Obtaining of transgenic alfalfa for improved phytoremediation the petroleum contaminated soils


Cite item

Full Text

Abstract

Background. The possibility of using transgenic plants and their complexes with microorganisms to clean up soil from oil pollution is a topical area of researches. In our work the transgenic alfalfa plants with a gene rhlA, responsible for the biosynthesis of biosurfactant - ramnolipid, were obtained. Rhamnolipids help to reduce the surface tension of the hydrocarbon oil and its desorbtion from soil particles, thereby facilitating its recycling by microorganism. Material and methods. The protocol for agrobacterium-mediated transformation was optimized, transgenic alfalfa plants with a gene rhlA were obtained and their status was confirmed by molecular analysis. Results. Cultivation of the control and the transgenic alfalfa plants in soil polluted with 4 % oil showed the advantage of plants emitting ramnolipids: recycle oil was 71 % for 56 days and it was 20 % higher compared with the control plants. When used together, the transgenic plants and microorganism Candida maltosa increased the degree of degradation of the oil to 86 %. Conclusion. The results suggest promising application of transgenic plants and the complex “transgenic plants - microorganisms” to increase the efficiency of bioremediation.

About the authors

Anna Yurievna Stepanova

Timiryazev institute of plant physiology, RAS

Email: step_ann@mail.ru
senior researcher, PhD, group of specialized metabolism of roots

Ekaterina Vladimirovna Orlova

Timiryazev institute of plant physiology, RAS

Email: ekatia@inbox.ru
researcher, group of specialized metabolism of roots

Dmitriy Viktorovich Tereshonok

Timiryazev institute of plant physiology, RAS

Email: diman_ter_vi@mail.ru
researcher, PhD, laboratory of genetics of cell cultures

Yulia Ivanovna Dolgikh

Timiryazev institute of plant physiology, RAS

Email: ivan-d1@yandex.ru
head of the lab, prof., MD, group of specialized metabolism of roots

References

  1. Бричкова Г. Г., Сорокин А. П., Манешина Т. В., Курман П. В., Красовская Л. И., Джонс Дж. Дж., Картель Н. А. (2003) Создание трансгенных растений Arabidopsis thaliana для эффективной ремедиации территорий, загрязненных углеводородами нефти. Доклады НАН Беларуси. Т. 47 (5): С. 72-75.
  2. Другов Ю. С., Родин А. А. (2011) Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов. М: Изд-во Бином. Лаборатория знаний.
  3. Киреева Н. А., Тарасенко Е. М., Бакаева М. Д. (2004) Детоксикация нефтезагрязненных почв под посевами люцерны (Medicago sativa L.). Агрохимия. Т. (10): С. 68-72.
  4. Муратова А. Ю., Турковская О. В., Хюбнер Т., Кушк П. (2003) Использование люцерны и тростника для фиторемедиации загрязненного углеводородами грунта. Прикладная биохимия и микробиология. Т. 39 (6): С. 681-688.
  5. Орлова Е. В., Степанова А. Ю. (2012) Оптимизация условий культивирования in vitro люцерны посевной (Medicago sativa L.). Ученые записки Орловского государственного университета. Серия: естественные, технические, медицинские науки. Т. (3): С. 128-131.
  6. Фомин Г. С. (1999) Коррозия и защита от коррозии: Энциклопедия международных стандартов. М: Изд-во стандартов.
  7. Abhilash P. C., Jamil S., Singh N. (2009) Transgenic plants for enhanced biodegradation and phytoremediation of organic xenobiotics. Biotechnology advances. V. 27: P. 474-488.
  8. Brychkova G. G., Sorokin A. P., Kartel N. A. (2004) Bioremediation with ecologically safe plants. NATO science series. Series 1: Life and behavioural science IOS press. V. 359: P. 147-158.
  9. Chaillan F., Le Fleche A., Bury E., Phantavong Y. H., Grimont P., Saliot A., Oudot J. (2004) Identification and biodegradation potential of tropical aerobic hydrocarbon-degrading microorganisms. Research in microbiology. V. 155 (7): P. 587-595.
  10. Cherian S., Oliveira M. M. (2005) Transgenic plants in phytoremediation: recent advances and new possibilities. Environmental science and technology. V. 39: P. 9377-9390.
  11. Chrzanowski L., Kaczorek E., Olszanowski A. (2006) The ability of candida maltosa for hydrocarbon and emulsified hydrocarbon degradation. Polish journal of environmental studies. V. 15 (1): P. 47-51.
  12. Das N., Chandran P. (2011) Microbial degradation of petroleum hydrocarbon contaminants. An Overview. Biotechnology research international. doi: 10.4061/2011/941810.
  13. Deak M., Kiss G. B., Koncz C., Dudits D. (1986) Transformation of Medicago by Agrobacterium mediated gene transfer. Plant cell reports. V. 5 (2): P. 97-100.
  14. Deziel E., Lepine F., Milot S., Villemur R. (2000) Mass spectrometry monitoring of rhamnolipids from a growing culture of Pseudomonas aeruginosa strain 57RP. Biochimica et biophysica acta. V. 1485: P. 145-152.
  15. Faragova N., Gottwaldova K., Farago J. (2011) Effect of transgenic alfalfa plants with introduced gene for Alfalfa Mosaic Virus coat protein on rhizosphere microbial community composition and physiological profile. Biologia. Section botany. V. 66 (5): P. 768-777.
  16. Frick C., Farrell R., Germida J. (1999) Assessment of phytoremediation as an in situ Technique for Cleaning Oil-Contaminated Sites. Calgary: Petroleum technology alliance of Canada. URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3561093/.
  17. Hodge J.E, Hofreiter B. T. (1962) Methods in carbohydrate chemistry. New York: Academic press. URL: http://www.ijabpt.com/pdf/70034-V.%20K.%20PARTHIBAN1.pdf.
  18. Krapp A., Hofmann B., Schafer C. et al. (1993) Regulation of the expression of rbc S and other photosynthetic genes by carbohydrates: a mechanism for the ‘sink’ regulation of photosynthesis? The plant journal. V. 3 (6): P. 817-828.
  19. Liu W., Liang Z., Shan Ch., Marsolais F. et al. (2013) Genetic transformation and full recovery of alfalfa plants via secondary somatic embryogenesis. In vitro cellular and developmental biology - plant. V. 49: P. 17-23.
  20. Messens E., Dekeyser R., Stachel S. E. (1990) A nontransformable Triticum monococcum monocotyledonous culture produces the potent Agrobacterium vir-inducing compound ethyl ferulate. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA. V. 87: P. 4368-4372.
  21. Moller E. M., Bahnurg G., Sandermann H., Jeiger H. H. (1992) A simple and efficient protocol for isolation of high molecular weight DNA from filamentous fungi, fruit bodies, and infected plant tissues. Nucleic acids research. V. 20 (22): P. 6115-6116.
  22. Nincovic S., Miljus-Dukic J., Vinterhalter B. et al. (2004) Improved transformation of alfalfa somatic embryos using superbinary vector. Acta biologica cracoviensia. Series botanica. V. 46: P. 139-143.
  23. Ochsner U. A., Reiser J. (1995) Autoinducer-mediated regulation of rhamnolipid biosurfactant synthesis in Pseudomonas aeruginosa. Proceedings of the national academy of sciences, USA. V. 92: P. 6424-6428.
  24. Rosellini D., Capomaccio S., Ferradini N. et al. (2007) Non-antibiotic, efficient selection for alfalfa genetic engineering. Plant cell reports. V. 26: P. 1035-1044.
  25. Schenk R. U., Hildebrandt A. C. (1972) Medium and techniques for induction and growth of monocotyledonous and dicotyledonous plant cell cultures. Canadian journal of botany. V. 50 (1): P. 199-204.
  26. Shahin E. A., Spielmann A., Sukhapinda K. et al. (1986) Transformation of cultivated alfalfa using disarmed Agrobacterium tumefaciens. Crop science. V. 26: P. 1235-1239.
  27. Shaw L. J., Burns R. G. (2003) Biodegradation of organic Pollutants in the Rhizosphere. Advances in applied microbiology. V. 53: P. 1-47.
  28. Stroud J., Paton G., Semple K. Microbe-aliphatic hydrocarbon interactions in soil: implications for biodegradation and bioremediation (2007) Journal of applied microbiology. V. 102: P. 1239-1253.
  29. Susarla S., Medina V. F., McCutcheon S. C. (2002) Phytoremediation: an ecological solution to organic chemical contamination Ecological engineering. V. 18: P. 647-658.
  30. Trinh T. H., Ratet P., Kondorosi E. et al. (1998) Rapid and efficient transformation of diploid Medicago truncatula and Medicago sativa ssp. falcata lines improved in somatic embryogenesis. Plant cell reports. V. 17: P. 345-355.
  31. Uzelac B., Ninkovic S., Smigocki A. et al. (2007) Origin and development of secondary somatic embryos in transformed embryogenic cultures of Medicago sativa. Biologia plantarum. V. 51: P. 1-6.
  32. Van Aken B., Yoon J. M., Schnoor J. L. (2004) Biodegradation of nitro-substituted explosives 2,4,6-trinitrotoluene, hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine, and octahydro1,3,5,7-tetranitro-1,3,5-tetrazocine by a phytosymbiotic methylobacterium sp. associated with poplar tissues (Populus deltoides × nigra DN34). Applied and environmental microbiology. V. 70: P. 508-517.
  33. Vancura V. (1964) Root exudates of plants. I. Analysis of root exudates of barley and wheat in their initial phases of growth. Plant and soil XXI. V. 2: P. 231-248.
  34. Vincent J. M. (1970) A manual for the practical study of root nodule bacteria IBP Handbook. Oxford: Blackwell Scientific. URL: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.1972.tb04828.x/pdf.
  35. Wang Q. H., Fang X. D., Bai B. J. et al. (2007) Engineering bacteria for production of rhamnolipid as an agent for enhanced oil recovery. Biotechnology and bioengineering. V. 98: P. 842-853.
  36. Weeks J. T., Jingsong Y., Rommens C. M. (2008) Development of an in planta method for transformation of alfalfa (Medicago sativa). Transgenic research. V. 17: P. 587-597.
  37. Wittgens A., Tiso T., Arndt T. T. et al. (2011) Growth independent rhamnolipid production from glucose using the non-pathogenic Pseudomonas putida KT2440. Microbial cell factories. V.10: P. 1-18.
  38. Zhang H., Huang Q., Su J. (2010) Development of alfalfa (Medicago sativa L.) regeneration system and Agrobacterium-mediated genetic transformation. Agricultural sciences in China. V. 9 (2): P. 170-178.
  39. Ziauddin A., Lee R. W. H., Lo R. Y. C., Shewen P. E., Strommer J. N. (2004) Transformation of alfalfa with a bacterial fusion gene, Mannheimia haemolytica A1 leukotoxin50-gfp: response with Agrobacterium tumefaciens strains LBA4404 and C58. Plant cell, tissue and organ culture. V. 79: P. 271-278.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2015 Stepanova A.Y., Orlova E.V., Tereshonok D.V., Dolgikh Y.I.

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».