Описание новых природно-трансгенных растений и оценка временных интервалов событий горизонтального переноса генов от агробактерий к растениям



Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование. Горизонтальный перенос генов от агробактерий к двудольным растениям приводит к возникновению природно-трансгенных видов, содержащих фрагменты ДНК, известные как клеточные Т-ДНК (клТ-ДНК). Такие растения также обозначаются как природные ГМО (пГМО). Постоянное пополнение нуклеотидных баз данных и развитие биоинформатических методов позволило систематически выявлять природные трансгены в депонированных геномах различных видов двудольных, пополняя список известных пГМО. Детальное исследование горизонтально перенесенных последовательностей открывает возможности для их сравнительного анализа.

Цель исследования. Целью данной работы являлся поиск и анализ последовательностей, гомологичных Т-ДНК агробактерий, в геномах двудольных растений и последующее определение времени событий горизонтального переноса генов на основе сравнения протяженных инвертированных повторов клТ-ДНК.

Методы. В работе были использованы данные из баз нуклеотидных последовательностей WGS и TSA, а также алгоритмы выравнивания BLAST.

Результаты. Таким образом, было обнаружено 93 новых вида природно-трансгенных растений. На основе анализа клТ-ДНК, представленных в форме инвертированных повторов, было оценено приблизительное время событий горизонтального переноса генов для 28 видов пГМО. Проведенный анализ выявил множество общих черт в эволюции трансгенов между обнаруженными нами пГМО и другими примерами горизонтального переноса. Установлено, что события переноса происходили в период от 0,62 до 24 млн лет назад, что охватывает три периода кайнозойской эры.

Заключение. Обнаружение новых видов природно-трансгенных растений расширяет представления о распространении горизонтального переноса генов от агробактерий к двудольным растениям и об эволюционной роли клТ-ДНК, а также позволяет накопить материал для дальнейших исследований и сравнения с другими случаями горизонтального переноса. Датирование событий горизонтального переноса генов даёт возможность оценить временные рамки этого процесса в эволюции природно-трансгенных растений.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Антон Дмитриевич Шапошников

Санкт-Петербургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: st096319@student.spbu.ru
ORCID iD: 0009-0002-7905-2999
SPIN-код: 5145-8352

младший научный сотрудник

Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7–9;

Татьяна Валерьевна Матвеева

Санкт-Петербургский государственный университет; Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений

Email: radishlet@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8569-6665
SPIN-код: 3877-6598
Scopus Author ID: 7006494611

доктор биол. наук, профессор, кафедра генетики и биотехнологии

Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7–9; Санкт-Петербург, г. Пушкин, ш. Подбельского, д. 3

Список литературы

  1. Soucy SM, Huang J, Gogarten JP. Horizontal gene transfer: building the web of life. Nat Rev Genet. 2015;16(8):472-482. doi: 10.1038/nrg3962
  2. Matveeva T. New naturally transgenic plants: 2020 update. BioComm. 2021;66(1). doi: 10.21638/spbu03.2021.105
  3. White FF, Garfinkel DJ, Huffman GA, Gordon MP, Nester EW. Sequences homologous to Agrobacterium rhizogenes T-DNA in the genomes of uninfected plants. Nature. 1983;301(5898):348-350. doi: 10.1038/301348a0
  4. Intrieri MC, Buiatti M. The Horizontal Transfer of Agrobacterium rhizogenes Genes and the Evolution of the Genus Nicotiana. Molecular Phylogenetics and Evolution. 2001;20(1):100-110. doi: 10.1006/mpev.2001.0927
  5. Matveeva TV, Bogomaz DI, Pavlova OA, Nester EW, Lutova LA. Horizontal Gene Transfer from Genus Agrobacterium to the Plant Linaria in Nature. MPMI. 2012;25(12):1542-1551. doi: 10.1094/MPMI-07-12-0169-R
  6. Kyndt T, Quispe D, Zhai H, et al. The genome of cultivated sweet potato contains Agrobacterium T-DNAs with expressed genes: An example of a naturally transgenic food crop. Proc Natl Acad Sci USA. 2015;112(18):5844-5849. doi: 10.1073/pnas.1419685112
  7. Chen K, Dorlhac De Borne F, Sierro N, et al. Organization of the TC and TE cellular T‐ DNA regions in Nicotiana otophora and functional analysis of three diverged TE ‐ 6b genes. The Plant Journal. 2018;94(2):274-287. doi: 10.1111/tpj.13853
  8. Matveeva TV, Bogomaz OD, Golovanova LA, Li YuS, Dimitrov D. Homologs of the rolC gene of naturally transgenic toadflaxes Linaria vulgaris and Linaria creticola are expressed in vitro. Vestn VOGiS. 2018;22(2):273-278. doi: 10.18699/VJ18.359
  9. Matveeva TV, Otten L. Widespread occurrence of natural genetic transformation of plants by Agrobacterium. Plant Mol Biol. 2019;101(4-5):415-437. doi: 10.1007/s11103-019-00913-y
  10. Matveeva TV. Why do plants need agrobacterial genes? Ecological genetics. 2021;19(4):365-375. doi: 10.17816/ecogen89905
  11. Matveeva TV. Agrobacterium-Mediated Transformation in the Evolution of Plants. In: Gelvin SB, ed. Agrobacterium Biology. Vol 418. Current Topics in Microbiology and Immunology. Springer International Publishing; 2018:421-441. doi: 10.1007/82_2018_80
  12. Matveeva TМ. Natural GMOs: a history of research. Ecological genetics. 2022;20(1S):7-8. doi: 10.17816/ecogen112371
  13. Zhidkin RR, Matveeva TV. Phylogeny problems of the genus Vaccinium L. and ways to solve them. Ecological genetics. 2022;20(2):151-164. doi: 10.17816/ecogen109142
  14. Zhidkin R, Zhurbenko P, Bogomaz O, et al. Biodiversity of rolB/C-like Natural Transgene in the Genus Vaccinium L. and Its Application for Phylogenetic Studies. IJMS. 2023;24(8):6932. doi: 10.3390/ijms24086932
  15. Chen K, Zhurbenko P, Danilov L, Matveeva T, Otten L. Conservation of an Agrobacterium cT-DNA insert in Camellia section Thea reveals the ancient origin of tea plants from a genetically modified ancestor. Front Plant Sci. 2022;13:997762. doi: 10.3389/fpls.2022.997762
  16. Matveeva TV. Naturally transgenic plants as a model for the study of delayed environmental risks of cultivation of GMOs. Ecological genetics. 2015;13(2):118-126. doi: 10.17816/ecogen132118-126
  17. Lipatov PYu, Bogomaz FD, Gosudarev KD, et al. New cellular T-DNAs in naturally transgenic plants. Ecological genetics. 2022;20(1S):40-41. doi: 10.17816/ecogen112352
  18. Altschul S. Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucleic Acids Research. 1997;25(17):3389-3402. doi: 10.1093/nar/25.17.3389
  19. The Angiosperm Phylogeny Group. An update of the Angiosperm Phylogeny Group classification for the orders and families of flowering plants: APG IV. Bot J Linn Soc. 2016;181(1):1-20. doi: 10.1111/boj.12385
  20. Gaut BS, Morton BR, McCaig BC, Clegg MT. Substitution rate comparisons between grasses and palms: synonymous rate differences at the nuclear gene Adh parallel rate differences at the plastid gene rbcL. Proc Natl Acad Sci USA. 1996;93(19):10274-10279. doi: 10.1073/pnas.93.19.10274
  21. Bogomaz FD, Matveeva TV. Expression sequences of opine synthase genes in natural GMOs based on analysis of their transcriptomes. Biotehnologiâ i selekciâ rastenij. 2022;5(3):15-24. doi: 10.30901/2658-6266-2022-3-o2
  22. Pavlova OA, Matveeva TV, Lutova LA. Genome of Linaria dalmatica contains the homolog of Agrobacterium rhizogenes rolC gene. Ecological genetics. 2013;11(2):10-15. doi: 10.17816/ecogen11210-15
  23. Chen K, Dorlhac De Borne F, Szegedi E, Otten L. Deep sequencing of the ancestral tobacco species Nicotiana tomentosiformis reveals multiple T‐ DNA inserts and a complex evolutionary history of natural transformation in the genus Nicotiana. The Plant Journal. 2014;80(4):669-682. doi: 10.1111/tpj.12661
  24. Otten L, Liu H, Meeprom N, Linan A, Puglisi C, Chen K. Accumulation of numerous cellular T‐ DNA sequences in the genus Diospyros by multiple rounds of natural transformation. The Plant Journal. 2025;122(3):e70202. doi: 10.1111/tpj.70202
  25. Van Kregten M, De Pater S, Romeijn R, Van Schendel R, Hooykaas PJJ, Tijsterman M. T-DNA integration in plants results from polymerase-θ-mediated DNA repair. Nature Plants. 2016;2(11):16164. doi: 10.1038/nplants.2016.164
  26. Husnik F, McCutcheon JP. Functional horizontal gene transfer from bacteria to eukaryotes. Nat Rev Microbiol. 2018;16(2):67-79. doi: 10.1038/nrmicro.2017.137
  27. Li WH, Gojobori T, Nei M. Pseudogenes as a paradigm of neutral evolution. Nature. 1981;292(5820):237-239. doi: 10.1038/292237a0
  28. Alsmark C, Foster PG, Sicheritz-Ponten T, Nakjang S, Martin Embley T, Hirt RP. Patterns of prokaryotic lateral gene transfers affecting parasitic microbial eukaryotes. Genome Biol. 2013;14(2):R19. doi: 10.1186/gb-2013-14-2-r19
  29. Chen R, Huangfu L, Lu Y, et al. Adaptive innovation of green plants by horizontal gene transfer. Biotechnology Advances. 2021;46:107671. doi: 10.1016/j.biotechadv.2020.107671
  30. Weisberg AJ, Davis EW, Tabima J, et al. Unexpected conservation and global transmission of agrobacterial virulence plasmids. Science. 2020;368(6495):eaba5256. doi: 10.1126/science.aba5256

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Эко-Вектор,

Ссылка на описание лицензии: https://eco-vector.com/for_authors.php#07
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 89324 от 21.04.2025.