S, Palmer N, Saballos A, Greene A, Xin Z, Sarath G, Vermerris W, Pedersen JF (2013) Identification and characterization of four missense mutations in Brown midrib 12 (Bmr12), the caffeic O-methyltranferase (COMT) of sorghum. BioEnergy Res 6:402–403 Shahba MA (2010) Comparative responses of bermudagrass and seashore paspalum cultivars commonly used in Egypt to combat salinity stress. Hortic Environ Biotechnol 51:383–390 Shahba MA, Alshammary SF, Abbas MS (2012) Effects of salinity on seashore paspalum cultivars at different mowing heights. Crop Sci 52:1358–1370 Thomashow MT (2010) Molecular basis of plant cold acclimation: insights gained from studying the CBF cold response pathway. Plant Physiol 154:571–577 Uddin MK, Juraimi AS, Ismail MR, Hossain MA, Othman R, Rahim AA (2012) Physiological and growth responses of six turfgrass species relative to salinity tolerance. Sci World J 2012:1–10 Wu X, Shi H, Chen X, Liu Y, Guo Z (2018a) Establishment of Agrobacterium-mediated transformation of seashore paspalum (Paspalum vaginatum O. Swartz. In Vitro Cell Dev Biol 54:545–552 Wu X, Shi H, Guo Z (2018b) Overexpression of a NF-YC gene results in enhanced drought and salt tolerance in transgenic seashore paspalum. Front Plant Sci 9:1355 Yoshihara R, Nozawa S, Hase Y, Narumi I, Hidema J, Sakamoto AN (2013) Mutational effects of γ-rays and carbon ion beams on Arabidopsis seedlings. J Radiat Res 54:1050–1056 Zhai X, Wang W, Zhang F, Zhang T, Zhao W, Fu B, Li Z (2013) Temporal profiling of primary metabolites under chilling stress and its association with seedling chilling tolerance of rice (Oryza sativa L.). Rice 6:23 Zhuo C, Wang T, Guo Z, Lu S (2016) Overexpression of MfPIP2-7 from Medicago falcata promotes cold tolerance and growth under NO3- deficiency in transgenic tobacco plants. BMC Plant Biol 16:138