оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 9 • 2015 БIОЛОГIЯ УДК 575.827:604.6:582.683.2 Л.О. Сахно, I.К. Комарницький, член-кореспондент НАН України М.В. Кучук Отримання рослин рiпаку (Brassica napus L.) зi стiйкiстю до гербiцидiв на основi глiфосату i глюфозинату За рахунок введення в одному векторi синтетичного гена енолпiруватшикиматфосфат- синтази (надає рослинам стiйкостi до глiфосату) i гена фосфiнотрицинацетилтранс- ферази (вiдповiдає за стiйкiсть до фосфiнотрицину, або глюфозинату) шляхом Agrobac- terium tumefaciens-опосередкованої трансформацiї листкових дискiв асептичних рослин отримано лiнiї ярого рiпаку (Brassica napus L.), створенi на основi двох районованих в Українi сортiв (Ексголд i Титан). Молекулярно-бiологiчнi аналiзи показали iнтегра- цiю генiв у ядерну ДНК рiпаку. Стiйкiсть рослин до гербiцидiв Ураган Форте (дiюча речовина — глiфосат) i BASTA (дiюча речовина — фосфiнотрицин) показана в умовах in vitro. Вирощування бiотехнологiчного рiпаку з одночасною експресiєю генiв стiйкостi до гербiцидiв двох рiзних груп може бути бiльш ефективним порiвняно з рослинами, в яких активним є один з таких генiв, за рахунок можливостi чергування гербiцидiв при їх застосуваннi, внаслiдок чого менш ймовiрним є виникнення спонтанно стiйких бур’янiв. Ключовi слова: Brassica napus L., epsps, bar, глiфосат, глюфозинат. Стiйкi до гербiцидiв, найчастiше до глiфосату i глюфозинату, сiльськогосподарськi куль- тури стабiльно займають найбiльшу частку посiвних площ серед бiотехнологiчних культур протягом усього перiоду, що їх вирощують у свiтi, починаючи з 1996 р. [1]. Наприклад, у 2013 р. такi сiльськогосподарськi культури вирощувалися на площi 99,4 млн га, що стано- вило 57% загальної площi посiвiв трансгенних культур (175,2 млн га) у свiтовому виробни- цтвi. За першi 17 рокiв комерцiалiзацiї (1996–2012 рр.) свiтовий прибуток вiд культивування стiйких до гербiцидiв сiльськогосподарських культур оцiнювався в 47,7 млрд доларiв США, що становило 41% загального отриманого прибутку вiд бiотехнологiчних культур у розмiрi 116,9 млрд доларiв США. Рiчний прибуток вiд вирощування трансгенних гербiцидостiйких культур (на прикладi 2012 р.) дорiвнював 6,6 млрд доларiв США, загальний прибуток вiд вирощування бiотехнологiчних сiльськогосподарських культур становив 18,7 млрд доларiв США. © Л.О. Сахно, I. К. Комарницький, М.В. Кучук, 2015 84 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №9 Рис. 1. Схема вектора рСВ133: RB, LB — границi Т-ДНК; Tnos — термiнатор гена нопалiнсинтази; Рnos — промотор гена нопалiнсинтази; Р35S — промотор гена вiрусу мозаїки цвiтної капусти; Тocs — термiнатор гена октопiнсинтази; ТР — транзитний пептид; epsps — ген енолпiрувiлшикиматфосфатсинтази; bar — ген фосфiнотрицинацетилтрансферази Однiєю з шести серед комерцiалiзованих культур, стiйких до глiфосату (N -фосфономе- тилглiцин), крiм кукурудзи, сої, люцерни, цукрового буряка i бавовника, є рiпак [2]. Стiйкий до гербiцидiв рiпак (Brassica napus, так званий аргентинський рiпак) вирощують у Австра- лiї, Канадi, Чилi, Китаї, Європейському Союзi, Японiї, Мексицi, Новiй Зеландiї, Фiлiппiнах, Сiнгапурi, Пiвденнiй Африцi, Пiвденнiй Кореї, США. У Канадi вирощують також транс- геннi рослини Brassica campestris (так званий польський рiпак) [1]. У країнах ЄС зареєстровано шiсть трансгенних подiй рiпаку — GT73 i GT200 (“Mon- santo”), MS8, RF3, MS8xRF3 i T45 (“Bayer”). Подiї, заявленi фiрмою “Монсанто”, характери- зуються стiйкiстю до глiфосату за рахунок експресiї гена 5′-енолпiруватшикиматфосфат- синтази (epsps) [3]. Дозвiл на їх застосування дiйсний до 2017 р. [4]. Iншi зареєстрованi трансгеннi подiї серед перерахованих вище мають толерантнiсть до глюфозинату (фосфi- нотрицину), що її забезпечує експресiя гена фосфiнотрицинацетилтрансферази (bar). Експериментам з отримання бiльш ефективних гербiцидостiйких рослин придiляється значна увага провiдними лабораторiями свiту. Так, для отримання рослин рiпаку, стiй- ких до глiфосату, використовували вектори зi змiненим амiнокислотним складом фермен- ту EPSPS [5], що сприяло пiдвищенню стiйкостi i до гербiциду. Продовжуються дослiд- ження по створенню рослин, здатних до деградацiї глiфосату в рослинi шляхом експресiї глiциноксидази з бактерiї Bacillus subtilis [6]. Отримано рослини рiпаку з одночасною стiй- кiстю до глiфосату i трiазинiв (Triazine tolerant Roundup Ready canola, подiя MONO0894, “Monsanto”) [7]. Метою нашого дослiдження було створення нових трансгенних подiй рiпаку на осно- вi районованих в Українi сортiв з використанням синтетичного гена epsps i гена bar для отримання рослин, одночасно стiйких до гербiцидiв, дiючими речовинами яких є глiфосат i глюфозинат. Вирощування бiотехнологiчного рiпаку з одночасною експресiєю генiв стiй- костi до гербiцидiв двох рiзних груп може бути бiльш ефективним порiвняно з рослинами, в яких активним є один з таких генiв, за рахунок можливостi чергування гербiцидiв при їх застосуваннi, внаслiдок чого зменшується ймовiрнiсть виникнення спонтанно стiйких ди- корослих рослин. Матерiали i методи. Як вихiдний матерiал використовували культивованi в асепти- чних умовах (температура +23 ◦C, освiтлення 4000–5000 лк при 14/10 год (свiтло/темрява) фотоперiодi) рослини двох промислових сортiв ярого рiпаку — Титан i Ексголд. Насiння лю- б’язно надано с. н. с. вiддiлу селекцiї i насiнництва льону та рiпаку Нацiонального наукового центру “Iнститут землеробства УААН” М.В. Слiсарчуком. Трансформацiю з використанням Agrobacterium tumefaciens проводили за розробленою нами ранiше методикою [8]. В експе- риментах використовувався створений нами вектор рСВ133 (рис. 1). Вiн сконструйований на основi вектора рUC19 з колекцiї Iнституту клiтинної бiологiї i генетичної iнженерiї НАН України шляхом ексцизiї гена gus i лiгування гена epsps пiд контроль 35S промотору. Як се- лективний у конструкцiї задiяний ген bar, що надає рослинам стiйкостi до фосфiнотрицину (глюфозинату). ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №9 85 Iнтеграцiю чужорiдних генiв у рослинний геном визначали за допомогою полiмеразної ланцюгової реакцiї (ПЛР). Загальну ДНК з iмовiрно трансгенних рослин видiляли з лис- ткової тканини згiдно з методикою, запрoпонованою W.Y. Cheung зi спiвавт. [9]. Для ре- акцiї використовували 40 нг ДНК рослинного зразка, по 0,5 мкМ вiдповiдних праймерiв, по 200 мкМ кожного з трифосфатiв, 1 од. Taq ДНК-полiмерази, ПЛР реакцiйний буфер, який мав у своєму складi 50 мМ КСl, 10 мМ трис-HCl (pH 9 при 25◦ С), 0,1% Triton X-100 i 2 мM MgCl2. Загальний об’єм сумiшi дорiвнював 20 мкл. Для iдентифiкацiї генiв epsps i bar використовували пари праймерiв 5′-gctgactcctcgagttcaag-3′ i 5′-tcgaatctagactcatcagg-3′ та 5′-atgagcccagaacgacgccggcc-3′ i 5′-cagatctcggtgacgggcaggac-3′ вiдповiдно, що амплiфiкують фрагменти завдовжки 498 i 551 п. н. Iзольована ДНК з нетрансформованих рослин (нега- тивний контроль) i 1 нг плазмiдного вектора рCВ 133 (позитивний контроль) були амплi- фiкованi з тими ж праймерами i за тих самих умов. Реакцiю проводили в амплiфiкаторi “Mastercycler personal” (“Eppendorf“, Нiмеччина). Використовувались такi профiлi для обох генiв: 94 ◦C — 1 хв, 35 циклiв: 94 ◦C — 1 хв, 62 ◦C — 1 хв, 72 ◦C — 30 с, потiм 4 хв при 72 ◦C. Продукти ПЛР аналiзували за допомогою електрофорезу в 1,5%-му агарозному гелi в трис-ацетатнiй буфернiй системi. Тестування на стiйкiсть до глiфосату i глюфозинату в асептичних умовах проводили, вирощуючи ПЛР-позитивнi рослини на поживних агаризованих безгормональних середови- щах MS [10] з додаванням фосфонометилглiцину (2,5 мг/л) або фосфiнотрицину (10 мг/л) вiдповiдно у MagentaTM Box за умов термальної кiмнати (фотоперiод свiтло/темрява — 14/10 год, температура +23 ◦С, освiтленiсть — 4000–5000 лк). Стерильнi розчини гербiци- дiв додавали до середовищ пiсля автоклавування. Оцiнювали коренеутворення i загальний стан рослин за три тижнi. Вимiрювали прирiст сирої бiомаси рослин, вирощених на се- редовищах з гербiцидами i без них. Визначали сумарний розчинний бiлок у листках за M.M. Brаdford [11], оцiнюючи екстракти, отриманi пiсля розтирання в пробiрках на шаро- вому млинi Retsch MM 400 (Нiмеччина) у 50 мМ трис-HCl (pH 8,0) буферi i центрифугу- вання при 13 000 g (4 ◦C) протягом 15 хв, на фотометрi BioPhotometer (“Eppendorf”) v.1.35. при довжинi хвилi 595 нм. Як внутрiшнiй стандарт використовували бичачий сироватковий альбумiн. Експерименти повторювали тричi, в кожному повторi для тестування однiєї лiнiї брали п’ять рослин. Результати i обговорення. У результатi експериментiв з вектором рСВ133 (див. рис. 1) отримано 11 незалежних лiнiй рiпаку двох промислових ярих сортiв, з них 7 лiнiй на основi сорту Ексголд i 4 лiнiї на основi сорту Титан. Селекцiю трансфор- мантiв проводили на регенерацiйних середовищах з фосфiнотрицином (РРТ, 5 мг/л). Можлива селекцiя i з використанням фосфонометилглiцину [12], але в наших екс- периментах вона виявилася бiльш тривалою порiвняно з вiдбором на середовищах з РРТ. Введення синтетичного гена epsps i гена bar показано за допомогою ПЛР (рис. 2). Амплiфiкацiя фрагментiв завдовжки 498 п. н. (ген epsps) i 551 п. н. (ген bar) виявлена для трансгенних лiнiй, тодi як у вихiдних рослин її не задетектовано. Вiдiбранi за допомогою молекулярно-бiологiчних аналiзiв лiнiї рiпаку були розмноженi in vitro живцюванням i проаналiзованi на стiйкiсть до глiфосату i фосфiнотрицину в асе- птичних умовах. Вихiднi рослини жовтiли i не росли, корiння не утворювалося (рис. 3). Дiя глюфозинату виявилася бiльш жорсткою не тiльки на етапi регенерацiї, але i на рiвнi сформованої рослини: загибель нетрансформованих рослин була очевидна вже за тиждень пересадки на середовище з РРТ. Трансформанти розвивалися нормально, впливу гербiцидiв 86 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №9 Рис. 2. Результати ПЛР на наявнiсть генiв epsps (а) i bar (б ) у ядернiй ДНК трансформованих рослин рiпаку сортiв Ексголд i Титан: a: 1 — маркер молекулярної маси; 2 — ДНК вектора рСВ133; 3 — негативний контроль, ДНК нетрансфор- мованої рослини рiпаку; 4–7 — незалежнi трансгеннi лiнiї; б : 1 — маркер молекулярної маси; 2 — ДНК вектора рСВ133; 3–7 — незалежнi трансгеннi лiнiї; 8 — негативний контроль, ДНК нетрансформованої рослини рiпаку Рис. 3. Рослини контрольної (Bn15, сорт Ексголд) i трансгенної (Bn15/133/9) лiнiй рiпаку пiсля трьох тижнiв росту на безгормональному середовищi з глiфосатом (2,5 мг/л, препарат “Ураган Форте”) (а) i фо- сфiнотрицином (б ) у використаних концентрацiях, якi вiдповiдають рекомендованим для обробки фiрмами-ви- робниками, виявлено не було. Загальна бiомаса i вмiст сумарного розчинного бiлка в листках трансгенних рослин, що вирощувалися на середовищах з додаванням гербiцидiв i без них, статистично не вiдрiзня- лися як мiж собою, так i вiд вихiдних рослин при їх вирощуваннi без додавання гербiцидiв (табл. 1). Подiбнi результати були одержанi i в наших експериментах по отриманню рослин рiпаку з експресiєю гена bar, коли у векторi вiн був представлений кодуючою послiдовнiстю з термiнатором, але без промоторної частини [8]. При отриманнi рослин тютюну з трансге- ном сyp11A1 як контрольнi використовували нетрансформованi рослини i трансгеннi, що несли тiльки селективний ген bar, при цьому не спостерiгали вiдмiнностей у темпах росту i накопиченнi бiомаси мiж двома останнiми групами рослин [13]. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №9 87 Таблиця 1. Прирiст бiомаси i сумарний розчинний бiлок (CРБ) у листках асептично вирощених тритижне- вих рослин рiпаку Назва лiнiї Прирiст сирої маси, г СРБ, мг/г сирої маси Без гербiцидiв РРТ Глiфосат Без гербiцидiв РРТ Глiфосат Bn15∗ 2,52± 0,1 0 0 24,15± 1,3 Н. в. Н. в. 15/133/2 2,49± 0,3 2,46± 0,5 2,47± 0,6 23,86± 1,5 23,74± 1,2 23,96± 1,4 15/133/3 2,45± 0,5 2,48± 0,4 2,46± 0,3 24,2± 0,9 23,96± 1,1 24,1± 0,8 15/133/4 2,51± 0,4 2,49± 0,5 2,48± 0,5 24,03± 1,1 23,84± 1,2 23,76± 1,2 15/133/5 2,48± 0,2 2,46± 0,6 2,47± 0,4 23,92± 1,2 24,12± 1,1 23,88± 1,3 15/133/6 2,48± 0,1 2,49± 0,2 2,46± 0,4 24,25± 1,3 23,96± 1,3 23,82± 1,4 15/133/8 2,52± 0,2 2,51± 0,1 2,48± 0,6 23,8± 0,9 24,12± 1,3 23,81± 1,1 15/133/9 2,49± 0,6 2,49± 0,3 2,46± 0,5 24,1± 0,9 23,82± 1,5 23,78± 1,1 Bn17∗∗ 2,48± 0,4 2,49± 0,4 2,45± 0,4 23,96± 1,2 23,87± 1,8 23,78± 1,1 17/133/1 2,48± 0,1 2,46± 0,4 2,45± 0,2 24,12± 1,1 23,78± 1,3 23,9± 1,4 17/133/2 2,51± 0,5 2,48± 0,5 2,46± 0,3 24,05± 0,9 23,76± 1,1 23,98± 1,1 17/133/4 2,49± 0,4 2,45± 0,4 2,48± 0,4 23,85± 1,1 23,7± 1,5 23,65± 1,4 17/133/5 2,51± 0,1 2,48± 0,2 2,46± 0,4 24,15± 1,2 23,84± 1,6 23,9± 1,1 Прим i т ка . Н. в. — не визначали через загибель рослин. ∗Сорт Ексголд, контроль. ∗∗Сорт Титан, контроль. Таким чином, отримано 11 незалежних бiотехнологiчних лiнiй рiпаку двох промислових ярих сортiв, районованих в Українi. Вони поєднують в собi стiйкiсть, яка пiдтверджена при вирощуваннi в асептичних умовах, до гербiцидiв на основi фосфiнотрицину (BASTA) за рахунок експресiї гена bar i гербiцидiв на основi N -фосфонометилглiцину (Roundup) завдяки функцiонуванню синтетичного гена epsps. Цитована лiтература 1. https://isaaa.org/resources/publications/pocketk/10/default.asp. 2. Green J.M. Evolution of glyphosate-resistant crop technology // Weed Science. – 2009. – 57, No 1. – P. 108–117. 3. WO02/36831. Canola event pv-bngt04 (rt73) and compositions and methods for detection thereof / R. Krieb, Q. Zeng. – PCT filed Oct. 22, 2001; PCT publ. Date May 10, 2002. 4. EU register of genetically modified food and feed. Oilseed rape GT73. Art. 8(1)(a), (b) and 20(1)(b) of the Regulation (EC) No 1829/2003. Article 19(3) of Directive 2001/18/EC. 5. Kahrizi D., Salmanian A.H., Afshari A. et al. Simultaneous substitution of Gly96 to Ala and Ala183 to Thr in 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase gene of E. coli (k12) and transformation of rapeseed (Brassica napus L.) in order to make tolerance to glyphosate // Plant Cell Rep. – 2007. – 26, No 1. – P. 95–104. 6. Nicolia A., Ferradini N., Molla G. et al. Expression of an evolved engineered variant of a bacterial glycine oxidase leads to glyphosate resistance in alfalfa // J. Biotechnol. – 2014. – 184. – P. 201–208. 7. http:// roundupreadycanola.com.au /wp-content/uploads / 2014 / 03/What-is-Triazine-Tolerant-Roundup- Ready-canola1.pdf. 8. Сахно Л.А., Гочева Е.А., Комарницкий И.К., Кучук Н.В. Стабильная экспрессия беспромоторного гена bar в трансформированных растениях рапса // Цитология и генетика. – 2008. – № 1. – С. 21–28. 9. Cheung W.Y., Hubert N., Landry B. S. A simple and rapid DNA microextraction method for plant, animal and insect suitable for RAPD and other PCR analyses // PCR Methods Appl. – 1993. – 3, No 1. – P. 69–70. 10. Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures // Physiol Plant. – 1962. – 15, No 3. – P. 473–497. 11. Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantification of microgram quantities of protein utilizing the principle to protein dye binding // Anal. Biochem. – 1976. – 72. – P. 248–254. 88 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №9 12. Wang J.X., Zhao F.Y., Xu P. Use of aroA-M1 as a selectable marker for Brassica napus transformation // Crop Sci. – 2006. – 46, No 2. – P. 706–711. 13. Spivak S.G., Berdichevets I. N., Yarmolinsky D.G. et al. Construction and characteristics of transgenic tobacco Nicotiana tabacum L. plants expressing CYP11A1 cDNA encoding cytochrome P450SCC // Russ. J. Genet. – 2009. – 45, No 9. – P. 1067–1073. References 1. https://isaaa.org/resources/publications/pocketk/10/default.asp. 2. Green J.M. Weed Science, 2009, 57, No 1: 108–117. 3. WO02/36831 Canola event pv-bngt04 (rt73) and compositions and methods for detection thereof, R. Krieb, Q. Zeng, PCT filed Oct. 22, 2001; PCT publ. Date May 10, 2002. 4. EU register of genetically modified food and feed. Oilseed rape GT73. Art. 8(1)(a),(b) and 20(1)(b) of the Regulation (EC) No 1829/2003, Article 19(3) of Directive 2001/18/EC. 5. Kahrizi D., Salmanian A.H., Afshari A. et al. Plant Cell Rep, 2007, 26, No 1, Р. 95–104. 6. Nicolia A., Ferradini N., Molla G. et al. J. Biotechnol, 2014, 184: 201–208. 7. http://roundupreadycanola.com.au/wp-content/uploads/2014/03/What-is-Triazine-Tolerant-Roundup-Re- ady-canola1.pdf 8. Sakhno L.A., Gocheva E.A., Komarnitskii I. K., Kuchuk N.V. Cytol. Genet., 2008, 42, No 1: 21–28 (in Russian). 9. Cheung W.Y., Hubert N., Landry B. S. PCR Method Appl., 1993, 3, No 1: 69–70. 10. Murashige T., Skoog F. Physiol Plant, 1962, 15, No 3: 473–497. 11. Bradford M.M. Anal. Biochem, 1976, 72: 248–254. 12. Wang J.X., Zhao F.Y., Xu P. Crop Sci, 2006, 46, No 2: 706–711. 13. Spivak S.G., Berdichevets I. N., Yarmolinsky D.G. et al. Russ. J. Genet., 2009, 45, No 9: 1067–1073. Надiйшло до редакцiї 05.05.2015Iнститут клiтинної бiологiї та генетичної iнженерiї НАН України, Київ Л.А. Сахно, И.К. Комарницкий, член-корреспондент НАН Украины Н.В. Кучук Получение растений рапсa (Brassica napus L.), устойчивых к гербицидам на основе глифосата и глюфозината Институт клеточной биологии и генетической инженерии НАН Украины, Киев За счет введения в одном векторе синтетического гена энолпируватшикиматфосфатсин- тазы (обеспечивает устойчивость растений к глифосату) и гена фосфинотрицинацетил- трансферазы (отвечает за устойчивость растений к фосфинотрицину, или глюфозинату) путем Agrobacterium tumefaciens-опосредованной трансформации листовых дисков асепти- ческих растений получены линии ярового рапса (Brassica napus L.), созданные на основе двух районированных в Украине сортов (Эксголд и Титан). Молекулярно-биологические анали- зы показали интеграцию генов в ядерную ДНК рапса. Устойчивость растений к гербици- дам Ураган Форте (действующее вещество — глифосат) и BASTA (действующее веще- ство — фосфинотрицин) показана в условиях in vitro. Выращивание биотехнологического рапса с одновременной экспрессией генов устойчивости к гербицидам двух разных групп мо- жет быть более эффективным по сравнению с растениями, у которых активен только один из таких генов, за счет возможности чередования гербицидов при обработках, ввиду чего менее вероятно возникновение спонтанно устойчивых сорняков. Ключевые слова: Brassica napus L., epsps, bar, глифосат, глюфозинат. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №9 89 L.O. Sakhno, I.К. Коmаrnitskii, Corresponding Member of the NAS of Ukraine M.V. Кuchuк Obtaining canola (Brassica napus L.) plants resistant to both glyphosate and glufosinate herbicides Institute of Cell Biology and Genetic Engineering of the NAS of Ukraine, Kiev The biotechnological lines of spring canola (Brassica napus L.) have been created due to the introduction of both synthetic enolpiruvate shikimate phosphate syntase gene and phosphinothricin acetyl transferase gene, which are responsible for the plant resistance to glyphosate and phosphi- nothricin, or glufosinate, respectively, in the same vector using Agrobacterium tumefaciens-medi- ated transformation of leaf disks of aseptic plants of two released Ukrainian varieties (Exgold and Titan). Molecular biological analyses showed the target gene integration into canola’s nuclear DNA. Resistance to Hurricane Forte, as well as BASTA herbicides, was proved under in vitro conditions. The glyphosate and phosphinothricin worked as active agents in the mentioned herbicides, respecti- vely. The planting of biotechnological canola plants that simultaneously express resistance genes to herbicides from two different groups may be more effective in comparison with plants, which possess only one of such genes because of the opportunity of herbicide interchange under the applications. It decreases the probability of the emergence of spontaneously tolerant weeds. Keywords: Brassica napus L., epsps, bar, glyphosate, glufosinate. 90 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №9