biologyscienceТимирязевский биологический журналTimiryazev Biological Journal2949-4710ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева)10.26897/2949-4710-2024-2-4-15-29biologyscience-209Research Article3 - ГЕНЕТИКА, БИОТЕХНОЛОГИЯ, БИОХИМИЯ3 - GENETICS, BIOTECHNOLOGY, BIOCHEMISTRYПрименение генной инженерии для повышения радиоустойчивости растений в условиях космических полетовUse of genetic engineering to improve radio tolerance of plants under space flight conditionshttps://orcid.org/0009-0005-2195-6137ЧувиноваИ. В.ChuvinovaI. V.

Ирина Викторовна Чувинова, кандидат педагогических наук, доцент кафедры медицинской биологии

392036, г. Тамбов, ул. Интернациональная, 33

Irina V. Chuvinova, CSc (Ed), Assistant Professor at the Department of Medical Biology

33 Internatsionalnaya St., Tambov 392036

chuvinovair@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0006-7187-0558БеловаВ. В.BelovaV. V.

Валерия Владимировна Белова, старший лаборант кафедры медицинской биологии

392036, г. Тамбов, ул. Интернациональная, 33

Valeria V. Belova, Senior Laboratory Assistant at the Department of Medical Biology

33 Internatsionalnaya St., Tambov 392036

vuz.lera@yandex.ruТамбовский государственный университет имени Г.Р. ДержавинаРоссияDerzhavin Tambov State UniversityRussian Federation202411052025241529Copyright © Чувинова И.В., Белова В.В., 20252025Чувинова И.В., Белова В.В.Chuvinova I.V., Belova V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.bioscience-journal.com/jour/article/view/209

В статье приведено потенциальное решение проблемы повышения радиоустойчивости растений при их взаимодействии с галактической космической радиацией путем переноса прокариотических генов ферментов репарации ДНК и регуляторных генов путей репарации в растения. В частности, рассматривается возможность использования Deinococcus radiodurans в качестве донора необходимых генов ввиду высокой радиорезистентности данной бактерии. Нами предлагается применить для этой цели несколько генов D. radiodurans (uvrD, irrE и pprM) по причине наличия положительного опыта их использования. Использование гена irrE для трансформации растений уже доказано, тогда как применение генов uvrD и pprM нуждается в дополнительных исследованиях по причине наличия опытов только на прокариотах. Вместе с тем нужно отметить, что среди растительных белков существуют гомологи UvrD-хеликазы Escherichia coli, при этом растительные гомологи этого фермента содержат такие же консервативные домены, что и бактериальная UvrD-хеликаза. Это может облегчить работу данного прокариотического белка, который будет синтезироваться в растениях, полученных путем генной инженерии. Ввиду преобладающего негативного влияния космического излучения на растения, использование данного метода является многообещающим и открывает новые возможности для создания устойчивых к данному фактору сортов.

The article presents a potential solution to the problem of increasing the radiation resistance of plants in their interaction with galactic cosmic radiation by transferring prokaryotic genes of DNA repair enzymes and regulatory genes of repair pathways into plants. In particular, the possibility of using Deinococcus radiodurans as a donor of the necessary genes is being considered due to the high radioresistance of this bacterium. We propose to apply several D. radiodurans genes (uvrD, irrE and pprM) for this purpose due to the positive experience of their use. The use of the irrE gene for plant transformation has already been proven, while the use of the uvrD and pprM genes requires additional research due to the presence of experiments only on prokaryotes. At the same time, it should be noted that among plant proteins there are homologues of Escherichia coli UvrD helicase, while plant homologues of this enzyme contain the same conserved domains as bacterial UvrD helicase. This can facilitate the work of this prokaryotic protein, which will be synthesized in plants obtained by genetic engineering. Due to the prevailing negative effects of cosmic radiation on plants, the use of this method is promising and opens up new opportunities for creating varieties resistant to this factor.

генная инженериягоризонтальный перенос геновDeinococcus radioduransEscherichia coliкосмическая радиациярадиоустойчивость растенийgenetic engineeringhorizontal gene transferDeinococcus radioduransEscherichia colicosmic radiationradiation resistance of plantsReferencesЛебедев В.М., Платова Н.Г., Спасский А.В., Труханов К.А. и др. Использование 120 см циклотрона для исследования совместного воздействия ионизирующего излучения и гипомагнитных условий на семена салата // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2020. Т. 84, № 4. С. 487-491. https://doi.org/10.31857/S0367676520040171Lebedev V.M., Spassky A.V., Zagirdinova E.F., Platova N.G. et al. Study of the simultaneous exposure of lettuce seeds to ionizing radiation and hypomagnetic conditions: application of a 120-cm cyclotron. Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Seriya fizicheskaya. 2020;84(4):373-377. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0367676520040171Зотов А.В., Кавеленова Л.М., Курганская Л.В., Горелов Ю.Н. Влияние экспозиции на борту космического аппарата «ФОТОН-м» № 4 на всхожесть семян и рост корней проростков различных сортов лука // Вестник молодых ученых и специалистов Самарского государственного университета. 2015. № 2 (7). С. 69-73. EDN: WHPFNHZotov A.V., Kavelenova L.M., Kurganskaya L.V., Gorelov Yu.N. The effect of the exposition on board of the spaceship Foton M № 4 on seed germination and root growth of seedlings from the test object allium seeds. Vestnik molodykh uchenykh i spetsialistov Samarskogo gosudarstvennogo universiteta. 2015;2(7):69-73. (In Russ.)Агапов А.А., Кульбачинский А.В. Механизмы стрессоустойчивости и регуляция экспрессии генов у радиорезистентной бактерии Deinococcus radiodurans (обзор) // Биохимия. 2015. Т. 80, № 10. С. 1461-1479. EDN: UYGEYLAgapov A.A., Kulbachinskiy A.V. Mechanisms of stress resistance and gene regulation in the radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans. Biokhimy. 2015;80(10):1461-1779. (In Russ.)Кобялко В.О., Пименов Е.П. Действие радиации на микроорганизмы и чувствительность разных таксономических групп к облучению // Актуальные вопросы сельскохозяйственной радиобиологии: Труды Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии» (ФГБНУ ВНИИРАЭ). Вып. 2 / Под ред. С.А. Гераськина. Обнинск: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии», 2019. С. 119-130. EDN: GTSLAKKobyalko V.O., Pimenov E.P. Effect of radiation on microorganisms and sensitivity of different taxonomic groups to radiation. In: Aktualnye voprosy selskokhozyaystvennoy radiobiologii: Trudy Federalnogo gosudarstvennogo byudzhetnogo nauchnogo uchrezhdeniya “Vserossiyskiy nauchno-issledovatelskiy institut radiologii i agroekologii” (FGBNU VNIIRAE). Obninsk, Russia: Russian Institute of Radiology and Agroecology of National Research Centre “Kurchatov Institute”, 2019:119-130. (In Russ.)Михель И.М., Халилуев М.Р. Трансгенные растения томата (Solanum lycopersicum l.): прямые методы введения генов и факторы, влияющие на эффективность трансформации (обзор) // Сельскохозяйственная биология. 2022. Т. 57, № 3. С. 518-541. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2022.3.518rusMikhel I.M., Khaliluev M.R. Transgenic tomato plants (Solanum lycopersicum L.): direct methods of gene transfer and factors affecting transformation efficiency (review). Agricultural Biology. 2022;57(3):518-541. (In Russ.) https://doi.org/10.15389/agrobiology.2022.3.518rusТатьков С.И., Дейнеко Е.В., Фурман Д.П. Перспективы создания противотуберкулезных вакцин нового поколения // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2011. Т. 15, № 1. С. 114-129. EDN: NYPUEDTat’kov S.I., Deineko E.V., Furman D.P. Prospects for designing a new generation of anti-tuberculosis vaccines. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2011;15(1):114-129. (In Russ.)Монахова Д.Д., Щеголева В.А., Самсонов И.Ю., Романтеева Ю.В. и др. Перспективы создания вакцин на растительной основе // Modern Science. 2022. № 1-1. С. 2015-2021. EDN: ZGWOMUMonakhova D.D., Shchegoleva V.A., Samsonov I.Yu., Romanteeva Yu.V. et al. Prospects for creating plant-based vaccines. Modern Science. 2022;1-1:2015-2021. (In Russ.)Бахланова И.В., Байтин Д.М. Рекомбиногенный потенциал белков КееЛ: эволюционные возможности и последствия для бактериальной клетки // Цитология. 2016. Т. 58, № 11. С. 817-824. EDN: XXRUGZBakhlanova I.V., Baitin D.M. Recombinogenic potential of RecA protein: evolutionary opportunities and consequences for bacteria cell. Tsitologiya. 2016;58(11):817-824. (In Russ.)Вербенко В.Н., Кузнецова Л.В., Крупьян Е.П., Шалгуев В.И. Экспрессия гена recA Deinococcus radiodurans в клетках Escherichia coli // Генетика. 2009. Т. 45, № 10. С. 1353-1360. EDN: KWIRHPVerbenko V.N., Kuznetsova L.V., Krupyan E.P., Shalguev V.I. Expression of recA gene of Deinococcus radiodurans in Escherichia coli cells. Genetica. 2009;45(10):1353-1360. (In Russ.)Гулевич Е.П., Кузнецова Л.В., Киль Ю.В., Вербенко В.Н. Особенности ДНК-геликазы, кодируемой геном uvrD Deinococcus radiodurans R1, выявленные в клетках Escherichia coli K-12 // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2020. Т. 38, № 1. С. 34-39. https://doi.org/10.17116/molgen20203801134Gulevich E.P., Kuznetsova L.V., Kil Y.V., Verbenko V.N. Peculiarities of the Deinococcus radiodurans r1 uvrD coded DNA helicase revealed in Escherichia coli k-12 cells. Molekularnaa Genetika Mikrobiologia i Virusologia. 2020;35(1):32-37. (In Russ.) https://doi.org/10.17116/molgen20203801134Tuteja R., Tuteja N. Analysis of DNA repair helicase UvrD from Arabidopsis thaliana and Oryza sativa. Plant Physiology and Biochemistry. 2013;71:254-260. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2013.07.022Tuteja R., Tuteja N. Analysis of DNA repair helicase UvrD from Arabidopsis thaliana and Oryza sativa. Plant Physiology and Biochemistry. 2013;71:254-260. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2013.07.022Zhang Y., Ma R., Zhao Z., Zhou Z. et al. irrE, an exogenous gene from Deinococcus radiodurans, improves the growth of and ethanol production by a Zymomonas mobilis strain under ethanol and acid stress. Journal of Microbiology and Biotechnology. 2010;20(7):1156-1162. https://doi.org/10.4014/jmb.0912.12036Zhang Y., Ma R., Zhao Z., Zhou Z. et al. irrE, an exogenous gene from Deinococcus radiodurans, improves the growth of and ethanol production by a Zymomonas mobilis strain under ethanol and acid stress. Journal of Microbiology and Biotechnology. 2010;20(7):1156-1162. https://doi.org/10.4014/jmb.0912.12036Zhao P., Zhou Z., Zhang W., Lin M. et al. Global transcriptional analysis of Escherichia coli expressing IrrE, a regulator from Deinococcus radiodurans, in response to NaCl shock. Molecular BioSystems. 2015;11(4):1165-1171. https://doi.org/10.1039/c5mb00080gZhao P., Zhou Z., Zhang W., Lin M. et al. Global transcriptional analysis of Escherichia coli expressing IrrE, a regulator from Deinococcus radiodurans, in response to NaCl shock. Molecular BioSystems. 2015;11(4):1165-1171. https://doi.org/10.1039/c5mb00080gPark S.H., Singh H., Appukuttan D., Jeong S. et al. PprM, a Cold Shock Domain-Containing Protein from Deinococcus radiodurans, Confers Oxidative Stress Tolerance to Escherichia coli. Frontiers in Microbiology. 2017;7:2124. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.02124Park S.H., Singh H., Appukuttan D., Jeong S. et al. PprM, a Cold Shock Domain-Containing Protein from Deinococcus radiodurans, Confers Oxidative Stress Tolerance to Escherichia coli. Frontiers in Microbiology. 2017;7:2124. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.02124Pan J., Wang J., Zhou Z., Yan Y. et al. IrrE, a global regulator of extreme radiation resistance in Deinococcus radiodurans, enhances salt tolerance in Escherichia coli and Brassica napus. PLoS One. 2009;4(2): e4422. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0004422Pan J., Wang J., Zhou Z., Yan Y. et al. IrrE, a global regulator of extreme radiation resistance in Deinococcus radiodurans, enhances salt tolerance in Escherichia coli and Brassica napus. PLoS One. 2009;4(2): e4422. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0004422Shi Y., Wu W., Qiao H., Yue L. et al. The protein PprI provides protection against radiation injury in human and mouse cells. Scientific Reports. 2016;6:26664. https://doi.org/10.1038/srep26664Shi Y., Wu W., Qiao H., Yue L. et al. The protein PprI provides protection against radiation injury in human and mouse cells. Scientific Reports. 2016;6:26664. https://doi.org/10.1038/srep26664Wen L., Yue L., Shi Y., Ren L. et al. Deinococcus radiodurans pprI expression enhances the radioresistance of eukaryotes. Oncotarget. 2016;7(13):15339-15355. https://doi.org/10.18632/oncotarget.8137Wen L., Yue L., Shi Y., Ren L. et al. Deinococcus radiodurans pprI expression enhances the radioresistance of eukaryotes. Oncotarget. 2016;7(13):15339-15355. https://doi.org/10.18632/oncotarget.8137Chen T.T., Hua W., Zhang X.Z., Wang B.H. et al. The effects of pprI gene of Deinococcus radiodurans R1 on acute radiation injury of mice exposed to 60Co γ-ray radiation. Oncotarget. 2017;8(2):2008-2019. https://doi.org/10.18632/oncotarget.13893Chen T.T., Hua W., Zhang X.Z., Wang B.H. et al. The effects of pprI gene of Deinococcus radiodurans R1 on acute radiation injury of mice exposed to 60Co γ-ray radiation. Oncotarget. 2017;8(2):2008-2019. https://doi.org/10.18632/oncotarget.13893Юров С.С., Кожокару А.Ф., Дмитриевский И.М., Нечитайло Г.С. Генетико-физиологические и физико- химические исследования Lycopersicon esculentum Mill., выращенных из семян, экспонированных в длительном космическом полёте // Современные проблемы науки и образования. 2008. № 5. С. 18-24. EDN: JQQCRJYurov S.S., Cozhocaru A.F., Dmitrievskiy I.M., Nechitailo G.S. Genetics-physiologal and physico-chemical studies of Lycopersicon esculentum Mill., growing from seeds, exposed to irradiation during the cosmic flight. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2008;5:18-24. (In Russ.)Шагимарданова Е.И., Гусев О.А., Сычев В.Н., Левинских М.А. и др. Экспрессия генов стрессового ответа ячменя Hordeum vulgare, выросшего на борту Международной космической станции // Ученые записки Казанского государственного университета. Серия «Естественные науки». 2010. Т. 152, № 1. С. 166-173. EDN: LRHYFFShagimardanova E.I., Gusev O.A., Sychev V.N., Levinskikh M.A. et al. Stress defense genes expression of barley Hordeum vulgare grown onboard international space station. Uchenye zapiski Kazanskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye nauki. 2010;152(1):166-173. (In Russ.)Абрашкин В.И., Авдеева Е.В., Куркин В.А., Рыжов В.М. и др. О предварительных результатах космического эксперимента с семенами высших растений на КА «Бион-м» № 1 // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. 2013. № 9-1 (110). С. 140-150. EDN: QBRFHPAbrashkin V.I., Avdeeva E.V., Kurkin V.A., Ryzhov V.M. et al. Sconcerning the primary results of space experiment with the higher plants seeds exposed on spacecraft “Bion-M” № 1. Bulletin of Samara State University. Natural Science Series. 2013;9-1(110):140-150. (In Russ.)Горелов Ю.Н., Кавеленова Л.М., Курганская Л.В., Розно С.А. и др. К начальным результатам космического эксперимента с семенами редких растений природной флоры на космическом аппарате «Бион-М» № 1 // Известия Самарского научного центра РАН. 2015. Т. 17, № 6-1. С. 294-298. EDN: VMFNLHGorelov Yu.N, Kavelenova L.M, Kurganskaya L.V, Rozno S.A. et al. To the primary results of space experiment with seeds of natural flora rare plants on the “Bion-M” No 1 spacecraft. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN. 2015;17(6-1):294-298. (In Russ.)Петрашова Д.А., Белишева Н.К. Цитогенетические эффекты высокоэнергетической нейтронной компоненты космических лучей в клетках меристемы Allium cepa // Труды Кольского научного центра РАН. 2015. № 6 (32). С. 41-49. EDN: VSLZIVPetrashova D.A., Belisheva N.K. The cytogenetic effects of the cosmic rays high-energy neutron component in the Allium сера meristematic cells. Trudy Kolskogo nauchnogo tsentra RAN. 2015;6(32):41-49. (In Russ.)Галабурда А.Е., Герич Р.В., Норенко Е.Е., Пашков А.Н. и др. Некоторые аспекты влияния факторов космического полета и космического пространства на высшие растения // Молодежный инновационный вестник. 2017. Т. 6, № 2. С. 255-256. EDN: YTOZAHGalaburda A.Ye., Gerich R.V., Norenko Ye.Ye., Pashkov A.N. et al. Some aspects of the influence of space flight and space factors on higher plants. Molodezhniy innovatsionniy vestnik. 2017;6(2):255-256. (In Russ.)Харченко В.А., Голубкина Н.А., Скрыпник Л.Н., Мурариу О.К. и др. Особенности биохимических показателей и элементного состава сортов салата Lactuca sativa L., выращенных из семян после длительного хранения на МКС // Овощи России. 2024. № 2. С. 37-42. https://doi.org/10.18619/2072-9146-2024-2-37-42Kharchenko V.A., Golubkina N.А., Skrypnik L.N., Murariu O.C. et al. Peculiarities of biochemical and mineral composition of lettuce Lactuca sativa L. grown from seeds after long-term storage in the international space station. Vegetable Crops of Russia. 2024;2:37-42. (In Russ.) https://doi.org/10.18619/2072-9146-2024-2-37-42Левинских М.А., Нефедова Е.Л., Сигналова О.Б., Сычев В.Н. и др. Влияние экстремальных условий внешней среды на рост и развитие растений (опыт ГНЦ рф – ИМБП ран по культивированию растений на борту орбитальных космических аппаратов и на антарктической станции «Восток») // А.Л. Чижевский. Вклад в науку и культуру: Материалы IV Международной научно-практической конференции, посвященной сохранению научного наследия и развитию идей А.Л. Чижевского. Калуга, 15-17 февраля 2024 г. Калуга: ИП Стрельцов И.А. (Эйдос), 2024. С. 93-96. EDN: MFCOYNLevinskikh M.A., Nefedova E.L., Signalova O.B., Sychev V.N. et al. Influence of extreme environmental conditions on plant growth and development (the experience of the scientific research center of the Russian Federation – IMBP RAS on plant cultivation on board orbiting spacecraft and at the Vostok antarctic station). IV Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskoaya konferentsiya, posvyashchennaya sokhraneniyu nauchnogo naslediya i razvitiyu idey A.L. Chizhevskogo ‘A.L. Chizhevskiy. Vklad v nauku i kul’turu’. February 15-17, 2024. Kaluga, Russia: IP Streltsov I.A. (Eydos), 2024:93-96. (In Russ.)Zhang Y., Richards J.T., Feiveson A.H., Richards S.E. et al. Response of Arabidopsis thaliana and Mizuna Mustard Seeds to Simulated Space Radiation Exposures. Life (Basel, Switzerland). 2022;12(2):144. https://doi.org/10.3390/life12020144Zhang Y., Richards J.T., Feiveson A.H., Richards S.E. et al. Response of Arabidopsis thaliana and Mizuna Mustard Seeds to Simulated Space Radiation Exposures. Life (Basel, Switzerland). 2022;12(2):144. https://doi.org/10.3390/life12020144Kuang Q., He C., Huang H., Jiang H. Multi-omic analysis on the molecular mechanisms of rapid growth in ‘Deqin’ alfalfa after space mutagenesis. BMC Plant Biology. 2025;25(1):34. https://doi.org/10.1186/s12870-025-06060-5Kuang Q., He C., Huang H., Jiang H. Multi-omic analysis on the molecular mechanisms of rapid growth in ‘Deqin’ alfalfa after space mutagenesis. BMC Plant Biology. 2025;25(1):34. https://doi.org/10.1186/s12870-025-06060-5Dixit A.R., Meyers A.D., Richardson B., Richards J.T. et al. Simulated galactic cosmic ray exposure activates dose-dependent DNA repair response and down regulates glucosinolate pathways in arabidopsis seedlings. Frontiers in Plant Science. 2023;14:1284529. https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1284529Dixit A.R., Meyers A.D., Richardson B., Richards J.T. et al. Simulated galactic cosmic ray exposure activates dose-dependent DNA repair response and down regulates glucosinolate pathways in arabidopsis seedlings. Frontiers in Plant Science. 2023;14:1284529. https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1284529

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