На двох генотипах ромашки аптечної – сорту Перлина лісостепу та його мутанту досліджено зв’язок стимуляції нагромадження низькомолекулярних антиоксидантів у фармацевтичній сировині рослин (суцвіттях) з ознаками радіаційно-індукованої нестабільності геному на стадії цвітіння рослин за умов рентгенівського передпосівного опромінення насіння при дозах 5–15 Грей. Дослідження перебудов первинної структури ДНК за умов різних доз опромінення здійснено шляхом проведення ПЛР з використанням восьми ISSR- та десяти RAPD–праймерів. Залежні від дози опромінення зміни спектрів ампліконів при проведенні ISSR – RAPD – ПЛР проаналізовано з використанням індексу подібності Жаккарда. Встановлено, що найбільші перебудови первинної структури ДНК обох генотипів, що проявляється у зниженні подібності з контрольними спектрами ампліконів, спостерігається при дозах опромінення 5–10 Грей. Виявлено тенденцію до наближення цього показника до контрольного при дозі опромінення 15 Грей, що означає підвищення ефективності репаративних процесів. Показано зв’язок між поліморфізмом первинної структури ДНК за ISSR-RAPD-послідовностями у різних генотипів та характером її перебудови при опроміненні. Співставлення цих результатів з немонотонними дозовими залежностями змін питомого вмісту флавоноїдів і фенолів, дозволяє зробити висновок про стимуляцію антиоксидантного захисту при дозах, що відповідають низький ефективності репараційних процесів і, відповідно, його зниженню за умов ознак відновлення нормального стану генетичного матеріалу. Надано інтерпретацію виявленого феномену на основі відомого зв’язку ефектів геномної нестабільності з підвищенням рівня активних форм кисню і загальних принципів антиоксидантного захисту. Обговорюється значення одержаних результатів в розробці наукового підгрунтя використання малих доз іонізуючого випромінення в біотехнологіях, зокрема в фармакології.
Ключові слова: нестабільність геному, передпосівне опромінення насіння, вторинний метаболізм, біотехнологія
Повний текст та додаткові матеріали
Цитована література
Aguilera, A. and García-Muse, T., Causes of genome instability, Ann. Rev. Genet., 2013, vol. 47, pp. 1–32. https://doi.org/10.1146/annurev-genet-111212-133232
Àlothman, M., Bhat, R., and Karim, A.A., Effects of radiation processing on phytochemicals and antioxidants in plant produce, Trends Food Sci. Technol., 2009, vol. 20, no. 5, pp. 201–212. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2009.02.003
Aypar, U., Morgan, W.F., and Baulch, J.E., Radiation-induced genomic instability: Are epigenetic mechanisms the missing link?, Int. J. Radiat. Biol., 2010, vol. 87, no. 2, pp. 179–191. https://doi.org/10.3109/09553002.2010.522686
Clark, D.J., Nucleosome positioning, nucleosome spacing and the nucleosome code, J. Biomol. Struct. Dyn., 2010, vol. 27, pp. 781–793.
Barlow, J.H., et al., Identification of early replicating fragile sites that contribute to genome instability, Cell, 2013, vol. 152, no. 3, pp. 620–632. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.01.006
Burlakova, E.B., et al., Features of the biological effect of small doses of radiation, Rad. Biol. Radioecol., 1999, vol. 39, art. ID 26.
Croft, K.D., The chemistry and biological effects of flavonoids and phenolic acids, Ann. New York Acad. Sci., 1998, vol. 854, no. 1, pp. 435–442. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1998.tb09922.x
Durkin, S.G. and Glover, T.W., Chromosome fragile sites, Ann. Rev. Gen., 2007, vol. 41, pp. 169–192. https://doi.org/10.1146/annurev.genet.41.042007.165900
Gaziev, A.I., Low efficiency of repair of critical DNA damage caused by low doses of radiation, Rad. Biol. Radioecol., 2011, vol. 51, no. 5, pp. 512–529.
Ellegren, H., Microsatellites: simple sequences with complex evolution, Nat. Rev. Genet., 2004, vol. 5, no. 6, pp. 435–445. https://doi.org/10.1038/nrg1348
Eliseeva, I.I. and Rukavishnikov, V.O., Grouping, Correlation, Pattern Recognition: (Statistical Methods of Classification and Measurement of Relationships), Moscow: Statistics, 1977.
Halliwell, B., Antioxidant defense mechanisms: From the beginning to the end (of the beginning), Free Rad. Res., 1999, vol. 31, pp. 261–72. https://doi.org/10.1080/10715769900300841
Hemleben, V., Beridze, T.G., and Bakhman, L., Satellite DNA, Usp. Biol. Khim., 2003, vol. 43, pp. 267–306.
IAEA. Cytogenetic Analysis for Radiation Dose Assessment. Thechnical reports. Series N 405. 2001. International Atomic Energy Agency, Vienna, STI/DOC/010/ 40592-0-102101-1.
Kim, J.-H., Ryu, T.H., Lee, S.S., et al., Ionizing radiation manifesting DNA damage response in plants: An overview of DNA damage signalling and repair mechanisms in plants, Plant Sci., 2019, vol. 278, pp. 44–53. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2018.10.013
Khattak, K. and Simpson, D., Effect of gamma irradiation on the extraction yield, total phenolic ñîntent and free radical-scavenging activity of Nigella sativa seed, Food Chem., 2008, vol. 110, no. 4, pp. 967–972. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2008.03.003
Kolomĭytseva, I.B., Non-monotonicity of the dose-effect relationship in the region of low doses of ionizing radiation, Rad. Biol. Radioecol., 2003, vol. 43, no. 2, pp. 179–181.
Kravets, A.P. and Sokolova, D., Epigenetic factors of individual radiosensitivity and adaptive capacity, Int. J. Rad. Biol., 2020, vol. 96, no. 8, pp. 999–1007. https://doi.org/10.1080/09553002.2020.1767819
Kumari, S., Rastogi, R.P., and Singh, K.L., DNA damage: Detection strategies, EXCLI J., 2008, vol. 7, pp. 44–62.
Lakin, G.F., Biometrics, Moscow: Higher School, 1990.
López-Flores, I. and Garrido-Ramos, M.A., The repetitive DNA content of eukaryotic genomes, Genome Dyn., 2012, vol. 7, pp. 1–28. https://doi.org/10.1159/000337118
Moghaddam, S., et al., Effects of acute gamma irradiation on physiological traits and flavonoid accumulation of Centella asiatica, Molecules, 2011, vol. 16, no. 6, pp. 4994–5007. https://doi.org/10.3390/molecules16064994
Pinto, M., Prise, K.M., and Michael, B.D., Evidence for complexity at the nanometer scale of radiationinduced DNA DSBs as a determinant of rejoining kinetics, Rad. Res., 2005, vol. 164, no. 1, pp. 73–85. https://doi.org/10.1667/rr3394
Poyraz, I., Comparison of ITS, RAPD and ISSR from DNA-based genetic diversity techniques, C. R. Biol., 2016, vol. 339, nos. 5–6, pp. 171–178.
De Bont, R. and van Larebeke, N., Endogenous DNA damage in humans: a review of quantitative data, Mutagenesis, 2004, vol. 19, no. 3, pp. 169–185. https://doi.org/10.1093/mutage/geh025
Sies, H. and Jones, D.P., Reactive oxygen species (ROS) as pleiotropic physiological signalling agents, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2020, vol. 21, pp. 363–383. https://doi.org/10.1038/s41580-020-0230-3
Sokolova, D.A., Vengzhen, G.S., and Kravets, A.P., An Analysis of the correlation between the changes in satellite DNA methylation patterns and plant cell responses to the stress, CellBio, 2013, vol. 2, no. 3, pp. 163–171. https://doi.org/10.4236/cellbio.2013.23018
Sokolova, D., Kravets, A., Zhuk, V., Sakada, V., Gluschenko, L., and Kuchuk, M., Productivity of medicinal raw materials by different genotypes of Matricia Chammomila L. is affected with pre-sowing radiation exposure of seeds, Int. J. Second. Metab., 2021, vol. 8, no. 2, pp. 127–135. https://doi.org/10.21448/ijsm.889817
Sumira, J., Parween, T., and Siddiqi, T.O., Effect of gamma radiation on morphological, biochemical, and physiological aspects of plants and plant products, Environ. Rev., 2012, vol. 20, no. 1, pp. 17–39. https://doi.org/10.1139/a11-021
Szumiel, I., Ionizing radiation-induced oxidative stress, epigenetic changes and genomic instability: The pivotal role of mitochondria, Int. J. Radiat. Biol., 2015, vol. 91, no. 1, pp 1–12. https://doi.org/10.3109/09553002.2014.934929
Teĭf, V.B., Shkrobkov, A.V., Egorova, V.P., et al., Nucleosomes in gene regulation: theoretical approach, Mol. Biol., 2012, vol. 46, no. 1, pp. 3–13. https://doi.org/10.1134/S002689331106015X
Teĭf, V.B., Nucleosome positioning: resources and tools online, Briefings Bioinf., 2015, vol. 17, no. 5, pp. 745–757. https://doi.org/10.1093/bib/bbv086
Tominaga, H., Kodama, S., Matsuda, N., et al., Involvement of reactive oxygen species (ROS) in the induction of genetic instability by radiation, J. Radiat. Res., 2004, vol. 45, no. 2, pp. 181–188. https://doi.org/10.1269/jrr.45.181
Tubiana, M., Aurengo, A., and Averbeck, D., Recent reports on the effect of low doses of ionizing radiation and its dose–effect relationship, Rad. Environ. Biophys., 2006, vol. 44, art. ID 245. https://doi.org/10.1007/s00411-006-0032-9
Winkel-Shirley, B., Biosynthesis of flavonoids and effects of stress, Curr. Opin. Plant Biol., 2002, vol. 5, no. 3, pp. 218–223. https://doi.org/10.1016/s1369-5266(02)00256-x
Zhuk, V., Sokolova, D., Kravets, A., et al., Efficiency of pre-sowing seeds by UV-C and X-ray exposure on the accumulation of antioxidants in inflorescence of plants of Matricaria chamomilla L. genotypes, Int. J. Sec. Metabol., 2021, vol. 8, no. 3, pp. 186–194. https://doi.org/10.21448/ijsm.889860