Increased Arabidopsis thaliana cell culture resistance to sodium fluoride by constitutive expression of HSP101

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Fluorine is one of the toxic elemental components of industrial emissions. Increased fluoride content in the atmosphere, soil or water negatively affects the growth and development of plants, as well as reducing resistance to various environmental stressors. An increase in ambient temperature causes a protective response in all organisms taking the form heat shock protein synthesis. The specific protein HSP101, which performs the function of protecting plant cells from heat damage, is also responsible for inducible thermotolerance, representing the ability of organisms to withstand the effects of severe heat shock that were previously exposed to mild heat stress, as a result of which heat shock proteins are induced. Heat shock proteins are involved in protecting not only against elevated temperatures, but also various other stress factors. In this work, the effect of sodium fluoride treatment on the viability of Arabidopsis thaliana cell culture, expression and synthesis of heat shock proteins was studied along with the role of heat shock protein HSP101 in providing resistance to fluoride. Sodium fluoride has been shown to significantly reduce the viability of A. thaliana cells by suppressing the activation of HSP101 gene expression with an increase in temperature. At the same time, the A. thaliana line, which has constitutive expression of the HSP101 gene, proved to be more resistant to the toxic effects of sodium fluoride.

About the authors

E. L. Gorbyleva

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry

Email: dzubina@sifibr.irk.ru

M. A. Safonova

Baikal Humanitarian Institute

Email: marjera@mail.ru

A. V. Stepanov

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry

Email: stepanov@sifibr.irk.ru

E. G. Rikhvanov

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry

Email: eugene@sifibr.irk.ru

References

  1. Ипатова В.И., Габдуллина Р.И. Интерактивный эффект алюминия и фтора в присутствии микроводоросли // Экологические системы и приборы. 2022. N 7. С. 36-47. https://doi.org/10.25791/esip.7.2022.1309. EDN: WAEWMX.
  2. Zouari M., Elloumi N., Bellassoued K., Ben Ahmed C., Krayem M., Delmail D., et al. Enzymatic antioxidant responses and mineral status in roots and leaves of olive plants subjected to fluoride stress // South African Journal of Botany. 2017. Vol. 111. P. 44–49. https://doi.org/10.1016/j.sajb.2017.03.039.
  3. Bhargava D., Bhardwaj N. Phytotoxicity of fluoride on a wheat variety Triticum aestivum var. Raj. 4083 and its bioaccumulation at the reproductive phase // Asian Journal of Experimental Sciences. 2011. Vol. 25, no. 1. P. 37–40. https://doi.org/10.3390/app10196971.
  4. Jarosz Z., Pitura K. Fluoride toxicity limit – can the element exert a positive effect on plants? // Sustainability. 2021. Vol. 13, no. 21. P. 12065. https://doi.org/10.3390/su132112065.
  5. Fornasiero R.B. Phytotoxic effects of fluorides // Plant Science. 2001. Vol. 161, no. 5. P. 979–985. https://doi.org/10.1016/S0168-9452(01)00499-X.
  6. Kumar K., Giri A., Vivek P., Kalaiyarasan T., Kumar B. Effects of fluoride on respiration and photosynthesis in plants: an overview // Annals of Environmental Science and Toxicology. 2017. Vol. 2, no. 1. P. 43–47. https://doi.org/10.17352/aest.000011.
  7. Cai H., Dong Y., Li Y., Li D., Peng C., Zhang Z., et al. Physiological and cellular responses to fluoride stress in tea (Camellia sinensis) leaves // Acta Physiologiae Plantarum. 2016. Vol. 38. P. 144. https://doi.org/10.1007/s11738-016-2156-0.
  8. Sachan P., Lal N. Effect of sodium fluoride on germination, seedling growth and photosynthetic pigments in Cicer arietinum L. and Hordeum vulgare L. // Ecology & Environmental Sciences. 2018. Vol. 3, no. 4. P. 300–304. https://doi.org/10.15406/mojes.2018.03.00103.
  9. Gao J., Liu C., Zhang J., Zhu S., Shen Y., Zhang R. Effect of fluoride on photosynthetic pigment content and antioxidant system of Hydrilla verticillata // International Journal of Phytoremediation. 2018. Vol. 20, no. 12. P. 1257–1263. https://doi.org/10.1080/15226514.2017.1319328.
  10. Mondal N.K. Effect of fluoride on photosynthesis, growth and accumulation of four widely cultivated rice (Oryza sativa L.) varieties in India // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2017. Vol. 144. P. 36–44. https://doi.org/10.7717/peerj.13434.
  11. Singh S., Singh J., Singh N. Studies on the impact of fluoride toxicity on growth parameters of Raphanus sativus L. // Indian Journal of Scientific Research. 2013. Vol. 4, no. 1. P. 61–63.
  12. Doley D., Hill R.J., Riese R.H. Environmental fluoride in Australasia: ecological effects, regulation and management // Clean Air and Environmental Quality. 2004. Vol. 38, no. 2. P. 35–55.
  13. Rikhvanov E.G., Gamburg K.Z., Varakina N.N., Rusaleva T.M., Fedoseeva I.V., Tauson E.L., et al. Nuclear-mitochondrial cross-talk during heat shock in Arabidopsis cell culture // Plant Journal. 2007. Vol. 52, no. 4. P. 763–778. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2007.03275.x.
  14. Qin F., Yu B., Li W. Heat shock protein 101 (HSP101) promotes flowering under nonstress conditions // Plant Physiology. 2021. Vol. 186, no. 1. P. 407–419. https://doi.org/10.1093/plphys/kiab052.
  15. Queitsch C., Hong S.W., Vierling E., Lindquist S. Heat shock protein 101 plays a crucial role in thermotolerance in Arabidopsis // Plant Cell. 2000. Vol. 12, no. 4. P. 479–492. https://doi.org/10.1105/tpc.12.4.479.
  16. Еникеев А.Г., Высоцкая Е.Ф., Леонова Л.А. Об использовании 2,3,5-трифенилтетразолий хлорида для оценки жизнеспособности культур растительных клеток // Физиология растений. 1995. Т. 42. N 3. С. 423–426.
  17. Lowry O.H., Rosebrough N.I., Farr A.L., Randell R.J. Protein measurement with the Folin phenol reagent // Journal of Biological Chemistry. 1951. Vol. 193, no. 1. P. 265–275.
  18. Pant P., Bhiravamurthy P. Effects of fluoride on early root and shoot growth of typical crop plants of India // Fluoride. 2008. Vol. 41, no. 1. P. 57–60.
  19. Reddy M.P., Kaur M. Sodium fluoride induced growth and metabolic changes in Salicornia brachiata Roxb // Water, Air, and Soil Pollution. 2008. Vol. 188. P. 171–179. https://doi.org/10.1007/s11270-007-9533-7.
  20. Матяшенко Г.В., Шмаков В.Н., Константинов Ю.М., Белоголова Г.А. Влияние экологических факторов на накопление фтора лиственницами (Larix gmelinii (Rupr.) Rupr. и L. sibirica Ledeb.) в Восточной Сибири // Экология. 2005. N 6. C. 434–437. EDN: HSIPKV.
  21. Пуляевская М.А., Варакина Н.Н., Гамбург К.З., Русалёва Т.М., Степанов А.В., Войников В.К.. Фторид натрия подавляет синтез БТШ в культуре клеток Arabidopsis thaliana, подвергнутых воздействию теплового стресса // Физиология растений. 2011. Т. 58. N 4. С. 533–541.
  22. Ogawa D., Yamaguchi K., Nishiuchi T. High-level overexpression of the Arabidopsis HsfA2 gene confers not only increased themotolerance but also salt/osmotic stress tolerance and enhanced callus growth // Journal of Experimental Botany. 2007. Vol 58, no. 12. P. 3373–3383. https://doi.org/10.1093/jxb/erm184.
  23. Banti V., Mafessoni F., Loreti E., Alpi A., Perata P. The heat-inducible transcription factor HsfA2 enhances anoxia tolerance in Arabidopsis // Plant Physiology. 2010. Vol. 152, no. 3. P. 1471–1483. https://doi.org/10.1104/pp.109.149815.
  24. Saidi Y., Domini M., Choy F., Zryd J.P., Schwitzguebel J.P., Goloubinoff P. Activation of the heat shock response in plants by chlorophenols: transgenic Physcomitrella patens as a sensitive biosensor for organic pollutants // Plant, Cell and Environment. 2007. Vol. 30, no. 6. P. 753–763. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2007.01664.x.
  25. Kanzaki H., Saitoh H., Ito A., Fujisawa S., Kamoun S., Katou S., et al. Cytosolic HSP90 and HSP70 are essential components of INF1-mediated hypersensitive response and non-host resistance to Pseudomonas cichorii in Nicotiana benthamiana // Molecular Plant Pathology. 2003. Vol. 4, no. 5. P. 383–391. https://doi.org/10.1046/j.1364-3703.2003.00186.x.
  26. Еникеев А.Г., Копытина Т.В., Семёнова Л.А., Шафикова Т.Н., Гаманец Л.В., Волкова О.Д.. Культуры клеток табака, трансформированные геном hsp101, обладают повышенной устойчивостью к фториду калия // Доклады Академии наук. 2010. Т. 430. N 1. С. 137–138.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».