Підвищена стійкість Deschampsia antarctica Desv. до мутагенної дії іонів кадмію

  • К. В. Спірідонова Інститут молекулярної біології і генетики НАН України, Україна, 03143, м. Kиїв, вул. Акад. Заболотного, 150
  • І. О. Андрєєв Інститут молекулярної біології і генетики НАН України, Україна, 03143, м. Kиїв, вул. Акад. Заболотного, 150
  • О. М. Загричук Тернопільський національний педагогічний університет імені Володимира Гнатюка, Україна, 46027, м. Тернопіль, вул. М. Кривоноса, 2
  • Н. М. Дробик Тернопільський національний педагогічний університет імені Володимира Гнатюка, Україна, 46027, м. Тернопіль, вул. М. Кривоноса, 2
  • В. А. Кунах Інститут молекулярної біології і генетики НАН України, Україна, 03143, м. Kиїв, вул. Акад. Заболотного, 150
DOI: https://doi.org/10.7124/visnyk.utgis.14.1.546

Анотація

Мета. Вивчення мутагенної дії різних концентрацій іонів кадмію на антарктичну рослину D. antarctica із застосуванням ПЛР-аналізу. Методи. Рослини культивували in vitro на агаризованому живильному середовищі Гамборга-Евелей (B5) з додаванням CdCl2. Генетичні зміни досліджували з використанням ПЛР-аналізу з ISSR- та IRAP-праймерами. Результати. Мутагенну дію іонів кадмію на D. antarctica вивчали із використанням генетично ідентичних рослин, отриманих мікроклональним розмноженням in vitro. Досліджували вплив Cd2+ у діапазоні концентрацій 0,1–10 мM. За результатами культивування D.antarctica у присутності іонів кадмію впродовж 63 діб було визначено діапазон концентрацій, за яких продовжується ріст рослин in vitro, – до 1 мМ. Встановлено також, що концентрації 0,1 та 0,2 мМ не викликають змін спектрів ПЛР-продуктів. За культивування рослин впродовж 17 діб з 0,2–1 мМ CdCl2 зміни в спектрах ПЛР-продуктів, що свідчать про мутагенний вплив, спостерігали при концентраціях 0,6 мМ і вище; кількість змін зростала залежно від концентрації важкого металу. Після довготривалої (140-265 діб) дії іонів кадмію в порівняно невисоких концентраціях 0,1 мМ та 0,4 мМ змін геному не виявлено. Висновки. Рослина-екстремофіл D. antarctica, у якої внаслідок адаптації до існування в жорстких умовах Прибережної Антарктики сформувались механізми стійкості до різноманітних стресових впливів, характеризується підвищеною стійкістю до іонів кадмію порівняно із іншими видами судинних рослин. Пригнічення росту відбувається при концентраціях Cd2+ від 0,1 мМ і вище, а припинення росту та загибель рослин – за концентрацій 1 мМ і вище. Мутагенний вплив на D.antarctica виявлено при концентраціях Cd2+ вище 0,4 мМ. За тривалого вирощування рослини (впродовж 3–8 місяців) в присутності 0,1–0,4 мМ іонів кадмію генетичних змін не знайдено.

Ключові слова: Deschampsia antarctica Desv. (Poaceae), мікроклонально розмножені рослини in vitro, іони кадмію, мутагенний ефект, ПЛР-аналіз.

Посилання

Parnikoza I., Kozeretska I., Kunakh V. Vascular plants of the Maritime Antarctic: origin and adaptation. Am. J. Plant Sci. 2011. Vol. 2(3). P. 381–395. doi: 10.4236/ajps.2011.23044

Ozheredova I.P., Parnikoza I.Yu., Poronnik O.O., Kozeretska I.A., Demidov S.V., Kunakh V.A. Mechanisms of Antarctic vascular plant adaptation to abiotic environmental factors. Cytology and Genetics. 2015. Vol. 49(2). P. 139–145. doi: 10.3103/S0095452715020085

Alberdi M., Bravo L.A., Gutiérrez A., Gidekel M., Corcuera L.J. Ecophysiology of Antarctic vascular plants. Physiol. Plant. 2002. Vol. 115. P. 479–486. doi: 10.1034/j.1399-3054.2002.1150401.x

Martazinova V.F., Timofeev V.E., Ivanova E.K. Sovremennyy regionalnyy klimat Antarkticheskogo poluostrova i stantsii akademik Vernadskiy. Ukrainian Antarctic Journal. 2010. No 9. P.231–248.

Convey P. Reproduction of Antarctic flowering plants. Antarct. Sci. 1996. Vol. 8(2). P.127–134. doi: 10.1017/S0954102096000193

Kerivnyi normatyvnyi dokument. Ekolohichno-ahrokhimichna pasportyzatsiia poliv ta zemelnykh dilianok. Ed. by O.O. Sozinov. Kyiv: Ahrarna nauka, 1996. P. 16–20.

Misra R.R., Smith G.T., Waalkes M.P. Evaluation of the direct genotoxic potential of cadmium in four different rodent cell lines. Toxicol. 1998. Vol. 126. P. 103–114. doi: 10.1016/S0300-483X(98)00003-1

Hartwig A., Schwerdtle T. Interaction by carcinogenic metal compounds with DNA repair processes: toxicological implications. Toxicol. Lett. 2002. Vol. 127. P. 47–54. doi: 10.1016/S0378-4274(01)00482-9

Jonak C., Nakagami H., Hirt H. Heavy metal stress. Activation of distinct mitogen-activated protein kinase pathways by copper and cadmium. Plant Physiol. 2004. Vol. 136. P. 3276–3283. doi: 10.1104/pp.104.045724

Zahrychuk O.M., Drobyk N.M., Kozeretska I.A. et al. Vvedennia v kulturu in vitro Deschampsia Antarctica Desv. (Poaceae) z dvokh rayoniv Pryberezhnoi Antarktyky. Ukrainian Antarctic Journal. 2011–2012. No 10–11. P. 289–295.

Zahrychuk O. M., Herts A. I., Drobyk N. M., Kunakh V. A. Callus formation and regeneration of Deschampsia antarctica Desv. (Poaceae) in culture in vitro. Biotechnologia Acta. 2013. Vol. 6(6). P. 77–85.

Doyle J.J., Doyle J.L. A rapid DNA isolation of fresh leaf tissue. Phytochem. Bull. 1987. Vol. 19. P. 11–15.

Schluter P. M., Harris S. A. Analysis of multilocus fingerprinting data sets containing missing data. Mol. Ecol. Notes. 2006. Vol. 6(2). P. 569–572. doi: 10.1111/j.1471-8286.2006.01225.x

Gichner T., Patkova Z., Szakova J. et al. DNA damage in potato plants induced by cadmium, ethyl methanesulphonate and gamma-rays. Environ. Exp. Bot. 2008. Vol. 62. P. 113–119. doi: 10.1016/j.envexpbot.2007.07.013

Fojtova M., Kovarik A. Genotoxic effect of cadmium is associated with apoptotic changes in tobacco cells. Plant Cell Environ. 2000. Vol. 23. P. 531–537. doi: 10.1046/j.1365-3040.2000.00573.x

Yi H., Meng Z. Genotoxicity of hydrated sulfur dioxide on root tips of Allium sativum and Vicia faba. Mutat. Res. 2003. Vol. 537. P. 109–114. doi: 10.1016/S1383-5718(03)00054-8

Steinkellner H., Mun-Sik K., Helma C. et al. Genotoxic effects of heavy metals: comparative investigation with plant bioassay. Environ. Mol. Mutagen. 1998. Vol. 31. P. 183–191. doi: 10.1002/(SICI)1098-2280(1998)31:2<183::AID-EM11>3.0.CO;2-8

Angelis K.J., Mcguffie M., Menke M., Schubert I. Adaption to alkylation damage in DNA measured by the comet assay. Environ. Mol. Mutagen. 2000. Vol. 36. P. 146–150. doi: 10.1002/1098-2280(2000)36:2<146::AID-EM9>3.0.CO;2-5

Liu W., Li P. J., Qi X. M. et al. DNA changes in barley (Hordeum vulgare) seedlings induced by cadmium pollution using RAPD analysis. Chemosphere. 2005. Vol. 61. P. 158–167. doi: 10.1016/j.chemosphere.2005.02.078

Kumar Rai P., Kumar G. The genotoxic potential of two heavy metals in inbred lines of maize (Zea mays L.). Turk. J. Bot. 2010. Vol. 34. P. 39–46. doi: 10.3906/bot-0801-6

Drazkiewicz M., Tukendorf A., Baszynski T. Age-dependent response of maize leaf segments to cadmium treatment: effect on chlorophyll fluorescence and phytochelatin accumulation. J. Plant Physiol. 2003. Vol. 160. P. 247–254. doi: 10.1078/0176-1617-00558

Monteiro M.S., Rodriguez E., Loureiro J. et al. Flow cytometric assessment of Cd genotoxicity in three plants with different metal accumulation and detoxification capacities. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2010. Vol. 73(6. P. 1231–1237. doi: 10.1016/j.ecoenv.2010.06.020

Liu W., Sun L., Zhong M. et al. Cadmium-induced DNA damage and mutations in Arabidopsis plantlet shoots identified by DNA fingerprinting. Chemosphere. 2012. Vol. 89. P. 1048–1055. doi: 10.1016/j.chemosphere.2012.05.068

Gjorgieva D., Kadifkova-Panovska T., Ruskovska T. et al. Influence of heavy metal stress on antioxidant status and DNA damage in Urtica dioica. BioMed Res. Intern. 2013. Vol. 2013. ID 276417. doi: 10.1155/2013/276417

Gupta M., Sarin N. B. Heavy metal induced DNA changes in aquatic macrophytes: Random amplified polymorphic DNA analysis and identification of sequence characterized amplified region marker. J. Environ. Sci. 2009. Vol. 21. P. 686–690. doi: 10.1016/S1001-0742(08)62324-4

Al-Qurainy F. Application of inter simple sequence repeat (ISSR marker) to detect genotoxic effect of heavy metals on Eruca sativa (L.). Afr. J. Biotechnol. 2010. Vol. 9(4). P. 467–474.

Reddy M. P., Sarla N., Siddiq E.A. Inter simple sequence repeat (ISSR) polymorphism and its application in plant breeding. Euphytica. 2002. Vol. 128(1). P. 9–17. doi: 10.1023/A:1020691618797

Lopez-Millan A.-F., Sagardoy R., Solanas M. et al. Cadmium toxicity in tomato (Lycopersicon esculentum) plants grown in hydroponics. Environ. Exp. Bot. 2009. Vol. 65. P. 376–385. doi: 10.1016/j.envexpbot.2008.11.010

Unyayar S., Celik A., Ozlem F. et al. Cadmium-induced genotoxicity, cytotoxicity and lipid peroxidation in Allium sativum and Vicia faba. Mutagenesis. 2006. P. 1-5. doi: 10.1093/mutage/gel001

Amirthalingam T., Velusamy G., Pandian R. Cadmium-induced changes in mitotic index and genotoxicity on Vigna unguiculata (Linn.). J. Env. Chem. Ecotoxicol. 2013. Vol. 5(3). P. 57–62. doi: 10.5897/JECE11.008

Azimi A., Shahriari F., Fotovat A. et al. Investigation of DNA changes in wheat (Triticum aestivum L.) induced by cadmium using random amplified polymorphic DNA (RAPD) analysis. Afr. J. Biotechnol. 2013. Vol. 12(16). P. 1921–1929.

Gjorgieva D., Kadifkova-Panovska T., Mitrev S. et al. Assessment of the genotoxicity of heavy metals in Phaseolus vulgaris L. as a model plant system by Random Amplified Polymorphic DNA (RAPD) analysis. J. Environ. Sci. Health, Part A. 2012. Vol. 47(3). P. 366–373. doi: 10.1080/10934529.2012.645784

Korsun S.H. Otsinka vmistu biogennykh elementiv ta vazhkykh metaliv u verkhniomu shari gruntu ostroviv poblyzu zakhidnoho uzberezhzhia Antarktychnoho pivostrova. Ukr. Antarctic Journal. 2005. No 3. P. 151–154.

Lu Z., Cai M., Wang J. et al. Baseline values for metals in soils on Fildes Peninsula, King George Island, Antarctica: the extent of anthropogenic pollution. Environ. Monit. Assess. 2012. Vol. 184(11). P. 7013–702. doi: 10.1007/s10661-011-2476-x