ARABIDOPSIS THALIANA (L.) HEYNH. ЯК МОДЕЛЬНИЙ ОБ’ЄКТ ЕКОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
DOI:
https://doi.org/10.58407/bht.3.23.6Ключові слова:
Arabidopsis thaliana (L.) Heynh., концепція, оперативний біомоніторингАнотація
Мета роботи. Обґрунтувати переваги застосування Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. в системі оперативного біомоніторингу для зон надзвичайних екологічних ситуацій.
Методологія досліджень базувалася на загальнонаукових методах (узагальнення, порівняння, аналізу та синтезу, теоретико-методичного обґрунтування).
Наукова новизна. Запропоновано концепцію оперативного біомоніторингу, яку умовно можна назвати дрозофільною, оскільки у центрі два типи дрозофіл. Одна рослинна – Arabidopsis thaliana, друга класична Drosophila melanogaster. Обидва види мають подібні життєві характеристики, малий розмір, невибагливість в утриманні та велике різноманіття мутантних форм, геном секвенований та анотований. Підтверджено об’єктивність паралелізму між цими двома видами. Показано переваги A. thaliana та D. melanogaster, як зручних моделей для тестування впливу полютантів на організм.
Висновки. Основною складовою системного аналізу природного середовища є інформаційно значущі показники мінливості ознак, що легко діагностуються. Оперативний біомоніторинг спрямований на швидке та точне діагностування екологічної ситуації та може бути перспективним на територіях, небезпечних для тривалого перебування самого дослідника-еколога.
Концепція оперативного біомоніторингу, яку умовно називаємо дрозофільною, передбачає використання Arabidopsis thaliana та Drosophila melanogaster, що мають малий розмір, невибагливість в утриманні та велике різноманіття мутантних форм, геном секвенований та анотований, як моделей для тестування впливу полютантів на живий організм.
Arabidopsis thaliana відповідає критерію добре охарактеризованих модельних організмів і є однією з найкращих експериментальних систем для вивчення різних процесів. Arabidopsis є корисною моделлю для дослідження гравітропізму, генетики, геноміки та оперативного моніторингу. На відміну від тваринних модельних організмів, для яких збереження ліній часто передбачає безперервну поточну роботу, насіння цього модельного організму може зберігатися тривалий час. Глибина розуміння та легкість маніпуляцій у системі Arabidopsis неперевершена, тому ця рослина залишиться еталонною рослиною в осяжному майбутньому.
Завантаження
Посилання
Andalo, C., Raquin, C., Machon, N., Godelle, B., & Mousseau, M. (1998). Direct and Maternal Effects of Elevated CO2 on Early Root Growth of Germinating Arabidopsis thaliana Seedlings. Annals of Botany, 81(3), 405-411. https://doi.org/10.1006/anbo.1997.0574
Arabidopsis Genome Initiative. (2000). Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana. Nature, 408, 796–815. https://doi.org/10.1038/35048692
Arany, A. M., de Jong, T. J., & van der Meijden, E. (2005). Herbivory and abiotic factors affect population dynamics of Arabidopsis thaliana in a sand dune area. Plant Biol., 7, 549–556. https://doi.org/10.1055/s-2005-865831
Azaiez, A., Bouchard, E.F., Jean, M., & Belzile, F.J. (2006). Length, orientation, and plant host influence the mutation frequency in microsatellites. Genome, 49(11), 1366-73. https://doi.org/10.1139/g06-099
Badre, N.H., Martin, M.E., & Cooper, R.L. (2005). The physiological and behavioral effects of carbon dioxide on Drosophila melanogaster larvae. Comp. Biochem. Physiol. A Mol. Integr. Physiol., 140(3), 363-376. https://doi.org/10.1016/j.cbpb.2005.01.019
Boron, A. K., & Vissenberg, K. (2014). The Arabidopsis thaliana hypocotyl, a model to identify and study control mechanisms of cellularexpansion. Plant Cell Reports, 33, 697–706 https://doi.org/10.1007/s00299-014-1591-x
Calap-Quintana, P., González-Fernández, J., Sebastiá-Ortega, N., Llorens, J., & Moltó, M.D. (2017). Drosophila melanogaster Models of Metal-Related Human Diseases and Metal Toxicity. Int. J. Mol. Sci., 18(7), 1456-1466. https://doi.org/10.3390/ijms18071456
Cheng, C. Y., Krishnakumar, V., Chan, A. P., Thibaud-Nissen, F., Schobel, S., & Town, Ch. D. (2017). Araport11: a complete reannotation of the Arabidopsis thaliana reference genome. Plant J., 89, 789-804.
Christophe, A., Janraquin, C., Machon, N., Godelle, B., & Mousseau, M. (1998). Direct and Maternal Effects of Elevated CO2 on Early Root Growth of Germinating Arabidopsis thaliana Seedlings. Annals of Botany, 81, 405-411 https://doi.org/10.1006/anbo.1997.0574
Colinet, H., & Renault, D. (2012). Metabolic effects of CO2 anesthesia in Drosophila melanogaster. Biology Letters, 8(6), 1050-1054. https://doi.org/10.1098%2Frsbl.2012.0601
Eljebbawi, A. (2021). Arabidopsis thaliana: un modèle pour étudier les adaptations thermique et saline des plantes dans les Pyrénées. [Doctoral Thesis, Université Toulouse]. URL: https://www.theses.fr/2021TOU30189
Hines, G., Modavi, C., Jiang, K., Packard, A., Poolla, K., & Feldman, L. (2015). Tracking transience: A method for dynamic monitoring of biological events in Arabidopsis thaliana biosensors. Planta, 242(5), 1251-1261. https://doi.org/10.1007/s00425-015-2393-2
Ilnytskyy, Y., Boyko, A., & Kovalchuk, I. (2004). Luciferase-based transgenic recombination assay is more sensitive than β-glucoronidase-based. Mutation Research / Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis, 559(1-2), 189-197. https://doi.org/10.1016/j.mrgentox.2004.02.001
Inamdar, A.A., Zaman, T., Morath, S.U., Pu, D.C., & Bennett, J.W. (2014). Drosophila melanogaster as a model to characterize fungal volatile organic compounds. Environ. Toxicol., 29(7), 829-836. https://doi.org/10.1002/tox.21825
Jonak, C., Nakagami, H., & Hirt, H. (2004). Heavy metal stress. Activation of distinct mitogen-activated protein kinase pathways by copper and cadmium. Plant physiology, 136(2), 3276-3283. https://doi.org/10.1104/pp.104.045724
Kovalchuk, I., & Kovalchuk, O. (2008). Transgenic Plants as Sensors of Environmental Pollution Genotoxicity. Sensors (Basel). 8(3): 1539-1558. https://doi.org/10.3390%2Fs8031539
Kovalchuk, I., Kovalchuk, O., Arkhipov, A., & Hohn, B. (1998). Transgenic plants are sensitive bioindicators of nuclear pollution caused by the Chernobyl accident. Nat. Biotechnology, 16(11), 1054-1059. https://doi.org/10.1038/3505
Kovalchuk, I., Kovalchuk, O., & Hohn, B. (2000). Genome-wide variation of the somatic mutation frequency in transgenic plants. EMBO J., 19(17), 4431-4438. https://doi.org/10.1093/emboj/19.17.4431
Kovalchuk, O., Kovalchuk, I., Titov, V., Arkhipov, A., & Hohn, B. (1999). Radiation hazard caused by the Chernobyl accident in inhabited areas of Ukraine can be monitored by transgenic plants. Mutat. Res., 446(1), 49-55. https://doi.org/10.1016/s1383-5718(99)00147-3
Kovalchuk, O., Telyuk, P., Kovalchuk, L., Kovalchuk, I., & Titov, V. (2003) Novel plant bioassays for monitoring the genotoxicity of drinking water from the inhabited areas of the Ukraine affected by the Chernobyl accident. Bull. Environ. Contam. Toxicol., 70(5), 847-853. https://doi.org/10.1007/s00128-003-0060-y
Kovalchuk, O., Titov, V., Hohn, B., & Kovalchuk, I. (2001). A sensitive transgenic plant system to detect toxic inorganic compounds in the environment. Nat. Biotechnol., 19(6), 568-572. https://doi.org/10.1038/89327
Kovalchuk, O., Dubrova, Y., Arkhipov, A., Hohn, B., & Kovalchuk, I. (2000). Wheat DNA mutation rate after Chernobyl. Nature, 407(6804), 583-584. https://doi.org/10.1038/35036692
Kovalchuk, І., Kovalchuk, O., & Hohn, B. (2001). Biomonitoring the genotoxicity of environmental with transgenic plants. Trends in Plant Science, 6(7), 306-310. https://doi.org/10.1016/s1360-1385(01)01985-9
Kovalchuk, L.E. (2018). The use of transgenic plants Arabidopsis thaliana as markers of environmental contamination with radionuclides (“Biological Geiger counter”). In: Scientists-Inventors of Ivano-Frankivsk National Medical University – in the Service of Human Health (pp 24-35). Ivano-Frankivsk. (in Ukrainian)
Ковальчук Л.Є. Використання трансгенних рослин Arabidopsis thaliana як маркерів забруднення довкілля радіонуклідами («Біологічний лічильник Гейгера»). Вчені-винахідники Івано-Франківського національного медичного університету – на службі здоров'я людини. Івано-Франківськ, 2018. С. 24–35.
Kozeko, L., Talalaiev, O., Neimash, V., & Povarchuk, V. (2015). A protective role of HSP90 chaperone in gamma-irradiated Arabidopsis thaliana seeds. Life Sciences in Space Research, 6, 51-58. https://doi.org/10.1016/j.lssr.2015.07.002
Lee, S., Hung, R., Yin, G., Klich, M. A., Grimm, C., & Bennett, J.W. (2016). Arabidopsis thaliana as Bioindicator of Fungal VOCs in Indoor Air. Mycobiology, 44(3), 162-170. https://doi.org/10.5941/myco.2016.44.3.162
Maksymiec, W., & Krupa, Z. (2006). The effects of short-term exposition to Cd, excess Cu ions and jasmonate on oxidative stress appearing in Arabidopsis thaliana. Environmental and Experimental Botany, 57, 187-194. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2005.05.006
Maksymiec, W., Wianowska, D., Dawidowicz, A.L., Radkiewicz, S., Mardarowicz, M., & Krupa, Z. (2005). The level of jasmonic acid in Arabidopsis thaliana and Phaseolus coccineus plants under heavy metal stress. Journal of Plant Physiology, 162(12), 1338-1346. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2005.01.013
Maksymiec, W., Wianowska, D., Dawidowicz, A.L., Radkiewicz, S., Mardarowicz, M., & Krupa, Z. (2005). The level of jasmonic acid in Arabidopsis thaliana and Phaseolus coccineus plants under heavy metal stress. J. Plant Physiol., 162, 1338–1346.
Matheson, A. C., & Parsons, P. A. (1973). The genetics of resistance to long-term exposure to CO2 in Drosophila melanogaster; an environmental stress leading to anoxia. Theor. Appl. Genet., 43(6), 261-268. https://doi.org/10.1007/bf00277786
Meyer, A.J., Brach, T., Marty, L., Kreye, S., Rouhier, N., Jacquot, J.P., & Hell, R. (2007). Redox-sensitive GFP in Arabidopsis thaliana is a quantitative biosensor for the redox potential of the cellular glutathione redox buffer. Plant Journal, 52(5), 973-986. https://doi.org/10.1111/j.1365-313x.2007.03280.x
Morkunas, I., Woźniak, A., Mai, V. Ch., Rucińska-Sobkowiak, R., & Jeandet. The Role of Heavy Metals in Plant Response to Biotic Stress. Molecules, 23(9), 2320 -2335. https://doi.org/10.3390%2Fmolecules23092320
Mosleh Arany, A. (2006). Ecology of Arabidopsis thaliana: local adaptation and interaction with herbivores. [Doctoral Thesis, Leiden University]. URL: https://hdl.handle.net/1887/3771.
Orel, N., & Kovalchuk, L. (2003). Cloning of sir2, rpd3 gene constructs and obtaining transgenic lines of Arabidopsis thaliana for testing chemical mutagens. Visnyk Lviv. Un-tu. Biological Series, (34), 128-134. (in Ukrainian)
Орел Н., Ковальчук Л. Клонування конструкцій генів sir2, rpd3 та отримання трансгенних ліній Arabidopsis thaliana для тестування хімічних мутагенів. Вісник Львів. ун-ту. Серія біологічна. 2003. Вип. 34, С. 128-134.
Panchuk, I.I., Volkov, R.A., & Schöffl, F. (2002). Heat stress- and heat shock transcription factor-dependent expression and activity of ascorbate peroxidase in Arabidopsis. Plant physiology, 129(2), 838-853. https://doi.org/10.1104/pp.001362
Puchta, H., Swoboda, P., & Hohn, B. (1995). Induction of homologous DNA recombination in whole plants. Plant J., 7(2), 203-210. http://surl.li/ojhsq
Rudenko, S.S., & Morozova, T.V., (2018) Thigmomorphogenesis of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. and its indicative value. Science and Education a New Dimension. Natural and Technical Sciences, VI(22), 13-17. https://doi.org/10.31174/SEND-NT2018-186VI22-03. (in Ukrainian)
Руденко С.С., Морозова Т.В. Тигмоморфогенез Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. та його індикаційне значення. Science and Education a New Dimension. Natural and Technical Sciences. 2018. Вип.VI, № 22. C. 13-17. https://doi.org/10.31174/SEND-NT2018-186VI22-03
Schmöger, M.E, Oven, M., & Grill, E. (2000). Detoxification of arsenic by phytochelatins in plants. Plant Physiology, 122(3), 793-801. https://doi.org/10.1104%2Fpp.122.3.793
Suzuki, N., Koizumi, N., & Sano, H. (2002). Screening of cadmium-responsive genes in Arabidopsis thaliana. Plant Cell Environ., 24(11), 1177-1188. https://doi.org/10.1046/j.1365-3040.2001.00773.x
Swoboda, P., Gal, S., Hohn, B., & Puchta, H. (1994). Intrachromosomal homologous recombination in whole plants. EMBO J., 13(2), 484-489. https://doi.org/10.1002%2Fj.1460-2075.1994.tb06283.x
Takatani, N., Ito, T., Kiba, T., Mori, M., Miyamoto, T., Maeda, S., & Omata, T. (2014). Effects of high CO2 on growth and metabolism of Arabidopsis seedlings during growth with a constantly limited supply of nitrogen. Plant Cell Physiol., 55(2), 281-292. https://doi.org/10.1093%2Fpcp%2Fpct186
Taylor, M. A., Martha, D. C., Sellamuthu, R., Braun, P., Migneault, A., Browning, A., Perry, E., & Schmitt, J. (2017). Interacting effects of genetic variation for seed dormancy and flowering time on phenology, life history, and fitness of experimental Arabidopsis thaliana populations over multiple generations in the field. New Phytologist, 216(1), 291-302. https://doi.org/10.1111/nph.14712
Tovar-Sánchez, E., Suarez-Rodríguez, R., Ramírez-Trujillo, A., Valencia-Cuevas, L., Hernández-Plata, I., & Mussali-Galante, P. (2019). The Use of Biosensors for Biomonitoring Environmental Metal Pollution. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.84309
Van der Auwera, G., Baute, J., Bauwens, M., Peck, I., Piette, D., Pycke, M., Asselman, P., & Depicker A. (2008). Development and application of novel constructs to score C:G-to-T:A transitions and homologous recombination in Arabidopsis. Plant Physiol., 146(1), 22-31. https://doi.org/10.1104/pp.107.105213
Van der Kooij, T. A. W., & de Kok, L. J. (1996). Impact of Elevated CO2 on Growth and Development of Arabidopsis thaliana L. Phyton; Annales Rei Botanicae, 36(2), 173-184. http://surl.li/ojhvd
Volkov, R. A., Panchuk, I. I., Mullineaux, P. M., & Schöffl F. (2006). Heat stress-induced H2O2 is required for effective expression of heat shock genes in Arabidopsis. Plant molecular biology, 61(4-5), 733-746. https://doi.org/10.1007/s11103-006-0045-4
Woodward, A.W., & Bartel, B. (2018). Biology in Bloom: A Primer on the Arabidopsis thaliana Model System. Genetics, 208(4), 1337-1349. https://doi.org/10.1534/genetics.118.300755.
Yadav, K. (2010). Heavy metals toxicity in plants: an overview on the role of glutathione and phytochelatins in heavy metal stress tolerance of plants. South African Journal of Botany, 76(2), 167-179. https://doi.org/10.1016/j.sajb.2009.10.007
Zhang, L., Zhang, F., Melotto, M., Yao, J., & He, S.Y. (2017). Jasmonate signaling and manipulation by pathogens and insects. Journal of Experimental Botany, 68(6), 1371-1385. https://doi.org/10.1093/jxb/erw478
Züst, T., Heichinger, C., Grossniklaus, U., Harrington, R., Kliebenstein, D. J., & Turnbull, L. A. (2012). Natural Enemies Drive Geographic Variation in Plant Defenses. Science, 338(6103), 116-119. https://doi.org/10.1126/science.1226397
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Тетяна Морозова
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
