مطالعه بیوانفورماتیک پروتئین‌های LEA درگیر در تحمل به تنش خشکی در جو (Hordum vulgare L.) و برنج (Oryza sativa L.)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

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

2 پژوهشکده علوم محیطی، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته کرمان.

چکیده

: پروتئین­های تجمع­کننده در اواخر دوره جنینی (LEA) در کاهش صدمات سلولی در هنگام کمبود آب و جلوگیری از توده­ای شدن پروتئین­های سلول در اثر تنش اسمزی و انجماد نقش دارند. افزایش بیان برخی ژن­های کد کننده این پروتئین­ها منجر به افزایش مقاومت به تنش­هایی چون کم­آبی، سرما و شوری در بسیاری از گیاهان شده است. تحلیل داده­های زیستی با کمک ابزارهای بیوانفورماتیک، نقش مهمی در بررسی ژن­ها و پروتئین­ها و پیشگویی کارکرد آنها در پاسخ به تنش­ها دارد .
مواد و روش‌ها: در این تحقیق به منظور مطالعه پروتئین­های LEA در دو غله مهم جو و برنج (متحمل و حساس به تنش)، توالی­های مذکور از پایگاه­های اطلاعاتی استخراج و با نرم­افزار ClustalW درخت فیلوژنی رسم شد. پس از بررسی کلاس­های مختلف LEA در گروه­های حاصله، پروتئین­ها با طول کوتاه حذف و تعدادی از پروتئین­های مختلف مربوط به کلاس­های پروتئینی متفاوت انتخاب گردید. اطلاعات مربوط به خصوصیات توالی­ها، موتیف آنها، پیش­بینی جایگاه درون سلولی و آنالیز باندهای هیدروژنی و غیر هیدروژنی و بررسی فعالیت بیولوژیکی و مولکولی با استفاده از پایگاه­های اطلاعاتی ProtParam، EXPASY، MEME، SMART، WoLF PSORT، PIC، WHAT IF و نرم­افزار Blast2GO به دست آمد. ساختار سه بعدی این پروتئین­ها با استفاده از نرم‌افزارDiscovery Studio ، HyperChem،MODELLER v.10 و SPDBV مدل­سازی گردید.
نتایج: گروه­بندی پروتئین­ها را در هفت گروه مجزا قرار داد که دهیدرین­ها بیشترین تعداد توالی را در برگرفتند. اکثر پروتئین­ها  کوچک بوده و دارای وزن مولکولی کمتر از 30 کیلودالتون می­باشد. همچنین عموم توالی­ها دارای بار سطحی بالا می­باشند که دلیلی بر آب­دوستی و ساختار قابل انعطاف آنها جهت تشکیل ساختار چپرونی برای محافظت در برابر تنش می­باشد. جایگاه درون سلولی آنها نشان داد که این پروتئین­ها در محل هسته سلول قرار دارند. بررسی موتیف­ها در گروه­های مختلف نشانگر حضور مکان­های حفاظت شده در بین اعضای یک گروه می­باشد. پیش­بینی فعالیت مولکولی و بیولوژی توالی­ها، بیانگر نقش این پروتئین­ها به تفکیک گروه­های حاصله در مقاومت به تنش­ها ازجمله تنش خشکی و فولدینگ از طریق فعالیت بایندینگ و یا کاتالیک می­باشد.
نتیجه‌گیری: گیاه جو به عنوان گیاه مقاوم به تنش عمدتا دارای توالی­های دهیدرین و گیاه برنج به عنوان گیاه حساس به تنش عمدتا توالی­های LEA4 و LEA2 را در بر دارند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Bioinformatics study of LEA proteins involved in tolerance to drought stress in barley (Hordium vulgare L.) and rice (Oryza sativa L.)

نویسندگان [English]

  • Maryam Abdullinasab 1
  • Mojtaba Mortezavi 2
1 Assistant professor, Department of Biotechnology, Institute of Science, High Technology and Environmental Science, Graduate University of Advanced Technology, Kerman, Iran.
2 Institute of Science and High Technology and Environmental Sciences, Graduate University of Advanced Technology, Kerman, Iran
چکیده [English]

Objective
Late embryonic accumulating proteins (LEAs) are proteins that involved in reducing Cellular injuries associated with dehydration and preventing cellular proteins from aggregation due to osmotic stress and freezing. Increased expression of some genes encoding these proteins has led to increased resistance to stresses such as dehydration, cold and salinity in many plants. Analysis of biological data with the using of bioinformatics tools plays an important role in the study of genes and proteins and predicts their function in response to the stress.
 
Materials and methods
In this study, in order to study of LEA proteins in two important grasses (tolerant and sensitive to drought), the interest sequences are obtained from different data bases and the phylogeny tree are drown using ClustalW software. After the investigation of classes in different groups, the short sequences deleted and some sequences were selected. The information about sequence characteristics, their motifs, prediction of intracellular location, analysis of hydrogen and non-hydrogen bands and prediction of biological process and molecular activity obtained using ProtParam, EXPASY, MEME and SMART, Wolf PSORT, PIC, WHAT IF databases and Blast2GO software. The 3D structure of these proteins was modeled using Discovery studio, HyperChem, MODELLER v10 and SPDBV software.
 
Results
The results were grouped the proteins into seven distinct groups with the highest number of sequences in dehydrin group. Most proteins had small size with less than 30 kDa. Also, the most sequences showed high surface charge, because of their hydrophilicity and flexible structure to form a chaperone structure to protect the cell membrane from stress. The study of intracellular location showed that most of proteins are located in the cell nucleus. Also, the motif study demonstrated the conserved sequences among members of the same group. The prediction of molecular activity and biology indicated the role of these proteins in the tolerance to the stress including drought and protein folding through bindings or catalytic activity.
 
Conclusions
Barley as a stress-resistant plant mainly involved the dehydrin sequences and rice as a stress-sensitive plant mainly contains the LEA4 and LEA2 sequences.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Barley
  • Bioinformatics studies
  • LEA proteins
  • rice
  • Stress
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.
هادی زاده مرتضی، محمدآبادی محمدرضا، نیازی علی و همکاران (1392). استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیکی در مطالعه اگزون شماره ۲ ژن GDF۹ در بزهای تالی و بیتال. ژنتیک نوین 8(3)، 288-283.
هادی زاده مرتضی، نیازی علی، محمدآبادی محمدرضا و همکاران (1393). بررسی بیوانفورماتیکی اگزون شماره دو ژنBMP15 در بزهای تالی و بیتال. ژنتیک نوین 9(1)، 120-117.
References
Ahsani MR, Mohammadabadi MR, Asadi Fozi M et al. (2019) 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.
Allagulova CR, Gimalov FR, Shakirova FM, Vakhitov VA (2003) The plant dehydrins: structure and putative functions. Biochemistry (Mascow) 68, 945-951.
Amara I, Zaidi I, Masmoudi K, Ludevid MD et al (2014) Insights into Late Embryogenesis Abundant (LEA) Proteins in Plants: From Structure to the Functions. Am J Plant Sci 5, 3440-3455.
Battaglia M, Covarrubias AA (2013) Late embryogenesis abundant (LEA) proteins in legumes. Front Plant Sci 4, 190.
Cao J, Li X (2014) Identification and phylogenetic analysis of late embryogenesis abundant proteins family in tomato (Solanum lycopersicum). Planta 241, 757–72.
Chen ZQ, Liu Q, Zhu YS, Li YX (2002) Assessment on predicting methods for membrane-protein transmembrane regions, Acta Biochem Biophys Sin 34 (3), 285–290.
Close TJRD (1993) Fenton and F. Moonan “A View of Plant Dehydrins Using Antibodies Specific to the Carboxy Terminal Peptide”. Plant Mol Bio 23 (2), 279-286.
Cuming AC, Lane BG (1979) Protein synthesis in imbibing wheat embryos. Euro Biochem 99, 217–224.
Du D, Zhang Q, Cheng T et al (2013) Genome-wide identification and analysis of late embryogenesis abundant (LEA) genes in Prunus mume. Mol Bio Rep 40, 1937–1946.
Dure L, Crouch M, Harada J et al (1989) Common amino acid sequence domains among the LEA proteins of higher plants. Plant Mol Bio 12, 475–486.
Dure L (1993) Structural Motif in Lea Proteins, In: T. J. Close and E. A. Bray, Eds., Plant Response to Cellular Dehydration during Environmental Stress, Current Topics in Plant Physiology. American Society of Plant Physiologists Rockville 10, 91-103.
Everitt BS, Landau S, Leese M, Stahl D (2011) Cluster analysis (5th edn) John Wiley & Sons, Inc., USA, pp: 95.
Gao J, Lan T (2016) Functional characterization of the late embryogenesis abundant (LEA) protein gene family from Pinus Tabuliformis (Pinaceae) in Escherichia Coli. Science Report 6, 1-10.
Goyal K, Walton LJ, Tunnacliffe A (2005) LEA proteins prevent protein aggregation due to water stress. Biochemistry Journal 388, 151–157.
Hadizadeh M, Mohammadabadi MR, Niazi A et al. (2013) Use of bioinformatics tools to study exon 2 of GDF9 gene in Tali and Beetal goats. Modern Genetics Journal (MGJ) 8 (334), 283-288 (In Persian).
Hadizadeh M, Niazi A, Mohammadabadi MR et al. (2014) Bioinformatics analysis of the BMP15 exon 2 in Tali and Beetal goats. Modern Genetics 9 (1), 117-120 (In Persian).
Hundertmark M, Hincha DK (2008) LEA (Late embryogenesis abundant) proteins and their encoding genes in Arabidopsis thaliana. BMC Genomics 9, 118.
Ingram J, Bartels D (1996) The molecular basis of dehydration tolerance in plants. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 47, 377 -403.
Krüger C, Berkowitz O, Stephan UW, Hell RA (2002) Metal-binding Member of the Late Embryogenesis Abundant Protein Family Transports Iron in the Phloem of Ricinus communis L. Journal of Biological Chemistry 277, 25062–25069.
Liang Y, Xiong Z, Zheng J et al. (2016) Genome-wide identification, structural analysis and new insights into late embryogenesis abundant (LEA) gene family formation pattern in Brassica napus. Sci Rep 6, 24265.
Magwanga RO, Lu P, Kirungu JN et al (2018) Characterization of the late embryogenesis abundant (LEA) proteins family and their role in drought stress tolerance in upland cotton. BMC Genetics 19, 6.
Mertens J, Aliyu H, Cowan DA (2018) LEA proteins and the evolution of the WHy domain. Appl Environ Microbiology 539, 18.
Mohammadabadi MR, Tohidinejad F (2017) Charachteristics determination of Rheb gene and protein in Raini Cashmere goat. Iran J Appl Anim Sci 7, 289-295.
Olvera-Carrillo Y, Luis RJ, Covarrubias AA (2011) Late embryogenesis abundant proteins: versatile players in the plant adaptation to water limiting environments. Plant Signal Behaviour 6(4), 586–589.
Patil A, Nakamura H (2006) Disordered domains and high surface charge confer hubs with the ability to interact with multiple proteins in interaction networks. FEBS Letter 580, 2041–5.
Righetti PG, Tudor G, Ek K (1981) Isoelectric points and molecular weights of proteins: A new table. J Chromatogr 220, 115-194.
Sasaki K, Christov NK, Tsuda S, Imai R (2014) Identification of a novel LEA protein involved in freezing tolerance in wheat. Plant Cell Physiology 55, 136–47.
Shimizu T, Kanamori Y et al (2010) Desiccation-induced structuralization and glass formation of group 3 late embryogenesis abundant protein model peptides. Biochemistry 49, 1093–1104.
Tolleter D, Hincha DK, Macherel DA (2010) mitochondrial late embryogenesis abundant protein stabilizes model membranes in the dry state. Biochimica et Biophysica Acta Biomembranes 1798, 1926–33.
Zhang JF, Deng XP, Mu XQ (2002) Plant aquaporin. Plant Physiol Commun 38 (1), 88–91.