Expression of Genes Involved in Phenolics and Lignin Biosynthesis in Zinnia elegans under Saline Stress

Abstract

Salinization is a common type of agricultural land degradation. It causes inhibition of plant growth and productivity. Previous research into mechanisms of plant resistance to salinity and other stressors has shown that one of nonspecific responses is cell wall lignification which limits translocation of water and ions in the tissues and the whole plant. The current study aims to investigate the responses of Zinnia elegans Jacq. grown under regular soil irrigation with 50 mM NaCl. Plant growth parameters and biochemical characteristics, such as the level of hydrogen peroxide and malondialdehyde (MDA), and phenolics and lignin content, were determined. The level of expression of genes encoding the biosynthesis of phenolic compounds and lignin was evaluated by the relative number of transcripts. Application of 50 mM NaCl to soil decreased plant growth and induced lipid peroxidation in stem tissues, despite an increase in the concentration of phenolic compounds. It means that the antioxidant potential of produced phenolics might be insufficient for plant protection. The amount of lignin in stem tissues increased mainly due to Klason lignin which is known to limit cell elongation. The concentration of phenolic compounds correlated with the expression of PAL, C4H and 4CL genes involved in their biosynthesis; and the amount of lignin correlated with the expression level of CCR, CAD, PRX, and LAC genes

Засоление – распространенный вид нарушения сельскохозяйственных земель. Оно вызывает угнетение роста и продуктивности растений. Изучение механизмов устойчивости растений к засолению показало, что лигнификация клеточной стенки – одна из неспецифических реакций растений на этот и другие стрессоры, что ограничивает транспорт воды и ионов в тканях и целом растении. Настоящее исследование направлено на изучение реакции растений Zinnia elegans Jacq. на засоление в длительном эксперименте при выращивании на почве с регулярным поливом 50 мМ NaCl. Определены ростовые характеристики растений и биохимические показатели, такие как уровень пероксида водорода и малонового диальдегида (МДА), содержание фенольных соединений и лигнина. Уровень экспрессии генов, кодирующих биосинтез фенольных соединений и лигнина, оценивали по относительному количеству транскриптов. Внесение 50 mM NaCl в почву подавляло рост растений и индуцировало перекисное окисление липидов в тканях стебля, несмотря на увеличение концентрации фенольных соединений. Вероятно, их антиоксидантного потенциала было недостаточно для защиты растений. Количество лигнина в тканях стебля увеличивалось в основном за счет лигнина Класона, который ограничивал растяжение клеток. Уровень транскриптов генов PAL, C4H, 4CL, участвующих в синтезе фенольных соединений, коррелировал с повышением их концентрации; а генов CCR, CAD, PRX и LAC – с количеством лигнина