bioselБиотехнология и селекция растенийPlant Biotechnology and Breeding2658-62662658-6258VIR10.30901/2658-6266-2022-3-o2biosel-156Research ArticleГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИGENETIC BASIS OF BIOTECHNOLOGYЭкспрессирующиеся последовательности генов опин-синтаз природных ГМО, установленные на основе анализа их транскриптомовExpression sequences of opine synthase genes in natural GMOs based on analysis of their transcriptomesБогомазФ. Д.BogomazF. D.

Федор Денисович Богомаз, ученик 10 А класса

Советский переулок, дом 4 Лит. А, Санкт-Петербург, 190005

Fedor Denisovich Bogomaz, 10 “Aˮ grade student

Sovetsky Lane, Bldg. 4, Lit. A, St. Petersburg, 190005

pickayut2006@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8569-6665МатвееваT. В.MatveevaT. V.

Татьяна Валерьевна Матвеева, доктор биологических наук, профессор, кафедра генетики и биотехнологии, биологический факультет

199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9

Tatiana Valeryevna Matveeva, Dr. Sci. (Biology), Professor, Department of Genetics and Biotechnology, Faculty of Biology

7/9, Universitetskaya Embankment, St. Petersburg, 199034

radishlet@gmail.comЛицей 281 Адмиралтейского районаLyceum 281 of the Admiralteysky DistrictСанкт-Петербургский государственный университетSt. Petersburg State University202229102022531524Copyright © Богомаз Ф.Д., Матвеева T.В., 20222022Богомаз Ф.Д., Матвеева T.В.Bogomaz F.D., Matveeva T.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://biosel.elpub.ru/jour/article/view/156

Агробактерии – это природная система доставки генетического материала, которую люди используют для получения генно-инженерно модифицированных растений − ГМО. В природе тоже возникают ГМО с участием агробактерий. В 2019 году список известных природных ГМО был расширен на порядок, а также были найдены факты в пользу экспрессии агробактериальных генов в природных ГМО. Частота этого явления для двудольных растений была оценена величиной в 7 %. Преобладающими генами агробактериального происхождения в природных ГМО оказались гены опин-синтаз. Вероятно, они выполняют важные функции в природных ГМО. В 2021 году вышла статья с обновленным списком природных ГМО, однако обновления списка экспрессирующихся генов в природных ГМО с 2019 года не проводили. Целью данной работы является актуализация списка экспрессирующихся генов опин-синтаз природных ГМО. Методы исследования включали биоинформатический поиск с использованием запросов на основе последовательностей белков опин-синтаз из Agrobacterium rhizogenes, A. tumefaciens и A. vitis, их гомологов из растений Ipomoea и Nicotiana в базе данных TSA Национального центра биотехнологической информации (NCBI) по алгоритму TBLASTN с настройками по умолчанию. Результатом исследования стало пополнение списка природных ГМО с экспрессирующимися генами опин-синтаз еще на 18 видов, причем 12 из них относятся к родам, где ранее природные ГМО описаны не были (Albizia, Cenostigma, Averrhoa, Gynostemma, Eurycoma, Gypsophila, Myosoton, Camptotheca, Gustavia, Eschweilera. Cestrum, Jasminum, Paulownia). Анализ разнообразия обнаруженных последовательностей показал, что преобладают среди них гомологи кукумопин- и микимопин-синтаз. Конечные продукты этих генов являются оптическими изомерами. В перспективе имеет смысл начать изучение функций опин-синтаз в растениях именно с этих генов.

Agrobacterium is a natural genetic material delivery system that humans use to produce genetically modified plants (GMO). In nature, GMOs also occur with the participation of agrobacteria. In 2019, the list of known natural GMOs was expanded by an order of magnitude, and facts were found in favor of the expression of agrobacterial genes in natural GMOs. The frequency of this phenomenon for dicotyledon plants has been estimated at 7 percent. Opine synthase genes turned out to be the predominant ones of agrobacterial origin in natural GMOs. They probably perform important functions in natural GMOs. In 2021, an article was published with an updated list of natural GMOs, but the list of genes expressed in natural GMOs has not been updated since 2019. The aim of this work is to update the list of opine synthase genes expressed in natural GMOs. The research methods included bioinformatic search using queries based on the sequences of opine synthase proteins from Agrobacterium rhizogenes, A.tumefaciens and A. vitis, their homologues from Ipomoea and Nicotiana plants, in the TSA database of the National Center for Biotechnology Information (NCBI) using the TBLASTN algorithm with default settings. The study resulted in the addition of another 18 species to the list of natural GMOs with expressed opine synthase genes, 12 of which belong to genera where natural GMOs were not previously described (Albizia, Cenostigma, Averrhoa, Gynostemma, Eurycoma, Gypsophila, Myosoton, Camptotheca, Gustavia, Eschweilera, Cestrum, Jasminum, and Paulownia). An analysis of the diversity of the detected sequences showed that homologues of cucumopine and mikimopine synthase predominate among them. The end products of these genes are optical isomers. In the future, it makes sense to start studying the functions of opine synthases in plants from these genes.

природные ГМОопин-синтазытранскриптомыnatural GMOsopine synthasestranscriptomesReferencesChilton MD. Agrobacterium Ti plasmids as a tool for genetic engineering in plants. In: Rains D.W., Valentine R.C., Hollaender A. [eds.] Genetic engineering of osmoregulation, Basic life sciences. V.14. New York: Plenum Press; 1980, p.23-31. DOI: 10.1007/978-1-4684-3725-6_3Chilton MD. Agrobacterium Ti plasmids as a tool for genetic engineering in plants. In: Rains D.W., Valentine R.C., Hollaender A. [eds.] Genetic engineering of osmoregulation, Basic life sciences. V.14. New York: Plenum Press; 1980, p.23-31. DOI: 10.1007/978-1-4684-3725-6_3Глеба Ю.Ю. Биотехнология растений. Соросовский образовательный журнал. 1998;6:3-8.Gleba Yu.Yu. Biotechnology of plants. Soros Educational Journal. 1998;6:3-8. [In Russian]Kyndt T, Quispe D, Zhai H, Jarret R., Ghislain M., Liu Q., Gheysen G., Kreuze J.F. The genome of cultivated sweet potato contains Agrobacterium T-DNAs with expressed genes: an example of a naturally transgenic food crop. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015;112(18):5844-5849. DOI: 10.1073/pnas.1419685112Kyndt T, Quispe D, Zhai H, Jarret R., Ghislain M., Liu Q., Gheysen G., Kreuze J.F. The genome of cultivated sweet potato contains Agrobacterium T-DNAs with expressed genes: an example of a naturally transgenic food crop. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015;112(18):5844-5849. DOI: 10.1073/pnas.1419685112Лутова Л.А. Биотехология растений: свершения и надежды. Соросовский образовательный журнал. 2000;6(10):10-17.Lutova L.A. Plant biotechnology: accomplishments and hopes. Soros Educational Journal, 2000;6(10):10-17. [In Russian]Matveeva TV, Otten L. Opine biosynthesis in naturally transgenic plants: Genes and products. Phytochemistry. 2021;189:112813. DOI: 10.1016/j.phytochem.2021.112813Matveeva TV, Otten L. Opine biosynthesis in naturally transgenic plants: Genes and products. Phytochemistry. 2021;189:112813. DOI: 10.1016/j.phytochem.2021.112813Matveeva T.V. Why do plants need agrobacterial genes? Ecological Genetics. 2021;19(4):365-375. DOI: 10.17816/ecogen89905, Available from: https://journals.eco-vector.com/ecolgenet/article/view/89905/pdf_1 [accessed May 01, 2022]Matveeva T.V. Why do plants need agrobacterial genes? Ecological Genetics. 2021;19(4):365-375. DOI: 10.17816/ecogen89905, Available from: https://journals.eco-vector.com/ecolgenet/article/view/89905/pdf_1 [accessed May 01, 2022]Matveeva T.V. New naturally transgenic plants: 2020 update. Biological Communications. 2021;66 (1):36-46. DOI: 10.21638/spbu03.2021.105Matveeva T.V. New naturally transgenic plants: 2020 update. Biological Communications. 2021;66 (1):36-46. DOI: 10.21638/spbu03.2021.105Matveeva T.V., Otten L. Widespread occurrence of natural genetic transformation of plants by Agrobacterium. Plant Molecular Biology. 2019;101:415-437. DOI: 10.1007/s11103-019-00913-yMatveeva T.V., Otten L. Widespread occurrence of natural genetic transformation of plants by Agrobacterium. Plant Molecular Biology. 2019;101:415-437. DOI: 10.1007/s11103-019-00913-yMatveeva T.V., Sokornova S.V. Biological traits of naturally transgenic plants and their evolutional roles. Russian Journal of Plant Physiology. 2017;64:635-648. DOI: 10.1134/S1021443717050089Matveeva T.V., Sokornova S.V. Biological traits of naturally transgenic plants and their evolutional roles. Russian Journal of Plant Physiology. 2017;64:635-648. DOI: 10.1134/S1021443717050089Mousavi S.A., Österman J., Wahlberg N., Nesme X., Lavire C., Vial L., Paulin L., de Lajudie P., Lindström K. Phylogeny of the Rhizobium–Allorhizobium–Agrobacterium clade supports the delineation of Neorhizobium gen. nov. Systematic and Applied Microbiology. 2014;37(3):208-215. DOI: 10.1016/j.syapm.2013.12.007Mousavi S.A., Österman J., Wahlberg N., Nesme X., Lavire C., Vial L., Paulin L., de Lajudie P., Lindström K. Phylogeny of the Rhizobium–Allorhizobium–Agrobacterium clade supports the delineation of Neorhizobium gen. nov. Systematic and Applied Microbiology. 2014;37(3):208-215. DOI: 10.1016/j.syapm.2013.12.007NCBI, National Center for Biotechnology Information. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov [accessed May 01, 2022]NCBI, National Center for Biotechnology Information. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov [accessed May 01, 2022]Nester E.W. Agrobacterium: nature’s genetic engineer. Frontiers in Plant Science. 2014;5:730. DOI: 10.3389/fpls.2014.00730Nester E.W. Agrobacterium: nature’s genetic engineer. Frontiers in Plant Science. 2014;5:730. DOI: 10.3389/fpls.2014.00730Sawada H., Ieki H., Oyaizu H., Matsumoto S. Proposal for rejection of Agrobacterium tumefaciens and revised descriptions for the genus Agrobacterium and for Agrobacterium radiobacter and Agrobacterium rhizogenes. International Journal of Systematic Bacteriology. 1993;43(4):694-702.Sawada H., Ieki H., Oyaizu H., Matsumoto S. Proposal for rejection of Agrobacterium tumefaciens and revised descriptions for the genus Agrobacterium and for Agrobacterium radiobacter and Agrobacterium rhizogenes. International Journal of Systematic Bacteriology. 1993;43(4):694-702.TSA, Transcriptome Shotgun Assembly Sequence Database. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/tsa [accessed May 01, 2022]TSA, Transcriptome Shotgun Assembly Sequence Database. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/tsa [accessed May 01, 2022]Vladimirov I.A, Matveeva T.V, Lutova L.A. Opine biosynthesis and catabolism genes of Agrobacterium tumefaciens and Agrobacterium rhizogenes. Russian Journal of Genetics. 2015;51(2):121-129. DOI: 10.1134/S1022795415020167Vladimirov I.A, Matveeva T.V, Lutova L.A. Opine biosynthesis and catabolism genes of Agrobacterium tumefaciens and Agrobacterium rhizogenes. Russian Journal of Genetics. 2015;51(2):121-129. DOI: 10.1134/S1022795415020167White F.F., Garfinkel D.J., Huffman G.A., Gordon M.T., Nester E.W. Sequences homologous to Agrobacterium rhizogenes T-DNA in the genomes of uninfected plants. Nature. 1983;3012:348-350. DOI: 10.1038/301348a0White F.F., Garfinkel D.J., Huffman G.A., Gordon M.T., Nester E.W. Sequences homologous to Agrobacterium rhizogenes T-DNA in the genomes of uninfected plants. Nature. 1983;3012:348-350. DOI: 10.1038/301348a0Yan J., Li Y., Han X.Z., Chen W.F., Zou W.X., Xie Z., Li M. Agrobacterium deltaense sp. nov., an endophytic bacteria isolated from nodule of Sesbania cannabina. Archives of Microbiology. 2017;199(7):1003-1009. DOI: 10.1007/s00203-017-1367-0Yan J., Li Y., Han X.Z., Chen W.F., Zou W.X., Xie Z., Li M. Agrobacterium deltaense sp. nov., an endophytic bacteria isolated from nodule of Sesbania cannabina. Archives of Microbiology. 2017;199(7):1003-1009. DOI: 10.1007/s00203-017-1367-0Young J.M., Kuykendall L.D., Martínez-Romero E., Kerr A., Sawada H. A revision of Rhizobium Frank 1889, with an emended description of the genus, and the inclusion of all species of Agrobacterium Conn 1942 and Allorhizobium undicola de Lajudie et al. 1998 as new combinations: Rhizobium radiobacter, R. rhizogenes, R. rubi, R. undicola, and R. vitis. International Journal of Systematics and Evolutionary Microbiology. 2001;51(1):89-103. DOI: 10.1099/00207713-51-1-89.Young J.M., Kuykendall L.D., Martínez-Romero E., Kerr A., Sawada H. A revision of Rhizobium Frank 1889, with an emended description of the genus, and the inclusion of all species of Agrobacterium Conn 1942 and Allorhizobium undicola de Lajudie et al. 1998 as new combinations: Rhizobium radiobacter, R. rhizogenes, R. rubi, R. undicola, and R. vitis. International Journal of Systematics and Evolutionary Microbiology. 2001;51(1):89-103. DOI: 10.1099/00207713-51-1-89

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