تولیدات گیاهی

شماره جاری

بر اساس شماره‌های نشریه

بر اساس نویسندگان

بر اساس موضوعات

نمایه نویسندگان

نمایه کلیدواژه ها

درباره نشریه

اهداف و چشم انداز

بانک ها و نمایه نامه ها

پرسش‌های متداول

اخبار و اعلانات

راهنمای تهیه مقاله

فرم های نشریه

بهینه‌ سازی آنتی‌بیوتیک مورد استفاده در همکشتی به منظور کنترل باکتری Agrobacterium tumefaciens و افزایش بازده تراریختی گیاه اطلسی (Petunia hybrida)

نوع مقاله : علمی پژوهشی - بیوتکنولوژی گیاهی

نویسندگان

1 گروه پژوهشی بیوتکنولوژی گیاهان باغبانی، پژوهشکده بیوتکنولوژی صنعتی، سازمان جهاد دانشگاهی خراسان رضوی، مشهد، ایران

2 دانشجوی دکتری،گروه بیوتکنولوژی و به‌نژادی گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، ایران

3 دانش آموخته دکتری، گروه بیوتکنولوژی و به‌نژادی گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، ایران

چکیده

     انتقال ژن با واسطه باکتری Agrobacterium tumefaciens یکی از روش‌ های شناخته شده با هدف تولید گیاهان تراریخته است. موفقیت در این روش بستگی به نحوه رشد باکتری و باززایی ریزنمونه های گیاهی دارد. در این میان، آنتی‌ بیوتیک‌ ها به عنوان تنظیم‌ کننده‌ های رشد باکتری عمدتا اثرات بازدارندگی بر روی رشد گیاه دارند. از این‌ رو معرفی یک روش انتقال ژن موفق با واسطه آگروباکتریوم نیازمند شناسایی آنتی‌بیوتیک دارای اثر بازدارندگی رشد بر باکتری و نیز کمترین تاثیر بر باززایی ریزنمونه‌ های گیاهی و رشد گیاهان تراریخته است. در این راستا این پژوهش با هدف بهینه‌ سازی آنتی‌بیوتیک مورد استفاده در هم کشتی به منظور افزایش بازده تراریختی گیاه اطلسی (Petunia hybrida) انجام شد. بدین منظور ابتدا میزان رشد باکتری A. tumefaciens در محیط کشت‌ های مختلف دارای دو pH مناسب برای رشد گیاه (7/5) و رشد باکتری (7) در حضور غلظت 500 میلی‌گرم در لیتر آنتی‌ بیوتیک سفوتاکسیم به عنوان آنتی‌ بیوتیک رایج به منظور کنترل رشد باکتری مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حساسیت سنجی باکتری نشان داد که نوع و غلظت نمک‌ و pH محیط کشت بطور معنی‌داری بر میزان رشد باکتری‌ تاثیرگذار است، بطوری که بیشترین میزان رشد باکتری در محیط کشت‌های LB و MH در pH= 7 مشاهده شده اما بر خلاف آن هیچ گونه رشدی در محیط کشت MS مشاهده نشد. علاوه بر آن، دو آنتی‌ بیوتیک سفوتاکسیم و سفتریاکسون در غلظت 700 میلی‌گرم در لیتر دارای بیشترین اثر بازدارندگی بر رشد باکتری بودند. آزمایش دوم به منظور بررسی اثر آنتی‌ بیوتیک بر روی باززایی ریزنمونه‌ های برگ گیاه اطلسی انجام شد. نتایج این آزمایش نشان داد که آنتی‌ بیوتیک‌ های مختلف اثرات متفاوتی بر باززایی ریزنمونه‌ ها و رشد گیاهچه حاصل از آنها دارند. طبق این نتایج بیشترین حجم کالوس و درصد باززایی در حضور آنتی بیوتیک‌ های سفتیزوکسیم و کوآموکسی‌کلاو در هر سه غلظت و سفپیم در غلظت 300 میلی‌گرم در لیتر مشاهده گردید. بیشترین تعداد گیاهچه نیز در تیمار سفتیزوکسیم در غلظت‌ های 300 و 500 میلی‌گرم در لیتر با میانگین 70/7 گیاهچه بود. در ارتباط با صفات رشدی گیاهچه، بیشترین تعداد و طول ریشه در هر گیاهچه به ترتیب در تیمار سفتیزوکسیم در غلظت 300 میلی‌گرم در لیتر و سفوتاکسیم در همین غلظت مشاهده شد. بیشترین وزن خشک متعلق به گیاهچه‌های رشدیافته در حضور آنتی‌ بیوتیک کوآموکسی‌کلاو و پس از آن آنتی بیوتیک سفتیزوکسیم (mg/l 300) بود. مجموع نتایج این آزمایش‌ ها نشان می‌ دهد گیاهچه‌ های رشد یافته در حضور آنتی‌ بیوتیک سفتیزوکسیم از رشد مناسبی برخوردار بودند در حالیکه استفاده از این آنتی‌ بیوتیک در بازدارندگی رشد A.tumefaciens موثر بود. از این‌رو کاربرد آنتی‌ بیوتیک سفتیزوکسیم در فرآیند هم‌ کشتی در افزایش بازدهی انتقال ژن موثر خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Optimization of antibiotics during co-culture of Petunia hybrida leaf explants and Agrobacterium tumefaciens to increase gene transgenic efficiency

نویسندگان [English]

  • Azadeh Khadem 1
  • zahra sargazi moghaddam 2
  • Mahboobeh yazdi 3
  • Mahdiyeh Kharrazi 1
  • Ahmad Sharifi 1

1 Horticultural Plants Biotechnology Department, Research Institute for Industrial Biotechnology, Academic Centre for Education, Culture and Research (ACECR)- Khorasan Razavi Branch, Mashhad, Iran

2 Ph.D. Student of Biotechnology and Plant Breeding, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Iran

3 Ph.D. Graduated from the Department of Biotechnology and Plant Breeding, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Iran

چکیده [English]

Introduction
Gene transfer by the Agrobacterium tumefaciens is one of the well-known methods for the production of the transgenic plants. The success rate of this method depends on the growth of the bacteria and the regeneration of the plant explants. Among these variables, the antibiotics functioning as bacterial growth regulators have mainly inhibitory effects on the plant growth. Therefore, the introduction of a successful gene transfer method which is mediated by Agrobacterium requires the identification of an antibiotic with an inhibitory effect on the growth of the bacteria and also has a minimal effect on the regeneration of the explants and the growth of the transgenic plants. In this regard, the present research was conducted with the aim of optimizing the antibiotic used in co-culture in order to increase the transgenic yield of Petunia hybrida. For this purpose, a variety of antibiotics in different concentrations were tested.
Materials and Methods
The growth rate of A. tumefaciens in the different medium culture with two suitable pH for the bacterial growth (7) and plant growth (5.7) in the presence of 500 mg/L of the cefotaxime antibiotic as a common antibiotic for controlling bacterial growth was investigated. Sensitivity tests were run. The second experiment was conducted to investigate the effect of five different antibiotics in three concentration on the regeneration of the petunia leaf explants.
 Results and Discussion
The results of the bacterial sensitivity test showed that the type and concentration of salt and the pH of the medium culture significantly affect the growth rate of the bacteria. So that the highest rate of bacterial growth was observed in LB and MH medium culture at pH=7, but on the contrary, no growth was observed in MS medium culture. In addition, two antibiotics of cefotaxime and ceftriaxone at 700 mg/L concentration had the highest inhibitory effect on the bacterial growth. The results of this experiment showed that different antibiotics have different effects on the regeneration of explants and the growth of the seedlings. According to the results, the highest volume of callus and also the highest percentage of regeneration were observed in the presence of ceftizoxime and coamoxiclav antibiotics in all three concentrations and cefepime at 300 mg/L. The highest number of the seedlings was also observed in the treatment of ceftizoxime at concentrations of 300 and 500 mg/L with an average of 7.70 seedlings. In relation to the seedling growth traits, the highest number and length of root per seedling were observed in ceftizoxime at 300 mg/l and cefotaxime at the same concentration, respectively. The highest dry weight belonged to the grown seedlings in the presence of co-amoxiclav antibiotic followed by the ceftizoxime (300 mg/L).
Conclusion
 The overall results of these experiments show that the seedlings which are grown in the presence of ceftizoxime antibiotic had a good growth rate, while the use of this antibiotic was effective in inhibiting the growth of A. tumefaciens. Therefore, we recommend that the use of ceftizoxime antibiotic in the co-culture process will be effective in increasing the efficiency of the gene transfer. Further studies will solidify these results..

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cefotaxime
  • Ceftizoxime
  • Medium culture
  • pH
  • Seedling growth
مراجع
Amin, A., Ahmad, W., Khan, G. M., & Khan, M. A. (2012). Complete elimination of indigenously isolated Agrobacterium tumefaciens strains by quinolone and metallo β-Lactam antibiotics. Jordan Journal of Pharmaceutical Sciences, 5(1), 1-7.
Asif, M., Eudes, F., Randhawa, H., Amundsen, E., Yanke, J., & Spaner, D. (2013). Cefotaxime prevents microbial contamination and improves microspore embryogenesis in wheat and triticale. Plant Cell Reports, 32(10), 1637-1646.
Bahramnejad, B., Naji, M., Bose, R., & Jha, S. (2019). A critical review on use of Agrobacterium rhizogenes and their associated binary vectors for plant transformation. Biotechnology Advances, 37(7), 107405.
Bernier, S.P., & Surette, M.G. (2017). Concentration-dependent activity of antibiotics in natural environments, Front. Microbiol, 4-20.
Bombarely, A., Moser, M., Amrad, A., Bao, M., Bapaume, L., Barry, C. S., & Bruggmann, R. (2016). Insight into the evolution of the solanaceae from the parental genomes of Petunia hybrida. Nature plants, 2(6), 1-9.
Brouwers R. Vass H. Dawson A. Squires T. Tavaddod S., & Allen R.J. (2020). Stability of β-lactam antibiotics in bacterial growth media. PLoS One, 15(7), e0236198.‏
Chernobrovkina, M. A., Karavaev, C. A., Kharchenko, P. N., & Melik-Sarkisov, O. S. (2004). Somatic embryogenesis and morphogenetic potential of spring barley (Hordeum vulgare L.) in the system of technological genetic transformation. Biology Bulletin of the Russian Academy of Sciences, 31(4), 332-336.
Cho, H., Uehara, T., & Bernhardt, T. G. (2014). Beta-lactam antibiotics induce a lethal malfunctioning of the bacterial cell wall synthesis machinery. Cell, 159(6), 1300-1311.
Danilova, S. A., & Dolgikh, Y. I. (2004). The stimulatory effect of the antibiotic cefotaxime on plant regeneration in maize tissue culture. Russian Journal of Plant Physiology, 51(4), 559-562.
De Saeger, J., Park, J., Chung, H. S., Hernalsteens, J.-P., Van Lijsebettens, M., Inzé, D., & Depuydt, S. (2021). Agrobacterium strains and strain improvement: Present and outlook. Biotechnology Advances, 53, 107677.
Gambhir, G., Kumar, P. & Srivastava, D.K. (2017). Effect of antibiotic sensitivity on different cultured tissues and its significance in genetic transformation of cabbage Brassica oleracea. Bioscience Biotechnology Research Communications, 10(4), pp.652-661.
Gerats, T. & Vandenbussche, M. (2005). A model system for comparative research: Petunia. Trends in plant science, 10(5), pp.251-256.
Gerszberg, A., & Grzegorczyk-Karolak, I. (2019). Influence of selected antibiotics on the tomato regeneration in in vitro cultures. Notulae Botanicae Horti Agrobotanici Cluj-Napoca, 47(3).
Goldani, M., & Kamali, M. (2016). Evaluation of culture media including vermicompost, compost and manure under Drought Stress in Iranian Petunia (Petunia hybrida). Plant Productions, 39(3), 91-100. doi:10.22055/ppd.2016.12335. [In Persian]
Gübitz, T., Hoballah, M.E., Dell’Olivo, A. & Kuhlemeier, C. (2009). Petunia as a model system for the genetics and evolution of pollination syndromes. In Petunia pp. 29-49, Springer, New York, NY.
Hou, J., & Poole, J.W. (1971). ß -lactam antibiotics: Their physicochemical properties and biological activities in relation to structure, Journal of Pharmaceutical Sciences .60 (4), 503-532.
Kim, J. & Kim, K.H. (2017). Effects of minimal media vs. complex media on the metabolite profiles of Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae. Process Biochem. 57, 64 –71.
Jalilian, A., Esmaili, A., Nazarian Firozabadi, F., & Hosseini, S. Z. (2017). Induction of Transgenic Hairy Roots in Medicinal Plant Poppy (Papaver somniferum L.) by Agrobacterium rhizogenes-Mediated Transformation. Plant Productions, 39(4), 1-14. doi:10.22055/ppd.2017.12057. [In Persian]
Liang, C., Wu, R., Han, Y., Wan, T., & Cai, Y. (2019). Optimizing suitable antibiotics for bacterium control in micropropagation of cherry rootstock using a modified leaf disk diffusion method and E test. Plants, 8(3), 66.
Lin, J.J., Assad-Garcia, N., & Kuo, J. (1995). Plant hormone effect of antibiotics on the transformation efficiency of plant tissues by Agrobacterium tumefaciens cells. Plant Science, 109(2), 171-177.
McManus, P. S., Stockwell, V. O., Sundin, G. W., & Jones, A. L. (2002). Antibiotic use in plant agriculture. Annual Review of Phytopathology, 40(1), 443-465.
Mamidala, P., & Nanna, R. S. (2009). Influence of antibiotics on regeneration efficiency in tomato. Plant Omics, 2(4), 135-140.
Meng, Q., Liu, Z., Zhang, Y., Liu, C., Ren, F., & Feng, H. (2014). Effects of antibiotics on in vitro-cultured cotyledons. In Vitro Cellular & Developmental Biology-Plant, 50(4), 436-441.
Mineykina, A., Shumilina, D., Bondareva, L., Soldatenko, A., & Domblides, E. (2020). Effect of beta-lactam antibiotics on microspore embryogenesis in Brassica species. Plants, 9(4), 489.
Padilla, I., & Burgos, L., (2010). Aminoglycoside antibiotics: structure, functions and effects on in vitro plant culture and genetic transformation protocols. Plant Cell Reports, 29(11), 1203-1213.
Petri, C., López-Noguera, S., Alburquerque, N., Egea, J., & Burgos, L. (2008). An antibiotic-based selection strategy to regenerate transformed plants from apricot leaves with high efficiency. Plant science, 175(6), pp.777-783.
Qin, Y., Teixeira da Silva, J. A., Bi, J., Zhang, S., & Hu, G. (2011). Response of in vitro strawberry to antibiotics. Plant Growth Regulation, 65(1), 183-193.
Ratiu, I.A., Plugaru, VR., Pomastowski, P., Milanowski, M., Mametov, R., Bocos-Bintintan, V., & Buszewski, B. (2019). Temporal influence of different antibiotics onto the inhibition of Escherichia coli bacterium grown in different media. Analytical. Biochemistry, 585, 113407.‏
Tsuda, SH., Fukui, Y., Nakamura, N., Katsumoto, Y., Yonekura-Sakakibara, K., Fukuchi-Mizutani, M., Ohira, K., Ueyama, Y., Ohkawa, H., A.Holton, T., Kusumi, T., & Tanaka, Y., (2004). Flower color modification of Petunia hybrida commercial varieties by metabolic engineering. Plant Biotechnology 21: 377-386.
Wiebke, B., Ferreira, F. Pasquali., G. Bodanese-Zanettini, M.H., & Droste, A. (2006). Influence of antibiotics on embryogenic tissue and Agrobacterium tumefaciens suppression in soybean genetic transformation. Bragantia. 65(4), 543-551.‏
Ziemienowicz, A. (2014). Agrobacterium-mediated plant transformation: Factors, applications and recent advances. Biocatal Agric Biotechnol, 3 (4), 95-102.
تولیدات گیاهی
دوره 46، شماره 3
آذر 1402
صفحه 353-366
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار