بررسی بیان ژنS-like RNase در گندم و خویشاوندان وحشی آن تحت تنش خشکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

چکیده

ژنومیکس کارکردی راهکار جدیدی برای پی بردن به جنبه های اساسی تنش­های زیستی و غیر زیستی در گیاهان می­باشد. در این مطالعه با بررسی کتابخانه­های EST در ژنوم گندم و خویشاوندان وحشی آن که در شرایط تنش خشکی و شرایط نرمال ایجاد شده­اند، ژن­ها و فاکتورهای رونویسی دخیل در مقاومت به خشکی بررسی شدند. یکی از این ژن­ها که تفاوت بیان زیادی در تنش خشکی نشان داد،S-lik RNase  می­باشد که تا کنون نقش آن در مقاومت به خشکی در گندم بررسی نشده است. آنالیز Expressed Sequence Tag (EST) مشخص کرد که ژن S-Like RNase دارای افزایش بیان معنی داری در شرایط تنش خشکی می­باشد. نتایج PCR در زمان واقعی نشان داد که بیان این ژن در بساک ارقام مقاوم افزایش زیادی داشته است. RNaseها در فرایندهای متنوع سلولی همچون همانند­سازی DNA، رونویسی، پیرایش (اسپلایسینگ) و کنترل ترجمه نقش مهمی بازی می­کنند بطوریکه RNaseهای فامیل T2 در فرایندهای تغذیه، انتقال مجدد فسفات، خودناسازگاری، پیری و دفاع در برابر پاتوژن­ها درگیرند. اثرات بالقوه یافت شده برای RNaseها در القای مقاومت به خشکی، می­تواند ناشی از برهمکنش چندین خاصیت متمایز آنها باشد. در این تحقیق افزایش بیان چشمگیر S-lik RNase در گندم و خویشاوند وحشی گندم (Aegilops tauschii) در پاسخ به تنش خشکی، برای اولین بار گزارش گردید و این بر اهمیت پیدا کردن ژن­های موثر در ایجاد مقاومت به تنش ها در بین خویشاوندان وحشی گیاهان تاکید می­نماید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study of S-Like RNase expression in wheat and its wild relatives under drought stress

نویسندگان [English]

  • Roudabeh Ravash
  • Behrouz Shiran
  • Esmaeil Ebrahimi
  • Sadollah Houshmand
چکیده [English]

Functional genomics has provided new opportunities to understand the fundamental aspects of biotic and abiotic stresses in plants. In this study, a comparative analysis on EST libraries of wheat and its wild relatives conducted to discover novel genes and transcriptional factors involved in drought tolerance. EST analysis revealed a significant increase in expression level of S-lik RNase in drought condition. Further analysis by qPCR indicated over-expression of this gene in anther of tolerant cultivars. RNases participate in vital cellular functions such as DNA replication, transcription, splicing, and control of translation. T2 family RNases have been implicated in nutrition, phosphate remobilization, self-incompatibility, senescence, and defense against pathogens. This is the first report on the effect of S-lik RNase at drought stress response in wheat and significant up regulation of this gene in wheat wild relative (Aegilops tauschii) and that emphasize on finding new effective genes from wild relative plants for stress tolerance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Real time- PCR
  • EST Analysis
  • RNase S-like protein
  • Drought stress

بررسی بیان ژنS-like RNase  در گندم و خویشاوندان وحشی آن تحت تنش خشکی

 

رودابه راوش*1،بهروز شیران2، اسماعیل ابراهیمی3،سعدالله هوشمند2

 

1دانشجوی دکتری ژنتیک مولکولی و بیوانفورماتیک، بخش اصلاح نباتات، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد 

2 دانشیار بخش اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد 

3استادیار بخش اصلاح نباتات، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شیراز

تاریخ دریافت: 18/12/1390، تاریخ پذیرش: 22/3/1391

چکیده

ژنومیکس کارکردی راهکار جدیدی برای پی بردن به جنبه های اساسی تنش­های زیستی و غیر زیستی در گیاهان می­باشد. در این مطالعه با بررسی کتابخانه­های EST در ژنوم گندم و خویشاوندان وحشی آن که در شرایط تنش خشکی و شرایط نرمال ایجاد شده­اند، ژن­ها و فاکتورهای رونویسی دخیل در مقاومت به خشکی بررسی شدند. یکی از این ژن­ها که تفاوت بیان زیادی در تنش خشکی نشان داد،S-lik RNase  می­باشد که تا کنون نقش آن در مقاومت به خشکی در گندم بررسی نشده است. آنالیز Expressed Sequence Tag (EST) مشخص کرد که ژن S-Like RNase دارای افزایش بیان معنی داری در شرایط تنش خشکی می­باشد. نتایج PCR در زمان واقعی نشان داد که بیان این ژن در بساک ارقام مقاوم افزایش زیادی داشته است. RNaseها در فرایندهای متنوع سلولی همچون همانند­سازی DNA، رونویسی، پیرایش (اسپلایسینگ) و کنترل ترجمه نقش مهمی بازی می­کنند بطوریکه RNaseهای فامیل T2 در فرایندهای تغذیه، انتقال مجدد فسفات، خودناسازگاری، پیری و دفاع در برابر پاتوژن­ها درگیرند. اثرات بالقوه یافت شده برای RNaseها در القای مقاومت به خشکی، می­تواند ناشی از برهمکنش چندین خاصیت متمایز آنها باشد. در این تحقیق افزایش بیان چشمگیر S-lik RNase در گندم و خویشاوند وحشی گندم (Aegilops tauschii) در پاسخ به تنش خشکی، برای اولین بار گزارش گردید و این بر اهمیت پیدا کردن ژن­های موثر در ایجاد مقاومت به تنش ها در بین خویشاوندان وحشی گیاهان تاکید می­نماید.

کلمات کلیدی: تنش خشکی، RNase S-like protein، آنالیز EST،  PCRدر زمان واقعی


مقدمه

گندم یکی از گیاهان حیاتی برای بشر به حساب می­آید و بخش عمده­ای از غذای او از این غله تامین می­گردد. بنابراین مطالعه بر روی جنبه­های مختلف به­نژادی گندم، هدف با ارزشی می­باشد. در کشور ما خشکی از جمله تنش­های مهم غیرزیستی است که عملکرد نهایی گندم را بطور چشمگیری کاهش می­دهد. اهمیت این مساله زمانی بیشتر می شود که بدانیم بیشتر نواحی کشت گندم کشور، در اقلیم خشک واقع شده اند. انتخاب برای ارقام متحمل به خشکی و پیدا کردن ژن­های مقاومت به خشکی از جمله اهداف مهم برنامه­های اصلاحی کشور می­باشد.

ژنومیکس مطالعه ی ژنوم یک جاندار است، که شامل تعیین همه ی ژن­ها و عناصر تنظیمی آنها و در واقع تلاش متمرکز برای تعیین توالی همه ترکیبات DNA ماده­ی ژنتیکی و تعیین نقشه ژنتیکی موجودات است. با بالا رفتن تعداد ژنوم­های تعیین شده، آنالیزهای مقایسه ای هم ارزشمند می­شود.

امروزه در اصلاح گندم از ژنومیکس، به عنوان ابزاری برای شناسایی مکان­های کنترل کننده تحمل به تنش و نیز وسیله­ای برای غربال کردن تغییرات آللی در گندم وحشی، استفاده شده است. دامنه و قدرت تفکیک ژنومیکس فهم ژنتیکی وسیع و در عین حال همراه با جزئیات بیشتر از عملکرد کلی گیاه را برای محققان فراهم می­آورد. این آنالیزها با نرم افزار­های مخصوص روی مقادیر بسیار زیادی از داده­های زیستی تولید و ذخیره شده در بانک­های اطلاعاتی صورت می­گیرد و این همان حوزه بیوانفورماتیک گیاهی است (Neerincx et al., 2005). کتابخانه­های مربوط به توالی­های بروز یافته ژنوم[1] که به EST[2]"" معروف اند، دسته مهمی از داده­های زیستی می­باشند که برای طیف وسیعی از آزمایشات انجام شده بر روی گونه­های مختلف گیاهی و جانوری تهیه شده و در پایگاه­های اطلاعاتی مهم مانند NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) و Harvard university (http://compbio.dfci.harvard.edu ) در دسترس عموم قرار گرفته اند. توالی EST­های تولید شده، در سطح کلان برای تعیین ژن­های جدید در مسیر­های متابولیکی خاص بسیار با ارزش هستند. در حال حاضر پروژه­های EST در مقیاس بزرگ، به عنوان چشم انداز جدیدی برای فهم اصول مولکولی صفات مهم در گیاهان زراعی تلقی می­گردد. تعداد زیاد EST­های ذخیره شده در پایگاه­های عمومی، منابع بالقوه و با ارزشی برای مقایسه سطوح بیان ژن­ها در بین گونه­های مختلف، بافت­ها و مراحل نموی می­باشد. کاربرد اولیه EST­ها کشف ژن است، اما از کاربرد­های پیچیده تر آنها می­توان به شناسایی خانواده­های ژنی حفاظت شده بین گونه­های مورد بررسی، کشف گوناگونی­های ویرایش رونوشت ژن (اسپلایسینگ­ها) و تعیین ساختار ژن از طریق صف بندی و انطباق ویرایش­ها، بررسی بیان ژن و تفسیر ژنوم اشاره کرد (Dong et al., 2005). با کمک کتابخانه EST ذرت، ژن­های موثری که در طی تنش خشکی در ریشه این گیاه القا می­شدند، شناسایی گردیدند (Hui-yong et al., 2009). برای شناسایی ژن­های القایی در تنش خشکی در نخود، در تحقیقی یک کتابخانه cDNA نرمال شده از برگ­های نخود که توسط تیمار PEG تنش دیده بودند و یک کتابخانه از برگ­های نرمال، ایجاد گردید که در بین آنها 194 ژن جدید یافت شد (Gao et al., 2008).

با توجه به نقش پر اهمیت مطالعه بر روی کتابخانه­های EST در دستیابی به ژن­های جدید، در این مطالعه سعی گردید با بررسی ESTهای موجود برای شرایط کنترل و تنش خشکی در ژنوم گندم و خویشاوندان وحشی آن که منابع بالقوه ای در مطالعات ژنتیکی بشمار می­آیند، به بررسی یکی از ژن­های جدید دخیل­ در مقاومت به خشکی پرداخته شود.

 

مواد و روش ها

 جمع آوری اطلاعات EST

برای انجام آنالیز EST و یافتن ژن­های جدید موثر در تنش خشکی، کتابخانه تنش خشکی گندم، با شماره ) 5596از بافت برگ) شامل 1026 EST و کتابخانه حالت کنترل با شماره 5467 (مربوط به بافت شاخساره) شامل 2445 EST از سایت دانشگاه هاروارد با آدرس اینترنتی http://combio.dfci.harvard.edu/)) با فرمت FASTA جمع آوری و ذخیره شدند. ESTها در پایگاه اطلاعاتی EGassembler http://egassembler.hgc.jp/)) به صورت آنلاین، بر اساس میزان شباهت توالی­هایشان دسته بندی شدند. این پایگاه، جفت توالی­هایی که از نظر آماری به شکل معنی داری به هم شبیه هستند را در یک دسته قرار می­دهد که آنها را کانتیگ می­نامند. در مرحله بعد، به منظور تعیین پروتئین مرتبط با هر توالی آنالیز BlastX بر روی تمام توالی­های کانتیگ انجام شد. این کار با استفاده از نرم افزار CLC Bio به صورت آنلاین صورت گرفت. برای تعیین معنی دار بودن نتایج از لحاظ آماری از نرم افزار IDEG6 با آدرس اینترتی http://telethon.bio.unipd.it/bioinfo/IDEG6 استفاده شد.

 

ایجاد تنش خشکی و آزمون میزان بیان ژن­ با PCR در زمان واقعی

در این مطالعه، واریته­های گندم مقاوم به خشکی (هالبرد، سرداری و پیشگام) و واریته های گندم حساس به خشکی (کرنبروک، گاسپارد و MV17) و خویشاوندان وحشی گندم شامل monococcum Triticum (دارنده ژنوم AA)، Aegilops tauschii (دارنده ژنوم DD) و Triticum turgidom (دارنده ژنوم AABB)، مورد آزمایش قرار گرفتند.  

بذور گیاهان در گلدان­های سفالی با قطر دهانه 15 سانتی متر که با نسبت مساوی از خاک مزرعه، شن شسته شده و خاک برگ پر شده بودند، کشت شدند. جهت ایجاد تنش، در مرحله 5 تا 6 برگی آبیاری قطع گردید و نمونه­برداری از اندام­های برگ و ریشه در زمان­های: یک روز پس از شروع تنش و دو روز پس از شروع تنش انجام شد و همزمان، از تیمار کنترل نیز نمونه برداری گردید. میزان RWC اندازگیری شده در زمان تنش زیر 70 درصد بود. جهت مطالعه تاثیر تنش خشکی بر روی الگوی بیان ژن در اندام زایشی، از بافت بساک در حالت کنترل و سه روز پس از شروع تنش نمونه برداری صورت گرفت. استخراج RNA با استفاده از کیت RNxTM – plus شرکت سیناژن انجام شد. کمیت و کیفیت RNA استخراجی، با استفاده از اسپکتروفتومتر و ژل مخصوص RNA  تعیین گردید. سنتز رشته cDNA با استفاده از کیت ساخت cDNA  شرکت Qiagene انجام گرفت. 

بر اساس نتایج بدست آمده از آنالیز EST و انتخاب ژن های کاندید، بر اساس توالی ژن پرایمر مربوط به آن با استفاده از نرم افزارadvance 11.5.1 vector NTI طراحی گردید. انجام PCR در زمان واقعی[3] با استفاده از دستگاه Rotor gene-Q از شرکت Qiagene صورت گرفت. واکنش PCR با حجم نهایی 10 میکرولیتر انجام شد. برنامه واکنش شامل: 95  درجه به مدت 1 دقیقه و سپس طی 40 سیکل با 95 درجه برای 20 ثانیه، 59 درجه برای 20 ثانیه و 72 درجه 20 ثانیه، بود. الگویابی منحنی ذوب از 60 تا 95 درجه در پایان واکنش برای هر  PCR جهت تشخیص اختصاصی بودن واکنش انجام گردید. برای هر نمونه سه تکرار تکنیکی و دو تکرار بیولوژیکی وجود داشت که عموما تفاوت آنها کمتر از  5/0 بود. تجزیه و تحلیل داده­ها با روش مقایسات کمی[4] انجام گرفت و نمونه های تنش هر رقم در مقابل کنترل آن که همزمان با آنها گرفته شده بود، سنجیده شدند.

 

همسانه­سازی و توالی یابی

جهت اطمینان از صحت قطعه تکثیر شده، قطعه ژن مورد نظر پس از تکثیر با PCR معمولی بر روی ژل آگاروز بارگذاری شد و پس از اطمینان از اندازه قطعه، از ژل جداسازی و خالص سازی شد. قطعه تکثیری، با استفاده از کیت همسانه­سازی شرکت فرمنتاز، ژن کلون گردید. سپس پلاسمید حاوی قطعه ژن توسط کیت استخراج پلاسمید شرکت فرمنتاز استخراج شده و برای توالی یابی به شرکت ماکروژن کره ارسال گردید.

 

بررسی جنبه های مختلف عملکرد ژن مورد نظر در سایر آزمایشات میکرواری

برای شناسایی نقش دقیق تر ژن انتخابی در گیاهان مختلف و آزمایش هایی که با اهداف متفاوت در گیاهان مختلف انجام گرفته اند، یکی از بهترین مسیر ها، بررسی نتایج بیان ژن مورد آزمایش در آزمایشات میکرواری می­باشد. به این منظور از طریق پایگاه Plexdb با آدرس اینترنتی http://www.plexdb.org، بیان این ژن در شرایط مختلف در گیاهان جو، برنج و گندم بررسی شد. با بررسی میزان بروز این ژن در این آزمایشات می­توان دید جامع تری در رابطه با نقش این ژن در گیاه داشته باشیم.

 

نتایج و بحث

نتایج آنالیز EST

پس از بلاست کانتیگ­ها در NCBI که با کمک نرم افزار CLC bio صورت گرفت، یکی از ژن­هایی که در این مرحله کاندید شد، RNase S-like protein precursor [Hordeum vulgare subsp. vulgare] (Accession No. Q8L827) بود، که تعداد EST های آن در حالت تنش نسبت به حالت کنترل افزایش معنی­داری نشان می­داد. این ژن در واکنش به برخی از تنش­ها و بیماریها گزارش شده است ( Deshpande & Shankar, 2002; MacIntosh et al., 2010)، ولی هیچگونه گزارشی در مورد افزایش بیان آن در تنش خشکی در گندم داده نشده است. ریبونوکلئازها[5] (RNase) اجزاء موجود در سلول­ها هستند که علاوه بر از بین بردن RNA سلولی نقش­های دیگری نیز برای آنها یافت شده است. S-RNases در فرآیند خودناسازگاری گامتوفیتی در حداقل سه فامیل گیاهی دخالت دارند (Hua et al., 2008). تراوش آنها در خامه از رشد دانه گرده حاوی آلل S مشابه جلوگیری می­کند (Clarke & Newbigin, 1993). تظاهر ژن S-RNase در مادگی گیاهان خود ناسازگار برای رد کردن گرده با آلل مشابه (S-allele) ضروری است و این کشف باعث شد تا تعداد زیادی از RNase های گیاهی مشابه در گیاهان خودناسازگار یافت شوند که به آنها S-like RNase گفته می­شود. این دسته از پروتئین­ها زیر مجموعه­ای از فامیل fungal RNase T2 هستند. S-like RNase ها در تمام گونه­های گیاهی وجود دارند و اغلب در گل­ها بیان می­شوند (MacIntosh et al., 2010). عملکرد S-like RNase در دو مسیر فیزیولوژیکی گزارش شده است؛ اولا" در تغذیه به واسطه چرخش مجدد فسفات معدنی در طی کمبود فسفات، ثانیا" در طی پیری و مراحلی شامل مرگ سلولی و دفاع در برابر پاتوژن ها، دخیل می­باشد (Bariola & Green, 1997; Deshpande & Shankar, 2002). S- and S-like RNase مربوط به گیاهان، شامل پنج ناحیه بسیار محافظت شده هستند که از C1 تا C5 می­باشند (Hillwig et al., 2010).

 

نتایج آنالیز PCR در زمان واقعی

آغازگر رفت  5' ATTCGCTTGAACGCAACTCA 3' و آغازگر برگشت 5' TGTCCTACGCCGAAGCATTC 3'  از روی توالی EST موجود و توالی دومین پروتئین طراحی شد و با آغازگر مقالات دیگر نیز مطابقت داده شد (Adhikari et al., 2007). آغازگر ژن کنترل داخلی اکتین در رشته پیشرو 5'CCTGTGTTGCTGACTGAGGCCCC3' و در رشته پیرو 5'CCAAACGAAGGATAGCATGAGGAAGCG3' بود. تغییرات بیان این ژن در بین ارقام گندم و خویشاوندان وحشی آن در سه بافت برگ و ریشه و بساک در زمان کنترل و تنش خشکی اندزه گیری گردید.

تغییرات بیان این ژن در بافت ریشه دارای الگوی مشخص و توجیه پذیری نبود. میزان افزایش بیان این ژن در بافت بساک چشمگیر بود بطوریکه در شرایط تنش، میزان بروز آن در بساک تمامی ارقام گندم مدرن مورد مطالعه، نسبت به شرایط کنترل افزایش چشمگیر و معنی داری نشان داد، که این افزایش بیان باتوجه به نقش مهم ژن S-like RNase در اندام های زایشی، قابل توجیه است (شکل­های 1 و 2)، همچنین بیان این ژن در برگ برخی از ارقام افزایش نشان داد و بیشترین شدت بیان در برگ اجیلوپس دیده شد (شکل 3).

 

 

 

 

شکل 1- بیان نسبی ژن S-like RNase در حالت تنش خشکی در بساک ارقام مختلف گندم مدرن.

Figure 1- Relative expression of S-Like RNase at drought stress in anther tissue of modern wheat varieties.

 

 

همانطور که در شکل 1 مشخص می­باشد، بیان در شرایط تنش خشکی نسبت به حالت کنترل در بساک تمام ارقام مختلف گندم مدرن افزایش چشمگیری دارد، البته در رقم MV17 که حساس به خشکی محسوب می­ شود، این ژن افزایش بیان کمتری داشت. همچنین، در ریشه و برگ نیز بیان ژن S-like RNase به اندازه بساک بالا نمی­باشد و این به دلیل نقش مهم این ژن در بساک می­باشد.

 

 

شکل 2- بیان نسبی ژن S-like RNase در حالت تنش خشکی در بساک خویشاوندان وحشی گندم.

Figure 2- Relative expression of S-Like RNase at drought stress in Hui-yong anther tissue of wheat wild relatives.

 

 

بیان ژن S-like RNase در بافت بساک و در پاسخ به تنش خشکی، فقط در یکی از خویشاوندان وحشی گندم یعنی اجیلوپس بطور معنی داری افزایش نشان داد (شکل2). بر اساس نتایج این مطالعه بیان این ژن که در حالت کنترل نیز در اجیلوپس بالاست، در اثر تنش خشکی، بسیار بیشتر می­شود. در دو خویشاوند دیگر گندم یعنی مونوکوکوم و تورجیدوم در اثر تنش خشکی بیان این ژن کاهش یافت. از آنجاییکه اجیلوپس منشا ژنوم D در گندم مدرن می­باشد، می­توان پیشبینی کرد که ژن S-like RNase در گندم مدرن از ژنوم D نشأت گرفته باشد.

ژن S-like RNase در برگ اجیلوس نیز به نسبت دو خویشاوند دیگر بیان بسیار بالاتری نشان داد (شکل 3) و الگوی بیانی آن با بساک نیز متفاوت بود.

الگوی بیان متفاوت و بالای ژن S-like RNase در بساک نسبت به ساقه و ریشه در ارقام مختلف گندم مدرن و گندم وحشی اجیلوپس، نشان دهنده نقش مهم این ژن در پاسخ اندام های زایشی به تنش می­باشد. همچنین بیان منحصر بفرد این ژن در گندم وحشی اجیلوپس نشان دهنده اهمیت خویشاوندان وحشی بعنوان منابع بالقوه ژنهای مقاومت به تنش ها برای گونه های مدرن زراعی می­باشد و ارزش حفظ و بهره­برداری از خویشاوندان وحشی گیاهان را روشن می­سازد.

 

.

شکل 3- بیان نسبی ژن S-like RNase در حالت تنش خشکی در برگ خویشاوندان وحشی گندم.

Figure 3- Relative expression of S-Like RNase at drought stress in leaf tissue of wheat wild relatives.

 


کلونینگ و توالی­یابی

قطعه ژن مورد نظر، توسط آغازگر های این ژن با PCR تکثیر و جداسازی شد. پس از کلونینگ، قطعه تکثیر شده، توالی یابی شد. نتایج حاصل از توالی یابی این قطعه در زیر آورده شده است:

> S-like Rnase _pJET1            1257

TGTCCTACGCCGAAGCATTCGAGATGGCCGGCGCCGCCATGGGATACTGAGCTGCAGCTGCAGATCGGTAGCCGGTCGGGCCCTTGACCGGTCTCGTCTTGTGAGTTGCGTTCAAGCGAAT

نتایج آنالیز بلاست توالی بدست آمده در سایت NCBI نشان داد که این توالی با اطمینان بالا (e-value= 2e-22) و شباهت 98 درصد با توالی ژن (rsh1) S-like RNase در جو، جفت می­گردد.

بررسی جنبه های مختلف عملکرد ژن مورد نظر در سایر آزمایشات میکرواری

بر اساس نتایج میکرواری در آزمایشات گوناگون، می­توان جنبه های مختلف عملکردی ژن را بررسی کرد. در آزمایشی که در گیاه جو بر روی سنجش میزان بیان ژنها در سنبلچه جو در بافتهای لما، پالئا، ریشک و بذر صورت گرفته است، مشخص شده که در مرحله پر شدن دانه، بیشترین میزان بیان S-Like RNase در بافت بذر می­باشد. همچنین در اثر تنش خشکی در مرحله پر شدن دانه بیان این ژن در دانه جو افزایش یافته ولی میزان بیان در ریشک در اثر تنش خشکی کاهش یافته است (Abebe et al., 2009). در تحقیقی که بر روی بروز ژنها در دو رقم برنج حساس و مقاوم به شوری صورت گرفت، بیان S-Like RNase در ناحیه خوشه برنج دراثر تیمار شوری در رقم حساس افزایش زیادی داشته است و در رقم مقاوم به شوری، افزایش بیان به میزان کمتری مشاهده شده است (Walia et al., 2005). در آزمایش دیگری بیان این ژن در ریشه و ساقه برنج در اثر تیمار آهن و فسفر در شاخساره برنج افزایش زیادی داشته است ولی در ریشه میزان بیان آن بالا نرفته است (Zheng et al., 2009). در مطالعه ای متفاوت که بر روی الگوی بیان ژنها در مرحله زایشی برنج انجام شد، به این نتیجه رسیدند که بیشترین بیان S-Like RNase در بافت کلاله در حال گرده افشانی بود (Fujita et al., 2010). در آزمایش میکرواری در گندم نیز بروز ژنها در بافتهای مختلف در طی مراحل رشدی گندم مورد بررسی قرار گرفت و بیشترین بیان برای ژن مورد نظر در این مطالعه، در بافت اندوسپرم دانه بوده است (Schreiber et al., 2009).

تظاهر ژن S-like RNase در طی فرایند پیری در Arabidopsis thaliana و Lycospersicum esculentum دیده شده است. همچنین در اثر محدودیت فسفات، ژن مذکور در A. thaliana, L. esculentum,  و Nicotiana  alata بروز کرده است (Lers et al., 1998). در طی زایلوجنسیس[6] در Zinnia elegans نیز بیان آن زیاد شده است (Ye and Droste, 1996). بنابر مشاهداتی که از فعالیت آنزیمی این پروتئین در دست می­باشد، نقش آن در سیستم دفاعی موجودات پیشنهاد شده است. در مورد نقش ضد میکروبی RNase در برابر آفات گیاهی تحقیقاتی شده است که نشان داده اند RNase از بلند شدن ریسه قارچ جلوگیری می­کند. نتایج این دسته از مطالعات نشان می­دهد که فعالیت آنزیمی در غلظت و شرایط خاص انجام می­گیرد و RNA قارچی پس از انتقال این پروتئین به دستگاه گلژی، تجزیه می­شود Hugot et al., 2002)). RNase ها در رونویسی، پیرایش [7] و کنترل ترجمه با تعیین محصول RNA نقش بارزی ایفا می­کنند، همچنین برخی از انواع آنها در فرآیندهای تغذیه، انتقال مجدد فسفات، خودناسازگاری، پیری و دفاع در برابر پاتوژن ها درگیر هستند (Hillwig et al., 2010). اثرات آنها در القای مقاومت به خشکی می­تواند ناشی از برهمکنش چندین خاصیت آنها باشد و در نتیجه نقش آنها در القای مقاومت به خشکی در گیاهان می­تواند بسیار حائز اهمیت باشد.

مطالعات مربوط به ژنومیکس کارکردی از طریق بررسی های بیوانفورماتیکی کتابخانه های EST، راهکاری سریع و قابل قبول برای پی بردن به عملکرد سلولها در شرایط تنش می­باشد و می­تواند رهنمودی هدفمند برای سازوکارهای اصلاحی تلقی گردد. همچنین نظر به اهمیت گندم در تغذیه بشر و نیز با توجه به اینکه ایران از مهمترین خواستگاه­های خویشاوندان وحشی گندم محسوب می­گردد، تمرکز بر مطالعات ژنتیکی و برنامه های اصلاحی روی خویشاوندان وحشی می­تواند راهکار مناسبی جهت یافتن ژنهای جدید موثر در مقاومت به تنش ها باشد.

 


سپاسگزاری

بدینوسیله از موسسه نهال و بذر کرج که بذر خویشاوندان وحشی و چندین رقم گندم مدرن را برای اجرای این پژوهش فراهم نمودند، قدردانی می­شود. همچنین نویسندگان مقاله، مراتب سپاس خود را از پژوهشکده زیست فناوری شهرکرد به خاطر در اختیار گذاشتن دستگاه PCR در زمان واقعی، ابراز می­دارند. شایان ذکر است که بودجه مالی تحقیق انجام شده توسط دانشگاه شهرکرد و مرکز همکاری های علمی و بین المللی وزارت علوم تامین گردید که بدینوسیله از این نهادها کمال تشکر و قدردانی خود را اعلام می­کنیم.

 

 

منابع

Abebe T, Wise R, and Skadsen R (2009). Comparative Transcriptional Profiling Established the Awn as the Major Photosynthetic Organ of the Barley Spike While the Lemma and the Palea Primarily Protect the Seed. Plant Genome 2: 247-259.

Adhikari TB, Balaji B, Breeden J, Goodwin SB (2007). Resistance of wheat to Mycosphaerella graminicola involves early and late peaks of gene expression. Physiological and Molecular Plant Pathology 71: 55–68

Bariola P, Green P (1997). Plant ribonucleases. In: D’Alessio G, Riordan J, eds. Ribonucleases: structures and functions. New York: Academic Press 163–190.

Clarke AE, Newbigin E (1993). Molecular aspects of self incompatibility in flowering plants. Annual Review of Genetics 27: 257-279

Deshpande RA, Shankar V (2002). Ribonucleases from T2 family.Critical Reviews in Microbiology 28: 79–122.

Dong Q, Kroiss L, Oakley FD, Wang B, Brendel V (2005). Comparative EST analysis in plant systems. Methods in enzymology 395: 400-416.

Fujita M, Horiuchi Y, Ueda Y, Mizuta Y, Kubo T, Yano K, Yamaki S, Tsuda K, Nagata T, Niihama M, Kato H, Kikuchi S, Hamada K, Mochizuki T, Ishimizu T, Iwai H, Tsutsumi N, Kurata N (2010). Rice expression atlas in reproductive development. Plant Cell Physiol 51:2060-2081.

Gao WR, Wang XS, Liu QY, Peng H, Chen Ch, Li JG, Zhang JS, Hu SN, Ma H (2008). Comparative analysis of ESTs in response to drought stress in chickpea (C. arietinum L.). Biochemical and Biophisical research Communications 376: 578-583.

Hillwig MS, Liu X, Liu G, Robert W, Thornburg RW, Gustavo C, MacIntosh GC (2010). Petunia nectar proteins have ribonuclease activity. Journal of Experimental Botany 61: 2951–2965.

Hua ZH, Fields A, Kao Th (2008). Biochemical models for SRNase-based self-incompatibility. Molecular Plant 1: 575–585.

Hugot K, Ponchet M, Marais A, Ricci P, Galiana E (2002). A tobacco S-like RNase inhibits hyphal elongation of plant pathogens. Molecular Plant–Microbe Interactions 15: 243–250.

Hui-yong L, Shu-hua H, Yun-su S, Yan-chun S, Zhong-bao Z, Guo-Ying W, Tian-yu W, Yu L (2009). Isolation and analysis of drought -induced genes in maize roots. Agricultural Science in China 8: 129-136.

Lers A, Khalchitski A, Lomaniec E, Burd S, Green PJ (1998). Senescence-induced RNases in tomato. Plant Molecular Biology 36:439-449.

MacIntosh G, Hillwig M, Meyer A, Flagel L (2010). RNase T2 genes from rice and the evolution of secretory ribonucleases in plants. Molecular Genetics and Genomics 283: 381–396.

Neerincx PBT, Leunissen JAM (2005). Evolution of web services in bioinformatics. Brief Bioinform 6: 178-188.

Schreiber A, Sutton T, Caldo R, Kalashyan E, Lovell B, Mayo G, Muehlbauer G, Druka A, Waugh R, Wise R, Langridge P, Baumann U (2009). Comparative transcriptomics in the Triticeae. BMC Genomics 10:285-302

Walia H, Wilson C, Condamine P, Liu X, Ismail A, Zeng L, Wanamaker I, Mandal J, Cui X, Xu J, Close J (2005). Comparative transcriptional profiling of two contrasting rice (Oryza sativa L.) genotypes under salinity stress during vegetative growth stage. Plant Physiology 139: 822-835.

Ye ZH, and Droste DL (1996). Isolation and characterization of cDNAs encoding xylogenesis-associated and wounding-induced ribonucleases in Zinnia elegans. Plant Molecular Biology 30:697-709.

Zheng L, Huang F, Narsai R, Wu J, Giraud E, He F, Cheng L, Wang F, Wu P, Whelan J, Shou H (2009). Physiological and transcriptome analysis of iron and phosphorus interaction in rice seedlings. Plant Physiology 151:262-274.

 

 

Study of S-Like RNase expression in wheat and its wild relatives under drought stress

 

Ravash R.*1, Shiran B.2, Ebrahimie E.3, Houshmand S.A.2

1-      PhD Student of molecular genetics and bioinformatics, Department of plant breeding, College of Agriculture, University of Shahrekord

2-      Associate Professor, Department of plant breeding and biotechnology, College of Agriculture, University of Shahrekord

3-      Assistant Professor, Department of plant breeding, College of Agriculture, University of Shiraz

 

 

Abstract

Functional genomics has provided new opportunities to understand the fundamental aspects of biotic and abiotic stresses in plants. In this study, a comparative analysis on EST libraries of wheat and its wild relatives conducted to discover novel genes and transcriptional factors involved in drought tolerance. EST analysis revealed a significant increase in expression level of S-lik RNase in drought condition. Further analysis by qPCR indicated over-expression of this gene in anther of tolerant cultivars. RNases participate in vital cellular functions such as DNA replication, transcription, splicing, and control of translation. T2 family RNases have been implicated in nutrition, phosphate remobilization, self-incompatibility, senescence, and defense against pathogens. This is the first report on the effect of S-lik RNase at drought stress response in wheat and significant up regulation of this gene in wheat wild relative (Aegilops tauschii) and that emphasize on finding new effective genes from wild relative plants for stress tolerance.

 

 

Key words: Real time- PCR, EST Analysis, RNase S-like protein, Drought stress



* نویسنده مسئول: رودابه رواش                       تلفن: 09133163018                         Email: R.Ravash@gmail.com

[1] Expressed Sequence Tags

 

[3] Real Time – PCR

[4] Comparative quantitation

[5] Ribonuclease (RNase)

[6] xylogenesis

[7]  splicing

Abebe T, Wise R, and Skadsen R (2009). Comparative Transcriptional Profiling Established the Awn as the Major Photosynthetic Organ of the Barley Spike While the Lemma and the Palea Primarily Protect the Seed. Plant Genome 2: 247-259.
Adhikari TB, Balaji B, Breeden J, Goodwin SB (2007). Resistance of wheat to Mycosphaerella graminicola involves early and late peaks of gene expression. Physiological and Molecular Plant Pathology 71: 55–68
Bariola P, Green P (1997). Plant ribonucleases. In: D’Alessio G, Riordan J, eds. Ribonucleases: structures and functions. New York: Academic Press 163–190.
Clarke AE, Newbigin E (1993). Molecular aspects of self incompatibility in flowering plants. Annual Review of Genetics 27: 257-279
Deshpande RA, Shankar V (2002). Ribonucleases from T2 family.Critical Reviews in Microbiology 28: 79–122.
Dong Q, Kroiss L, Oakley FD, Wang B, Brendel V (2005). Comparative EST analysis in plant systems. Methods in enzymology 395: 400-416.
Fujita M, Horiuchi Y, Ueda Y, Mizuta Y, Kubo T, Yano K, Yamaki S, Tsuda K, Nagata T, Niihama M, Kato H, Kikuchi S, Hamada K, Mochizuki T, Ishimizu T, Iwai H, Tsutsumi N, Kurata N (2010). Rice expression atlas in reproductive development. Plant Cell Physiol 51:2060-2081.
Gao WR, Wang XS, Liu QY, Peng H, Chen Ch, Li JG, Zhang JS, Hu SN, Ma H (2008). Comparative analysis of ESTs in response to drought stress in chickpea (C. arietinum L.). Biochemical and Biophisical research Communications 376: 578-583.
Hillwig MS, Liu X, Liu G, Robert W, Thornburg RW, Gustavo C, MacIntosh GC (2010). Petunia nectar proteins have ribonuclease activity. Journal of Experimental Botany 61: 2951–2965.
Hua ZH, Fields A, Kao Th (2008). Biochemical models for SRNase-based self-incompatibility. Molecular Plant 1: 575–585.
Hugot K, Ponchet M, Marais A, Ricci P, Galiana E (2002). A tobacco S-like RNase inhibits hyphal elongation of plant pathogens. Molecular Plant–Microbe Interactions 15: 243–250.
Hui-yong L, Shu-hua H, Yun-su S, Yan-chun S, Zhong-bao Z, Guo-Ying W, Tian-yu W, Yu L (2009). Isolation and analysis of drought -induced genes in maize roots. Agricultural Science in China 8: 129-136.
Lers A, Khalchitski A, Lomaniec E, Burd S, Green PJ (1998). Senescence-induced RNases in tomato. Plant Molecular Biology 36:439-449.
MacIntosh G, Hillwig M, Meyer A, Flagel L (2010). RNase T2 genes from rice and the evolution of secretory ribonucleases in plants. Molecular Genetics and Genomics 283: 381–396.
Neerincx PBT, Leunissen JAM (2005). Evolution of web services in bioinformatics. Brief Bioinform 6: 178-188.
Schreiber A, Sutton T, Caldo R, Kalashyan E, Lovell B, Mayo G, Muehlbauer G, Druka A, Waugh R, Wise R, Langridge P, Baumann U (2009). Comparative transcriptomics in the Triticeae. BMC Genomics 10:285-302
Walia H, Wilson C, Condamine P, Liu X, Ismail A, Zeng L, Wanamaker I, Mandal J, Cui X, Xu J, Close J (2005). Comparative transcriptional profiling of two contrasting rice (Oryza sativa L.) genotypes under salinity stress during vegetative growth stage. Plant Physiology 139: 822-835.
Ye ZH, and Droste DL (1996). Isolation and characterization of cDNAs encoding xylogenesis-associated and wounding-induced ribonucleases in Zinnia elegans. Plant Molecular Biology 30:697-709.
Zheng L, Huang F, Narsai R, Wu J, Giraud E, He F, Cheng L, Wang F, Wu P, Whelan J, Shou H (2009). Physiological and transcriptome analysis of iron and phosphorus interaction in rice seedlings. Plant Physiology 151:262-274.