Влияние холодового стресса на уровень экспрессии отдельных CBF-генов у сортов озимой пшеницы в моделируемых условиях

Проведено исследование уровня экспрессии генов CBF3, CBF15.2, CBF19, CBF21 методом ПЦР в режиме реального времени в условиях моделирования холодового стресса у сортов озимой пшеницы Иркутская, Гирлянда и Кубус, обладающих различным уровнем морозостойкости. Показано, что ген CBF3 не экспрессируется при температуре +4 °С. Уровень его экспрессии возрастает по мере снижения температуры до –4 °С и достигает максимума у сорта Гирлянда, превышая значения в контроле в 407 и 363 раза через 2 и 24 ч соответственно. Для гена CBF15.2 выявлено 2 основных пика экспрессии у всех исследуемых сортов через 2 ч после снижения температуры до –2 °С и через 2 ч после снижения температуры до –4 °С. Профиль экспрессии гена CBF19 характеризуется самой выраженной реакцией на воздействие холодового стресса у исследуемых сортов при снижении температуры до +4 °С, а также через 24 ч при ее снижении до –2 °С у сортов Иркутская и Кубус. Наибольшее увеличение уровня экспрессии гена CBF21 (в 45 раз) выявлено для сорта Гирлянда через 24 ч после снижения температуры до –2 °С. Результаты показывают, что уровень экспрессии генов увеличивается как на начальных (гены CBF19 и CBF21), так и на промежуточных (гены CBF3, CBF15.2, CBF19 и CBF21) и конечных этапах (гены CBF3 и CBF15.2) моделирования холодового стресса. Он зависит от генотипа и в целом больше у зимостойкого сорта Гирлянда. Результаты могут быть использованы для оценки потенциала устойчивости образцов пшеницы к холодовому воздействию.

1. Сельское хозяйство Республики Беларусь: cтат. буклет / Нац. стат. ком. Респ. Беларусь; редкол.: И. В. Медведе- ва (пред.) [и др.]. – Мн.: Информ.-вычисл. центр Нац. стат. ком. Респ. Беларусь. – 2025. – 36 с.

2. Phenology and related traits for wheat adaptation / J. Hyles, M. T. Bloomfield, J. R. Hunt [et al.] // Heredity. – 2020. – Vol. 125, N 6. – P. 417–430. https://doi.org/10.1038/s41437-020-0320-1

3. Genetic diversity and relationship between domesticated rye and its wild relatives as revealed through genotyping-bysequencing / M. Schreiber, A. Himmelbach, A. Börner, M. Mascher // Evolutionary Applications. – 2019. – Vol. 12, N 1. – P. 66–77. https://doi.org/10.1111/eva.12624

4. Bond, D. M. The low temperature response pathways for cold acclimation and vernalization are independent / D. M. Bond, E. S. Dennis, E. J. Finnegan // Plant, Cell and Environment. – 2011. – Vol. 34, N 10. – P. 1737–1748. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2011.02370.x

5. HvVRN2 Responds to Daylength, whereas HvVRN1 Is Regulated by Vernalization and Developmental Status / B. Tre - vaskis, M. N. Hemming, W. J. Peacock, E. S. Dennis // Plant Physiology. – 2006. – Vol. 140, N 4. – P. 1397–1405. https://doi.org/10.1104/pp.105.073486

6. Thomashow, M. F. Molecular Basis of Plant Cold Acclimation: Insights Gained from Studying the CBF Cold Response Pathway / M. F. Thomashow // Plant Physiology. – 2010. – Vol. 154, N 2. – P. 571–577. https://doi.org/10.1104/pp.110.161794

7. COR/LEA Proteins as Indicators of Frost Tolerance in Triticeae: A Comparison of Controlled versus Field Conditions / K. Kosová, M. Klíma, I. T. Prášil, P. Vítámvás // Plants. – 2021. – Vol. 10, N 4. – P. 1–13. https://doi.org/10.3390/plants10040789

8. A major quantitative trait locus for cold-responsive gene expression is linked to frost-resistance gene Fr-A2 in common wheat / Y. Motomura, F. Kobayashi, J. C. M. Iehisa, Sh. Takumi // Breeding Science. – 2013. – Vol. 63, N 1. – P. 58–67. https:// doi.org/10.1270/jsbbs.63.58

9. Kobayashi, F. Transcriptional activation of Cor/Lea genes and increase in abiotic stress tolerance through expression of a wheat DREB2 homolog in transgenic tobacco / F. Kobayashi, M. Ishibashi, S. Takumi // Transgenic Research. – 2008. – Vol. 17, N 5. – P. 755–767. https://doi.org/10.1007/s11248-007-9158-z

10. Gilmour, S. J. Arabidopsis Transcriptional Activators CBF1, CBF2, and CBF3 have Matching Functional Activities / S. J. Gilmour, S. G. Fowler, M. F. Thomashow // Plant Molecular Biology. – 2004. – Vol. 54, N 5. – P. 767–781. https://doi.org/10.1023/B:PLAN.0000040902.06881.d4

11. Improvement of stress tolerance of wheat and barley by modulation of expression of DREB/CBF factors / S. Morran, O. Eini, T. Pyvovarenko [et al.] // Plant Biotechnology Journal. – 2011. – Vol. 9, N 2. – P. 230–249. https://doi.org/10.1111/j.1467-7652.2010.00547.x

12. Wheat CBF gene family: identification of polymorphisms in the CBF coding sequence / S. Mohseni, H. Che, Z. Djillali, [et al.] // Genome. – 2012. – Vol. 55, N 12. – P. 865–881. https://doi.org/10.1139/gen-2012-0112

13. International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC). Shifting the limits in wheat research and breeding using a ful-ly annotated reference genome / International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC), R. Appels, K. Eversole, N. Stein [et al.] // Science. – 2018. – Vol. 361, N 6403. – P. eaar7191. https://doi.org/10.1126/science.aar7191

14. Cbfgenes of the Fr-A2 allele are differentially regulated between long-term cold acclimated crown tissue of freezeresistant and – susceptible, winter wheat mutant lines / F. Sutton, D.-G. Chen, X. Ge, D. Kenefick // BMC Plant Biology. – 2009. – Vol. 9. – Art. 34. https://doi.org/10.1186/1471-2229-9-34

15. The expression of CBFgenes at Fr-2 locus is associated with the level of frost tolerance in Bulgarian winter wheat cultivars / E. G. Todorovska, S. Kolev, N. K. Christov [et al.] // Biotechnology and Biotechnological Equipment. – 2014. – Vol. 28, N 3. – P. 392–401. https://doi.org/10.1080/13102818.2014.944401

16. The expression of several Cbf genes at the Fr-A2 locus is linked to frost resistance in wheat / A. Vagujfalvi, A. Aprile, A. Miller [et al.] // Molecular Genetics and Genomics. – 2005. – Vol. 274, N 5. – P. 506–514. https://doi.org/10.1007/s00438005-0047-y

17. Identification of candidate CBF genes for the frost tolerance locus Fr-Am2 in Triticum monococcum / A. K. Knox, C. X. Li, A. Vagujfalvi [et al.] // Plant Molecular Biology. – 2008. – Vol. 67, N 3. – P. 257–270. https://doi.org/10.1007/s11103-008-9316-6

18. Assessment of candidate reference genes for the expression studies with brassinosteroids in Lolium perenne and Triticum aestivum / B. Jurczyk, E. Pociecha, A. Janeczko [et al.] // Journal of Plant Physiology. – 2014. – Vol. 171, N 16. – P. 1541–1544. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2014.07.008

19. Livak, K. J. Analysis of Relative Gene Expression Data Using Real-Time Quantitative PCR and the 2−ΔΔCT Method / K. J. Livak, T. D. Schmittgen // Methods. – 2001. – Vol. 25, N 4. – P. 402–408. https://doi.org/10.1006/meth.2001.1262

20. Plant responses to cold: transcriptome analysis of wheat / M. O. Winfield, C. Lu, I. D. Wilson [et al.] // Plant Biotechnology Journal. – 2010. – Vol. 8, N 7. – P. 749–771. https://doi.org/10.1111/j.1467-7652.2010.00536.x