تاثیر محرک‌های ساکارز و کیتوزان بر بیان ژن کد ‌کننده آنزیم CYP79 F1 و محتوی سولفورافان در گیاهچه‌های ازمک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه بیوتکنولوژی-پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی- دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، - کرمان،

2 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، گروه بیوتکنولوژی، دانشکده علوم و فناوری‌های نوین، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران.

3 دانش‌آموخته دکتری، گروه فیزیولوژی گیاهی، دانشکده علوم، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران

4 گروه بیوتکنولوژی، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران.

5 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، گروه بیوتکنولوژی، دانشکده علوم و فناوری‌های نوین، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران

چکیده

هدف: گلوکورافانین، یک گلوکوزینولات الیفاتیک است که در گیاه ازمک  (Lepidium draba)از خانواده شب­بو به فراوانی یافت می­شود. این گلوکوزینولات در حضور آنزیم میروزیناز به ایزوتیوسیانات سولفورافان تبدیل می­شود که فعالیت­های زیستی مختلفی از قبیل خاصیت آنتی‌اکسیدانی و آنتی باکتریایی و همچنین توانایی مهار رشد و تکثیر سلول‌های سرطانی را دارد. CYP79 F1 اولین آنزیم در مسیر بیوسنتز گلوکورافانین است.
مواد و روش­ها: در این مطالعه، گیاهچه­های ازمک با سه تکرار مستقل و در قالب طرح کاملاً تصادفی بمدت 7 روز در حضور غلظت‌های مختلف ساکارز و کیتوزان (صفر، 25، 50، 100، 200 و 400 میلی‌گرم بر لیتر) رشد کردند. پس از جمع آوری گیاهچه­ها، محتوای سولفورافان در اندام هوایی گیاهچه­ها با استفاده از دستگاه HPLC اندازه­گیری شد. علاوه بر این، میزان بیان ژن CYP79 F1 در گیاهچه­های تیمار شده با استفاده از تکنیک Real Time PCR مورد آنالیز قرار گرفت.
نتایج: نتایج نشان داد که محتوی سولفورافان در گیاهچه­های تیمار شده با ساکارز با افزایش غلظت آن در محیط به‌طور معنی‌داری نسبت به نمونه شاهد افزایش‌یافته است، درحالی‌که در گیاهچه­های تیمار شده با کیتوزان، افزایش معنی‌دار محتوی سولفورافان فقط در غلظت mg/L200 مشاهده گردید. نتایج حاصله نشان داد که بیان ژن CYP79 F1 در گیاهچه­های تیمارشده با ساکارز در غلظت 50 میلی­گرم بر لیتر و با کیتوزان در غلظت­های 50 و 100 میلی­گرم بر لیتر نسبت به نمونه شاهد به‌طور معنی­داری افزایش‌یافته است.
نتیجه­گیری: براساس نتایج بدست آمده در این تحقیق، چنین نتیجه­گیری می­شود که غلظت­های مذکور این محرک‌ها می­توانند با اثر بر بیان ژن CYP79F1 بیوسنتز گلوکوزینولات­های آلیفاتیک را تحریک نمایند. با توجه به نقش و اهمیت سولفورافان به عنوان یک متابولیت دارویی باارزش و همچنین نقش آنزیم CYP79F1 در سنتز گلوکورافانین، پیشنهاد می­شود تاثیر الیسیتورهای مذکور بر تولید سولفورافان و بیان ژن CYP79F1 در غلظت­ها و زمان­های دیگر نیز بر روی این گیاه مورد آنالیز قرار گیرد. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effects of sucrose and chitosan elicitors on expression of CYP79F1 gene and sulforaphane content in lepidium draba seedlings

نویسندگان [English]

  • Ali Riahi-Madvar 1
  • Fereshteh Jadid Bonyad 2
  • Fatemeh Rezaee 3
  • Mahmood Maleki 4
  • Mahshid Ghazizadeh Ahsaei 5
1 Biotechnology Dept., Institute of Science and High technology and Environmental Sciences, Graduate University of Advanced Technology, Kerman, I.R. of Iran
2 Former M.Sc. Student, Biotechnology Department, Faculty of Science and Modern Technology, Graduate University of Advanced Technology, Kerman, Iran.
3 Former Ph.D. Student, Biology Department, Faculty of science, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran.
4 Assistant Professor, Biotechnology Department, Institute of Science and High technology and Environmental Sciences, Graduate University of Advanced Technology, Kerman
5 Former M.Sc. Student, Biotechnology Department, Faculty of Science and Modern Technology, Graduate University of Advanced Technology, Kerman, Iran.
چکیده [English]

Objective
Glucoraphanine is an aliphatic glucosinolate, which largly found in Lepidium draba from Brassicaceae family. This glucosinolate convert to isothiocyanate, sulforaphane (SFN) in the presence of myrosinase which has different biological activities such as the antioxidant and anti bacterial properties, and also able to prevent proliferating of cancer cells.  CYP79F1 is the first enzyme in the biosynthesis pathway of glucoraphanine.
Materials and Methods
 In this study, L. draba seedlings wer grown for 7 days in the presence of different concentration of sucrose and chitosan (0, 25, 50, 100, 200 and 400 mg/L), in fully-random designs with three repetitions. After collection of the seedlings, SFN content in the arial parts of them were measured using HPLC apparatus. Furthermore, in the treated seedlings, the gene expression level of CYP79F1 were examined using the Real Time PCR technique.
Results
 The results showed, that SFN content in the sucrose treated seedlings significantly increased compared to the control. While in the chitosan treated seedlings significant increase in SFN content was only seen at the 200 mg/L concentration. The results showed that the expression of CYP79 F1 was significantly increased in the treated seedlings with 50 mg/L sucrose and 50 and 100 mg/L chitosan compared to the control.
Conclusions
 According to the results, it concluded that the mentioned elicitor's concentrations can stimulate aliphatic glucosinolate biosynthesis through expression of CYP79F1 gene. Based on the role of SFN as a valuable medicinal metabolit and also the role of CYP79F1 enzyme in the glucoraphanin biosynthesis, it suggested that the effects of others concentrations and time of treatment of the mentioned elicitors were analyzed on this plant.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Chitosan
  • Gene expression
  • Lepidium draba
  • Sucrose
  • Sulforaphane
احسنی محمدرضا، محمدآبادی محمدرضا، اسدی فوزی و همکاران (1398) بیان ژن لپتین در بافت چربی زیرپوستی گاوهای هلشتاین با استفاده از Real Time PCR. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 11(1)، 150-135.
توحیدی نژاد فاطمه، محمدآبادی محمدرضا، اسمعیلی زاده کشکوئیه علی، نجمی نوری عذرا (1393) مقایسه سطوح مختلف بیان ژنRheb  در بافت های مختلف بز کرکی راینی. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 6(4)، 50-35.
جعفری دره در امیر حسین، محمدآبادی محمدرضا، اسمعیلی زاده کشکوئیه علی، ریاحی مدوار علی (1395) بررسی بیان ژن CIB4  در بافت­های مختلف گوسفند کرمانی با استفاده از Real Time qPCR. مجله پژوهش در نشخوارکنندگان 4(4)، 132-119.
رضائی فاطمه، لاهوتی مهرداد، ملکی محمود، گنجعلی علی (۱۳۹۷) تغییرات محتوای سولفورافان و فعالیت برخی آنزیم‌های آنتی‌اکسیدان گیاهچه‌های ازمک (Lepidium draba L.) در پاسخ به جاسمونات. مجله فرآیند و کارکرد گیاهی ۷ (۲۶)، ۴۵-۵۶.
محمدآبادی محمدرضا، کرد محبوبه، نظری محمود (1397) مطالعه بیان ژن لپتین در بافت‌های مختلف گوسفند کرمانی با استفاده از Real Time PCR. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 10(3)، 122-111.
محمدی مهدی؛ ریاحی مدوار علی؛ پورسیدی شهرام و امینی­زاده مریم (1395) بررسی اثر یون­های مس و روی بر فعالیت آنزیم میروزیناز و تشکیل سولفارافان در گیاه Lepidium draba. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی. 8 (1)، 81-94.
References
Ahsani MR, Mohammadabadi MR, Asadi Fozi M et al. (2019a) Effect of roasted soybean and canola seeds on peroxisome proliferator‐activated receptors gamma (PPARG) gene expression and cattle milk characteristics. Iran J Appl Anim Sci 9, 635-642.
Ahsani MR, Mohammadabadi MR, Asadi Fozi M et al. (2019b) Leptin gene expression in subcutaneous adipose tissue of Holstein dairy cattle using Real Time PCR. Agric Biotechnol J 11, 135-150 (In Persian).
Aminizadeh M, Riahi-Madvar A, Mohammadi M (2016) Nano-metal oxides induced sulforaphane production and peroxidase activity in seedlings of Lepidium draba (Brassicaceae). P Bio Sci 6, 75-83.
Andersen MD, Busk PK, Svendsen I, Møller BL (2000) Cytochromes P-450 from Cassava (Manihot esculenta Crantz) Catalyzing the first steps in the biosynthesis of the cyanogenic glucosides linamarin and lotaustralin cloning, functional expression in Pichia pastoris, and substrate specificity of the isolated recombinant enzymes. J Biol Chem 275, 1966-1975.
Cutler HG (1988) Biologically active natural products: potential use in agriculture, American Chemical Society Washington, DC.
Fahey JW, Haristoy X, Dolan PM et al. (2002) Sulforaphane inhibits extracellular, intracellular, and antibiotic-resistant strains of Helicobacter pylori and prevents benzo [a] pyrene-induced stomach tumors. PNAS 99, 7610-7615.
Ferri M, Tassoni A, Franceschetti M et al. (2009) Chitosan treatment induces changes of protein expression profile and stilbene distribution in Vitis vinifera cell suspensions. Proteomics 9, 610-624.
Gao X, Dinkova-Kostova AT, Talalay P (2001) Powerful and prolonged protection of human retinal pigment epithelial cells, keratinocytes, and mouse leukemia cells against oxidative damage: the indirect antioxidant effects of sulforaphane. PNAS 98, 15221-15226.
Guo R, Yuana G, Wang Q (2011) Effect of sucrose and mannitol on the accumulation of health-promoting compounds and the activity of metabolic enzymes in broccoli sprouts. Sci Hortic 128, 159-165.
Guo R, Yuan G, Wang Q (2011) Sucrose enhances the accumulation of anthocyanins and glucosinolates in broccoli sprouts. Food Chem 129, 1080-1087.
Halkier BA, Gershenzon J (2006) Biology and biochemistry of glucosinolates. Annu Rev Plant Biol 57, 303-333.
Hansen CH, Wittstock U, Olsen CE et al. (2001) Cytochrome P450 CYP79F1 from Arabidopsis catalyzes the conversion of dihomomethionine and trihomomethionine to the corresponding aldoximes in the biosynthesis of aliphatic glucosinolates. J Biol Chem 276, 11078-11085.
Hoagland DR, Arnon DI (1950) The water-culture for growing plants without soil. California AES 347, 25–32.
Jafari Darehdor AH, Mohammadabadi MR, Esmailizadeh AK, Riahi Madvar A (2016) Investigating expression of CIB4 gene in different tissues of Kermani Sheep using Real Time qPCR. J Rumin Res 4, 119-132 (In Persian).
Jamshidi Goharrizi K, Riahi‑Madvar A, Rezaee F et al. (2019) Effect of salinity stress on enzymes’ activity, ions concentration, oxidative stress parameters, biochemical traits, content of sulforaphane, and cyp79f1 gene expression level in Lepidium draba plant. J Plant Growth Regul https://doi.org/10.1007/s00344-019-10047-6.
Krizek DT, Britz SJ, Mirecki RM (1998) Inhibitory effects of ambient levels of solar UV-A and UV-B radiation on growth of cv. new red fire lettuce. Physiol Plant 103, 1-7.
Liang H, Yuan Q (2012) Natural sulforaphane as a functional chemopreventive agent: including a review of isolation, purification and analysis methods. Crit Rev Biotechnol 32, 218–234.
Livak KJ, Schmittgen TD (2001) Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2ΔΔCT method. Methods 25, 402–408.
Lunn JE (2008) Sucrose metabolism. eLS.
Miao H, Wei J, Zhao Y et al.  (2013) Glucose signalling positively regulates aliphatic glucosinolate biosynthesis. J Exp Bot 64, 1097–1109.
 Mithen RF, Dekker M, Verkerk R et al. (2000) The nutritional significance, biosynthesis and bioavailability of glucosinolates in human foods. J Sci Food Agric 80, 967-984.
Mohammadabadi MR, Jafari AHD, Bordbar F (2017) Molecular analysis of CIB4 gene and protein in Kermani sheep. Brazil J Med Biol Res 50, e6177.
Mohammadabadi MR, Kord M, Nazari M (2018) Studying expression of leptin gene in different tissues of Kermani Sheep using Real Time PCR. Agric Biotechnol J 10, 111-122 (in Persian).
Mohammadabadi MR, Tohidinejad F (2017) Charachteristics determination of Rheb gene and protein in Raini Cashmere goat. Iran J Appl Anim Sci 7, 289-295.
Mohammadi M, Riahi-Madvar A, Pourseyedi S (2014) Elicitors induced sulforaphane production in Lepidium draba. AJBPS 4, 64-70.
Mohammadi M, Riahi-Madvar A, Pourseyedic S, Aminizadeh M (2016) The study of Zn2+ and Cu2+ effects on myrosinase activity and sulforaphane production in Lepidium draba.  Agric Biotechnol J 8, 81-94 (in Persian).
Nasiri-Bezenjani M, Riahi-Madvar A, Baghizadeh A, Ahmadi A (2014) Rosmarinic acid production and expression of tyrosine aminotransferase gene in Melissa Officinalis seedlings in response to yeast extract. JAST 16, 921-930.
Nielsen JS, Møller BL (2000) Cloning and expression of cytochrome P450 enzymes catalyzing the conversion of tyrosine to p-hydroxyphenylacetaldoxime in the biosynthesis of cyanogenic glucosides in Triglochin maritima. Plant Physiol 122,1311-1322.
Powell EE, Hill GA, Juurlink BH, Carrier DJ (2005) Glucoraphanin extraction from Cardaria draba: Part 2. Countercurrent extraction, bioactivity and toxicity testing. J Chem Technol Biot 80, 992-997.
Radonic A, Blazevic I, Mastelic J et al. (2011) Phytochemical analysis and antimicrobial activity of Cardaria draba (L.) Desv. volatiles. Chem Biodivers 8, 1170–1181.
Rask L, Andréasson E, Ekbom B et al. (2000) Myrosinase: gene family evolution and herbivore defense in Brassicaceae. Plant Mol Biol 42, 93-113.
Rezaee F, Ghanati F, Behmanesh M (2013) Antioxidant activity and expression of catalase gene of Eustoma grandiflorum L in response to boron and aluminum. ‎S Afr J Bot 84, 13-18.
Rezaee F, Lahouti M, Maleki M, Ganjeali A (2018) Comparative proteomics analysis of whitetop (Lepidium draba L.) seedlings in response to exogenous glucose. Int J Biol Macromol 120, 2458-2465.
Rezaee F, Lahouti M, Maleki M, Ganjeali A (2018) Variations of sulforaphane and activity of some antioxidant enzymes in response to jasmonate in Lepidium draba L. seedlings. J Plant Proc Func 7, 45-56 (in Persian).
Solfanelli C, Poggi A, Loreti E et al. (2006) Sucrose-specific induction of the anthocyanin biosynthetic pathway in Arabidopsis. Plant physiol 140, 637-646.
Stiehl B, Bible B (1989) Reaction of crop species to thiocyanate ion toxicity. Hort Scienc 24, 99-101.
Wei J, Miao H, Wang Q (2011) Effect of glucose on glucosinolates, antioxidants and metabolic enzymes in Brassica sprouts. Sci Hortic 129, 535-540.
Yeh CT, Yen GC (2009) Chemopreventive functions of sulforaphane: A potent inducer of antioxidant enzymes and apoptosis. J Funct Foods 1, 23-32.
Young JA, Turner CE, James LF (1995) Perennial pepperweed. Rangelands Archives 17, 121-123.
Zhang C, Yan Q, Cheuk Wk, Wu J (2004) Enhancement of tanshinone production in Salvia miltiorrhiza hairy root culture by Ag+ elicitation and nutrient feeding. Planta Med 70, 147-151.
Zhao J, Davis LC, Verpoorte R (2005) Elicitor signal transduction leading to production of plant secondary metabolites. Biotechnol Adv 23, 283-333.