Radiation biology. RadioecologyRadiation biology. RadioecologyРадиационная биология. Радиоэкология0869-80313034-5898The Russian Academy of Sciences66113310.31857/S0869803123020030EOKPNWRadiobiology of PlantsРадиобиология растенийSeed Germination Kinetics as an Informative Tool for Assessing the Impact of Ionizing Radiation (on the Example of Arabidopsis Thaliana Aba-mutant Lines)КИНЕТИКА ПРОРАСТАНИЯ СЕМЯН КАК ИНФОРМАТИВНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ АБК-МУТАНТНЫХ ЛИНИЙ Arabidopsis thaliana)BondarenkoE. V.БондаренкоЕ. В.bev_1408@mail.ruBabinaD. D.БабинаД. Д.bev_1408@mail.ruPodobedM. Yu.ПодобедМ. Ю.bev_1408@mail.ruMitsenykA. S.МиценыкА. С.bev_1408@mail.ruVolkovaP. Yu.ВолковаП. Ю.bev_1408@mail.ruAll-Russian Research Institute of Radiology and AgroecologyВсероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии0103202363214615625022025Copyright ©; 2023, Е.В. Бондаренко, Д.Д. Бабина, М.Ю. Подобед, А.С. Миценык, П.Ю. ВолковаCopyright ©; 2023, Е.В. Бондаренко, Д.Д. Бабина, М.Ю. Подобед, А.С. Миценык, П.Ю. Волкова2023Е.В. Бондаренко, Д.Д. Бабина, М.Ю. Подобед, А.С. Миценык, П.Ю. ВолковаЕ.В. Бондаренко, Д.Д. Бабина, М.Ю. Подобед, А.С. Миценык, П.Ю. Волковаhttps://journals.eco-vector.com/0869-8031/article/view/661133

We have analyzed the kinetics of seed germination of the model plant Arabidopsis thaliana after γ-irradiation at doses of 50, 100 and 150 Gy. The following lines were selected as study objects: abi3-8 with a mutation in the ABI3 gene and with reduced sensitivity to the natural form of abscisic acid and aba3-1 genotype with a mutation in the ABA3 gene and a reduced level of endogenous abscisic acid. Wild type Col-8 was used as a control. To study the effect of γ-radiation on various aspects of seed germination (germinability, germination time and rate, synchrony of germination, etc.), the germination kinetics was assessed using the Germinationmetrics package for the R programming environment. Control and irradiated seeds (radiation source – 60Co) were grown on half-strength Murashige-Skoog medium under controlled conditions. Germination was assessed during the first six days after transfer to the phytotron by the rupture of the endosperm and the appearance of a root. In total, three independent experiments were carried out with three biological replications in each. A more pronounced effect of γ-radiation at a dose of 150 Gy on all studied genotypes was noted. Germination clustering showed that the distribution of the percentage of seed germination by day depends more on the genotype than on the dose of exposure. The best indicators of germination, speed and time interval between germination of 10% to 90% of seeds were noted for non-irradiated seeds of the abi3-8 line. The results obtained and a comparative analysis with previously published data suggest that the assessment of germination kinetics using the Germinationmetrics package for R is a clear and quite informative tool for studying the effect of ionizing radiation and other abiotic factors on various aspects of seed germination.

Проведен анализ динамики прорастания семян модельного растения Arabidopsis thaliana после воздействия γ-излучения в дозах 50, 100 и 150 Гр. Объектами исследования выбраны линии: abi3-8 с мутацией в гене ABI3 и со сниженной чувствительностью к природной форме абсцизовой кислоты и генотип aba3-1 с мутацией в гене ABA3 и пониженным уровнем эндогенной абсцизовой кислоты. В качестве контроля использован дикий тип Col-8. Для изучения влияния γ-излучения на различные аспекты прорастания семян (всхожесть, время и скорость прорастания, синхронность прорастания партии семян) проведена оценка кинетики прорастания при помощи пакета Germinationmetrics для среды программирования R. Контрольные и облученные семена (источник излучения – 60Co) выращивали на питательной среде Мурасиге–Скуга половинной концентрации в контролируемых условиях. Прорастание оценивали в течение первых 6 сут после переноса в фитотрон по разрыву эндосперма и появлению корешка. Всего проведены три независимых эксперимента с тремя биологическими повторностями в каждом. Отмечено более выраженное влияние γ-излучения в дозе 150 Гр на все исследуемые генотипы. Кластеризация всхожести показала, что распределение процента прорастания семян по дням больше зависит от генотипа, чем от дозы воздействия. Лучшие показатели всхожести, скорости и временного интервала между прорастанием 10 и 90% семян отмечены у необлученных семян линии abi3-8. Полученные результаты и сравнительный анализ с ранее опубликованными данными позволяют утверждать, что оценка кинетики прорастания при помощи пакета Germinationmetrics для R – наглядный и достаточно информативный инструмент для изучения влияния ионизирующего излучения и иных абиотических факторов на различные аспекты прорастания семян.

Arabidopsis thalianagermination kineticsγ-radiationabscisic acidArabidopsis thalianaкинетика прорастанияγ-излучениеабсцизовая кислотаИсследования проведены в рамках Государственного задания “Фундаментальные генетические и биотехнологические исследования для сельского хозяйства” по Программе деятельности ФГБУ “Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”.Verma V., Ravindran P., Kumar P. Plant hormone-mediated regulation of stress responses // BMC Plant Biol. 2016. V. 16. Art. 86. https://doi.org/10.1186/s12870-016-0771-yFinkelstein R., Reeves W., Ariizumi T. et al. Molecular aspects of seed dormancy // Ann. Rev. Plant Biol. 2008. V. 59. № 1. P. 387–415. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.59.032607.092740Nambara E., Nambara E., McCourt P. et al. A regulatory role for the ABI3 gene in the establishment of embryo maturation in Arabidopsis thaliana // Development. 1995. V. 121. № 3. P. 629–636. https://doi.org/10.1242/dev.121.3.629Lopez-Molina L., Mongrand S., McLachlin D.T. et al. ABI5 acts downstream of ABI3 to execute an ABA-dependent growth arrest during germination // Plant J. 2002. V. 32. № 3. P. 317–328. https://doi.org/10.1046/j.1365-313x.2002.01430.xWatanabe S., Sato M., Sawada Y. et al. Arabidopsis molybdenum cofactor sulfurase ABA3 contributes to anthocyanin accumulation and oxidative stress tolerance in ABA-dependent and independent ways // Sci. Rep. 2018. V. 8. P. 16592. https://doi.org/10.1038/s41598-018-34862-1Eckert M., Kaldenhoff R. Light-induced stomatal movement of selected Arabidopsis thaliana mutants // J. Experim. Bot. 2000. V. 51. № 49. P. 1435–1442. https://doi.org/10.1093/jexbot/51.349.1435Xiong L., Ishitani M., Lee H. et al. The Arabidopsis LOS5/ABA3 Locus Encodes a Molybdenum Cofactor Sulfurase and Modulates Cold Stress- and Osmotic Stress-Responsive Gene Expression // Plant Cell. 2001. V. 13. № 9. P. 2063–2083. https://doi.org/10.2307/3871428Llorente F., Oliveros J.C., Martinez-Zapater J.M. et al. A freezing-sensitive mutant of Arabidopsis, frs1, is a new aba3 allele // Planta. 2000. V. 211. № 5. P. 648–55. https://doi.org/10.1007/s004250000340Barrero J.M., Piqueras P., Gonzalez-Guzmán M. et al. A mutational analysis of the ABA1 gene of Arabidopsis thaliana highlights the involvement of ABA in vegetative development // J. Exp. Bot. 2005. V. 56. № 418. P. 2071–2083. https://doi.org/10.1093/jxb/eri206Nakashima K., Yamaguchi-Shinozaki K. ABA signaling in stress-response and seed development // Plant Cell Rep. 2013. V. 32. № 7. P. 959–970. https://doi.org/10.1007/s00299-013-1418-1Duarte G.T., Volkova P., Geras’kin S. The response profile to chronic radiation exposure based on the trans-criptome analysis of Scots pine from Chernobyl affec-ted zone // Environ. Pollut. 2019. V. 250. P. 618–626. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.04.064Cutler S.R., Rodriguez P.L., Finkelstein R.R. et al. Abscisic acid: emergence of a core signaling network // Ann. Rev. Plant Biol. 2010. V. 61. № 1. P. 651–679. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-042809-112122Bitarishvili S.V., Volkova P.Y. & Geras’kin S.A. γ-Irradiation of Barley Seeds and Its Effect on the Phytohormonal Status of Seedlings // Russ. J. Plant Physiol. 2018. V. 65. P. 446–454. https://doi.org/10.1134/S1021443718020024Aravind J., Vimala D.S., Radhamani J. et al. Germinationmetrics: Seed Germination Indices and Curve Fitting. R package version 0.1.3. 2019. Available at: https://github.com/aravind-j/germinationmetricshttps://cran.r-project.org/package=germinationmetrics. Accessed May 25, 2021.R Core Team, 2021. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. Available at: https://www.R-project.org/. Accessed May 25, 2021.Nambara E., Suzuki M., Abrams S. et al. A screen for genes that function in abscisic acid signalling in Arabidopsis thaliana // Genetics. 2002. V. 161. № 3. P. 1247–1255. https://doi.org/10.1093/genetics/161.3.1247Leon-Kloosterziel K.M., Gil M.A., Ruijs G.J. et al. Isolation and characterization of abscisic acid-deficient Arabidopsis mutants at two new loci // Plant J. 1996. V. 10. № 4. P. 655–661. https://doi.org/10.1046/j.1365-313X.1996.10040655.xEl-Kassaby Y.A., Moss I., Kolotelo D. et al. Seed germination: Mathematical representation and parameters extraction // Forest Sci. 2008. V. 54. P. 220–227. https://doi.org/10.1093/forestscience/54.2.220ГОСТ 12038-84. Межгосударственный стандарт. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести (с Изменениями N 1, 2). [GOST 12038-84. Agricultural seeds. Methods for determination of germination (In Russ.]ГОСТ 20290-74. Семена сельскохозяйственных культур. Определение посевных качеств семян. Термины и определения. [GOST 20290-74. Seeds of crops. Determination of seed sowing quality. Terms and definitions (In Russ.)]Czabator F.J. Germination value: An index combining speed and completeness of pine seed germination // Forest Sci. 1962. V. 8. P. 386–396.Thomson A., El-Kassaby Y. Interpretation of seed-germination parameters // New Forests. 1993. V. 7. P. 123–132. https://doi.org/10.1007/BF00034195Nambara E., Naito S., McCourt P. A mutant of Arabidopsis which is defective in seed development and sto-rage protein accumulation is a new abi3 allele // Plant J. 1992. V. 2. № 4. P. 435–441. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.1992.00435.xPark J., Lee N., Kim W. et al. ABI3 and PIL5 collaboratively activate the expression of SOMNUS by directly binding to its promoter in imbibed Arabidopsis seeds // Plant Cell. 2011. V. 23. № 4. P. 1404–1415. https://doi.org/10.1105/tpc.110.080721Babina D., Podobed M., Bondarenko E. et al. Seed Gamma Irradiation of Arabidopsis thaliana ABA-Mutant Lines Alters Germination and Does Not Inhibit the Photosynthetic Efficiency of Juvenile Plants // Dose-Response. 2020. P. 1–13. https://doi.org/10.1177/1559325820979249Chan Z. Expression profiling of ABA pathway trans-cripts indicates crosstalk between abiotic and biotic stress responses in Arabidopsis // Genomics. 2012. V. 100. P. 110–115. https://doi.org/10.1016/j.ygeno.2012.06.004Plessis A., Cournol R., Effroy D. et al. New ABA-hypersensitive Arabidopsis mutants are affected in loci mediating responses to water deficit and Dickeya dadantii infection // PLoS One. 2011. V. 6. № 5. P. e20243. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0020243Schwartz S.H., Leon-Kloosterziel K.M., Koornneef M. et al. Biochemical characterization of the aba2 and aba3 mutants in Arabidopsis thaliana // Plant Physiol. 1997. V. 114. P. 161–166.Kader M. A comparison of seed germination calculation formulae and the associated interpretation of resulting data // J. & Proc. Royal Society of New South Wales. 2005. V. 138. P. 65–75.Talská R., Machalová J., Smýkal P., Hron K. A compa-rison of seed germination coefficients using functional regression // Appl Plant Sci. 2020. V. 8. № 8. P. e11366. https://doi.org/10.1002/aps3.11366Szklarczyk D., Gable A.L., Lyon D. et al. STRING v11: protein-protein association networks with increased coverage, supporting functional discovery in genome-wide experimental datasets // Nucl. Acids Res. 2019. V. 8. № 47 (D1). P. D607–D613. https://doi.org/10.1093/nar/gky1131