RUDN Journal of Agronomy and Animal IndustriesRUDN Journal of Agronomy and Animal IndustriesВестник Российского университета дружбы народов. Серия: Агрономия и животноводство2312-797X2312-7988Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba1958210.22363/2312-797X-2020-15-3-231-241Morphology and biochemistry of plantsМорфология и биохимия растенийResearch ArticleCytokinetic and anatomical analysis of Thellungiella botschantzevii meristem cells in high concentrations of NaCl and Na2SO4Цитокинетический и анатомический анализ клеток меристемы Thellungiella botschantzevii в условиях высоких концентраций NaCl и Na2SO4KononenkoNeonila VasilevnaКононенкоНеонила Васильевна

Candidate of Biological Sciences, Leading Researcher, Laboratory of Cell Biology

кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории клеточной биологии

nilava@mail.ruLeonovaTatyana GennadievnaЛеоноваТатьяна Геннадиевна

Candidate of Biological Sciences, Leading Researcher, Laboratory of plant resistance to stress

кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории стрессоустойчивости растений

tleon2007@yandex.ruChabanInna AnatolievnaЧабанИнна Анатольевна

Candidate of Biological Sciences, Leading Researcher, Laboratory of Cell Biology

кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории клеточной биологии

inna_chaban@rambler.ruRussian Research Institute of Agricultural BiotechnologyВсероссийский НИИ сельскохозяйственной биотехнологии15122020153VOL 15, NO3 (2020)ТОМ 15, №3 (2020)23124130092020Copyright ©; 2020, Kononenko N.V., Leonova T.G., Chaban I.A.Copyright ©; 2020, Кононенко Н.В., Леонова Т.Г., Чабан И.А.2020Kononenko N.V., Leonova T.G., Chaban I.A.Кононенко Н.В., Леонова Т.Г., Чабан И.А.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://agrojournal.rudn.ru/agronomy/article/view/19582

The study of cytokinetic and anatomical properties of the extramophile plant Thellungiella botschantzevii (German) at high concentrations of NaCl and Na2SO4 and without them (control) allowed to identify structural and functional transformations at the cellular level and evaluate the effect of salinity. Cytophotometric method showed the accumulation of cells in the root meristem in G1 and S stages, which indicated the adaptation of Thellungiella botschantzevii to high concentrations of NaCl and Na2SO4. A high level of ploidy (up to 16C) and the maximum number of polyploid cells at the level of 4C and 8C gave the plant stability. Anatomical characteristics of Thellungiella botschantzevii root and leaf were obtained on semi-thin and ultra-thin sections, and accumulation of lipid and protein inclusions in the root cell was determined. The data obtained indicate that Thellungiella botschantzevii is a unique model for various kinds of research, including genetic research, and can help to develop proposals for increasing resistance in crops.

Изучение цитокинетических и анатомических свойств растения экстрамофила Thellungiella botschantzevii (German) при высоких концентрациях NaCl и Na2SO4 и в их отсутствие (контроль) позволило выявить структурно-функциональные преобразования на клеточном уровне и оценить действие засоления. Цитофотометрическим методом показано накопление в корневой меристеме клеток в фазе G1 и S, что свидетельствует об адаптации Thellungiella botschantzevii к высоким концентрациям NaCl и Na2SO4. Высокий уровень плоидности (до 16С) и содержание максимального количества полиплоидных клеток на уровне 4С и 8С придает растению устойчивость. На полутонких и ультратонких срезах получены анатомические характеристики тканей корня и листа Thellungiella botschantzevii, определена аккумуляция в клетке корня липидных и белковых включений. Вид Thellungiella botschantzevii является уникальной моделью для разного рода исследований, в т. ч. генетических, и может использоваться в разработке предложений для повышения устойчивости сельскохозяйственных растений.

Thellungiella botschantzeviicytophotometrycell cycleploidylipid dropsThellungiella botschantzeviiцитофотометрияклеточный циклплоидностьлипидные каплиWu HJ, Zhang Z, Wang JY, Oh DH, Dassanayake M, Liu B, et al. Insights into salt tolerance from the genome of Thellungiella salsuginea. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2012; 109(30):12219-12224. doi: 10.1073/pnas.1209954109Wang XJ, Shi DC, Wang XY, Wang J, Sun YS, Liu JQ. Evolutionary Migration of the Disjunct Salt Cress Eutrema salsugineum (=Thellungiella salsuginea, Brassicaceae) between Asia and North America. PLOS ONE. 2015; 10(5): e0124010. doi: 10.1371/journal.pone.0124010Wang J, Zhang Q, Cui F, Hou L, Zhao S, Xia H, et al. Genome-Wide Analysis of Gene Expression Provides New Insights into Cold Responses in Thellungiella salsuginea. Front. Plant Sci. 2017; 8:713. doi: 10.3389/ fpls.2017.00713Inan G, Zhang Q, Li P, Wang Z, Cao Z, Zhang H, et al. Salt Cress. A Halophyte and Cryophyte Arabidopsis Relative Model System and Its Applicability to Molecular Genetic Analyses of Growth and Development of Extremophiles. Plant Physiology. 2004; 135(3): 1718-1737. doi: 10.1104/pp.104.041723Orsini F, D’Urzo MP, Inan G, Serra S, Oh DH, Mickelbart MV, et al. A comparative study of salt tolerance parameters in 11 wild relatives of Arabidopsis thaliana. J Exp Bot. 2010; 61(13):3787-3798. doi: 10.1093/jxb/erq188Wiciarz M., Gubernator B, Kruk J, Niewiadomska E. Enhanced chloroplastic generation of H2O2 in stress-resistant Thellungiella salsugineain comparison to Arabidopsis thaliana. Physiologia Plantarum. 2015; 153(3):467-476. doi: 10.1111/ppl.12248Yang R, Jarvis D, Chen H, Beilstein M, Grimwood J, Jenkins J, et al. The Reference Genome of the Halophytic Plant Eutrema salsugineum. Front. Plant Sci. 2013; 4:46. doi: 10.3389/fpls.2013.00046Leonova T, Ovchinnykova V, Souer E, de Boer A, Babakov A. Isolated Thellungiella Shoots do not Require Roots to Survive NaCl and Na2SO4 Salt Stress. Plant Signaling & Behavior. 2009; 4(11):1059-1062. doi: 10.4161/psb.4.11.9799Radyukina NL, Ivanov YV, Kartashov AV, Pashkovskiy PP, Shevyakova NI, Kuznetsov VV. Regulation of gene expression governing proline metabolism in Thellungiella salsuginea by NaCl and paraquat. Russian Journal of Plant Physiology. 2011; 58:643. doi: 10.1134/S102144371104011X Radyukina N.L., Ivanov Yu.V., Kartashov A.V., Pashkovskiy P.P., Shevyakova N.I., Kuznetsov V.V. Regulation of gene expression governing proline metabolism in Thellungiella salsuginea by NaCl and paraquat // Физиология растений. 2011. Т. 58. № 4. С. 558-567.Volkov V, Wang B, Dominy PJ, Fricke W, Amtmann A. Thellungiella halophila, a salt-tolerant relative of Arabidopsis thaliana, possesses effective mechanisms to discriminate between potassium and sodium. Plant, Cell and Environment. 2004; 27(1):1-14. doi: 10.1046/j.0016-8025.2003.01116.xFang Q, Xu Z, Song R. Cloning, characterization and genetic engineering of FLC homolog in Thellungiella halophila. Biochem Biophys Res Commun. 2006; 347(3):707-714. doi: 10.1016/j.bbrc.2006.06.165Qlang XJ, Yu GH, Qlang LL, Sun LL, Zhang SH, Wei LI. Thellungiella halophila ThPIP1 gene enhances the tolerance of the transgenic rice to salt stress. Journal of Integrative Agriculture. 2015; 14(10):1911-1922. doi: 10.1016/S2095-3119(15)61045-0Wang H, Wang H, Shao H, Tang X. Recent Advances in Utilizing Transcription Factors to Improve Plant Abiotic Stress Tolerance by Transgenic Technology. Front. Plant Sci. 2016; 7:67. doi: 10.3389/fpls.2016.00067Wong CE, Li Y, Whitty BR, Díaz-Camino C, Akhter SR, Brandle JE, et al. Expressed sequence tags from the Yukon ecotype of Thellungiella reveal that gene expression in response to cold, drought and salinity shows little overlap. Plant Mol Biol. 2005; 58(4):561-574. doi: 10.1007/s11103-005-6163-6Kononenko NV, Leonova TG, Chikida NN, Mitrofanova OP, Polyakov VY. Use of cytophotometry for determination of salt resistance of wild plants. Russian agricultural sciences. 2014; 40(6):408-410 doi: 10.3103/ S1068367414060123Кононенко Н.В., Леонова Т.Г., Чикида Н.Н., Митрофанова О.П., Поляков В.Ю. Использование метода цитофотометрии для определения солеустойчивости дикорастущих растений // Доклады академии сельскохозяйственных наук. 2014. № 5. С. 13-15.Shamustakimova AO, Leonov ТG, Taranov VV, de Boer AH, Babakov AV. Cold stress increases salt tolerance of the extremophytes Eutrema salsugineum (Thellungiella salsuginea) and Eutrema (Thellungiella) botschantzevii. Journal of Plant Physiology. 2017; 208:128-138. doi: 10.1016/j.jplph.2016.10.009Singer M, Berg P. Geny i genomy [Genes and genomes]. Мoscow: Mir Publ.; 1998. (In Russ).Сингер М., Берг П. Гены и геномы. М.: Мир, 1998.Kaul S, Koo HL, Jenkins J, Rizzo M, Rooney T, Tallon LJ. Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana. Nature. 2000; 408:(6814):796-815. doi: 10.1038/35048692Chaban IA, Kononenko NV, Gulevich AA, Bogoutdinova LR, Khaliluev MR, Baranova EN. Morphological Features of the Anther Development in Tomato Plants with Non-Specific Male Sterility. Biology. 2020; 9(2):32. doi: 10.3390/biology9020032Lutsenko EK, Marushko EA, Kononenko NV, Leonova TG. Effects of Fusicoccin on the Early Stages of Sorghum Growth at High NaCl Concentrations. Russian Journal of Plant Physiology. 2005; 52(3):332-337. doi: 10.1007/s11183-005-0050-5Луценко Э.К., Марушко Е.А., Кононенко Н.В., Леонова Т.Г. Влияние фузикокцина на ранние этапы роста сорго при высоких концентрациях NaCl // Физиология растений. 2005. Т. 52. № 3. С. 378-383.