Применение генной инженерии для повышения радиоустойчивости растений в условиях космических полетов

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.

1. Лебедев 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/S0367676520040171

2. Зотов 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: WHPFNH

3. 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: UYGEYL

4. 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: GTSLAK

5. 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.2022.3.518rus

6. Татьков 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: NYPUED

7. 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: ZGWOMU

8. 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: XXRUGZ

9. 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: KWIRHP

10. 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/molgen20203801134

11. Tuteja 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.2013.07.022

12. Zhang 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.0912.12036

13. Zhao 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/c5mb00080g

14. Park 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.2016.02124

15. Pan 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.0004422

16. Shi 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/srep26664

17. Wen 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.8137

18. Chen 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.13893

19. Юров 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: JQQCRJ

20. 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: LRHYFF

21. 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: QBRFHP

22. 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: VMFNLH

23. 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: VSLZIV

24. 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: YTOZAH

25. 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/10.18619/2072-9146-2024-2-37-42

26. Левинских 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: MFCOYN

27. 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/life12020144

28. Kuang 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/s12870-025-06060-5

29. Dixit 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