بررسی بیان عوامل رونویسی دخیل در تحمل به تنش شوری در ژنوتیپ‌های اصلاحی جو زراعی (Hordeum vulgare L.)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه زراعت و اصلاح نباتات، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران.

2 گروه بیوتکنولوژی و به نژادی گیاهی، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران

3 گروه زراعت و اصلاح نباتات، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی،تبریز، ایران.

4 بخش غلات، موسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر، کرج، ایران

5 گروه اصلاح نباتات، دانشکده کشاورزی، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران

چکیده

هدف: تنش شوری به عنوان یکی از مهم­ترین تنش­های غیر زیستی موثر بر کاهش تولید محصولات زراعی در دنیا شناخته می­شود. یکی از مهم­ترین استراتژی­های مقابله با کاهش عملکرد در شرایط محیطی شور ایجاد واریته­های متحمل به شوری است. از این رو، بررسی الگوی  بیان ژن­های مؤثر در پاسخ به تنش شوری و مسیرهای بیوسنتزی می­تواند در ایجاد ژنوتیپ­های متحمل بسیار مؤثر باشد. هدف از این مطالعه مقایسه الگوی بیان ژن­های HvSOS1، HvSOS3، HvNHX3 و HvHKT3 در برخی از ژنوتیپ­های اصلاحی جو تحت تنش شوری بود.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش اثر تنش شوری بر تغییرات بیان ژن­های HvSOS1، HvSOS3، HvNHX3 و HvHKT3 در شش ژنوتیپ اصلاحی جو به همراه رقم مهر (به عنوان شاهد) در دو تیمار عدم تنش (بدون کلرید سدیم) و تنش شوری با غلظت 200 میلی­مولار کلرید سدیم مورد بررسی قرار گرفت. رقم و ژنوتیپ­های مورد ارزیابی در شرایط کنترل شده گلخانه و در محیط کشت هیدروپونیک کشت و مورد بررسی قرار گرفتند. پس از پایان اعمال دوره تنش، نمونه­برداری از گیاهچه­ها انجام و میزان بیان نسبی هر یک از ژن­های مورد نظر مورد سنجش قرار گرفت.
نتایج: بر اساس نتایج به دست آمده اختلاف معنی­داری بین تیمارهای آزمایشی و ژنوتیپ­ها از نظر بیان چهار ژن مورد نظر مشاهده شد. تیمار تنش شوری به طور معنی­داری موجب افزایش بیان هر یک از ژن­های HvSOS1، HvSOS3، HvNHX3 و HvHKT3 به میزان 76/14، 65/4، 4 و 4 برابر نسبت به تیمار عدم تنش شد. مقایسه الگوی بیان ژن­ها در ژنوتیپ­های مختلف نشان داد دو ژنوتیپ G3 و G6 نسبت به رقم شاهد و دیگر ژنوتیپ­ها دارای بیشترین میزان رونوشت ژن­های فوق بوده و به نظر می­رسد دارای تحمل به تنش بالایی باشند. از دیگر نتایج به دست آمده از این پژوهش می­توان به ارتباط بین ژن­های HvHKT3 و HvSOS اشاره نمود، به طوری که این ژن­ها در ژنوتیپ­های متحمل دارای بیشترین میزان سطح رونوشت بودند.
نتیجه‌گیری: استنباط می­شود که افزایش بیان ژن­های بررسی شده قسمت مهمی از مکانیسم­های تحمل به شوری بوده زیرا هر یک از آن­ها نقش مهمی در مسیرهای پیام­رسانی و جابجایی یون­های سدیم در سلول­های گیاهی دارند و ژنوتیپ G3 و G6 با داشتن چنین پتانسیلی می­تواند به عنوان کاندیدهای مناسبی برای آزمایش های بعدی و استفاده به عنوان ارقام متحمل به شوری در نظر گرفته شوند. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of gene expression of transcription factors involved in salinity tolerance in Barley (Hordeum vulgare L.) advanced genotypes

نویسندگان [English]

  • Soraya Ghorbani 1
  • Alireza Etminan 2
  • Varahram Rashidi 3
  • Alireza Pour-Aboughadareh 4
  • Lia Shooshtari 5
1 Department of Agronomy and plant breeding, Tabriz Branch, Islamic Azad University, Tabriz, Iran.
2 Department of Plant breeding and Biotechnology, Kermanshah Branch, Islamic Azad University, Kermanshah, Iran
3 Department of Agronomy and plant breeding, Tabriz Branch, Islamic Azad University, Tabriz, Iran.
4 Cereal Research, Seed and Plant Improvement Institute, Karaj, Iran
5 Department of Plant Breeding, Kermanshah Brunch, Islamic Azad University, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

Objective
Salinity stress is considered as one of the most important abiotic stresses that significantly decreased crop production in the world. The development of salt-tolerant varieties is one of the most strategies against decreasing crop performance in saline conditions. Hence, assessment of expression patterns of genes responsible for the biosynthesis pathways can be very effective in creating tolerant genotypes. The main objective of this study was to compression of expression patterns of HvSOS1, HvSOS3, HvNHX3, and HvHKT3 genes in some advanced barley genotypes under salinity stress conditions.
 
Materials and methods
In the present study, the effect of salt stress on relative changes expression of HvSOS1, HvSOS3, HvNHX3, and HvHKT3 genes in the six advanced barley genotypes along with Mehr cultivar (as a check) was investigated under the control (no NaCl) and salt (200 mM NaCl) treatments. All tested genotypes were planted under controlled greenhouse conditions using a hydroponic system. After salt treatment duration, all seedling plants were subjected to sampling and the relative expression of selected genes was estimated.
Results
Based on obtained results, there are significant differences between treatments as well as among tested genotypes. Salt treatment significantly increased expression of HvSOS1, HvSOS3, HvNHX3, and HvHKT3 genes by 14.76-, 4.65-, 4-, and 4-fold compared to the control treatment, respectively. Comparison of the expression patterns of studied genes showed that two genotypes G3 and G6 had the highest transcription rate of mentioned genes and it seems that they have an acceptable tolerance to the high levels of salinity stress. A positive association between HvHKT3 and HvSOS genes was another obtained result so that two identified genotypes indicated the highest expression of these genes under salt treatment.  
Conclusions
It is inferred that increasing expression of studied genes is an important part of the salt tolerance mechanism because each of them has a key role in the signaling pathway and translocation of Na ions in the plant cells. Two identified genotypes, G3 and G6, with having this potential can be appreciated candidates for future research and use as salt-tolerant cultivars.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydroponic system
  • transcriptome
  • Transcription factors
  • tolerant genes
زمانی بابگهری محبوبه؛ نیازی علی؛ ابراهیمی اسماعیل(1390) بررسی نواحی کروموزومی و شناسایی لوکوس های اطراف ژن­های درگیر در انتقال یون­های سدیم و پتاسیم در آرابیدوپسیس، برنج و  Physcomotrella patent،هفتمین همایش بیوتکنولوژی جمهوری اسلامی ایران،تهران.
سعیدپور علی؛ کاوسی حمیدرضا؛ محمدی نژاد قاسم؛ خسروی سارا (1393) بررسی بیان ژن NHX در گیاه گلرنگ تحت تنش شوری. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 6، 99 - 91.
فخرآوری تهمینه (1390) تأثیر تنش شوری بر بیان برخی ژن­های ناقل(1TaSOS, 1TaHKT, 1TaNHX)  دخیل در ایجاد تحمل به شوری طی دوره رشد رویشی گندم نان. پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تحصیلات تکمیلی کرمان، 82-103.
References
Ahmadi J, Pour-Aboughadareh A, Ourang SF et al. (2020) Unraveling salinity stress responses in ancestral and neglected wheat species at early growth stage: A baseline for utilization in future wheat improvement programs. Physiol Mol Biol Plants 26, 537-549.
Ahmed IM, Dai H, Zheng W et al. (2013) Genotypic differences in physiological characteristics in the tolerance to drought and salinity combined stress between Tibetan wild and cultivated barley. Plant Physiol Biochem 63, 49-60.
Akram U, Song Y, Liang C et al. (2020) Genome-wide characterization and expression analysis of NHX gene family under salinity stress in Gossypium barbadense and its comparison with Gossypium hirsutum. Genes 11, 803.
Ali Z, Zhang DY, Xu ZL et al. (2012) Uncovering the salt response of soybean by unraveling its wild and cultivated functional genomes using tag sequencing. PLoS One 7, e48819.
Al-Tawaha AR, Samarah N, Ranga AD et al. (2021) Soil Salinity and Climate Change. In: Sustainable soil and land management and climate change. CRC Press, UK. pp. 83-93.
Apse MP, Blumwald E (2007) Na+ transport in plants. FEBS letters 581, 2247-2254.
Arzani A, Ashraf M (2016) Smart engineering of genetic resources for enhanced salinity tolerance in crop plants. Crit Rev Plant Sci 35, 146-189.
Bhaskaran S, Savithramma D (2011) Co-expression of Pennisetum glaucum vacuolar Na+/H+ antiporter and Arabidopsis H+-pyrophosphatase enhances salt tolerance in transgenic tomato. J Exp Bot 62, 5561-5570.
Chen Z, Pottosin II, Cuin TA et al. (2007) Root plasma membrane transporters controlling K+/Na+ homeostasis in salt-stressed barley. Plant Physiol 145(4),1714-1724.
Davenport RJ, Muñoz‐Mayor A, Jha D et al. (2007) The Na+ transporter AtHKT1;1 controls retrieval of Na+ from the xylem in Arabidopsis. Plant, cell & environment 30, 497-507.
Dong J, Liu C, Wang Y et al. (2021) Genome-wide identification of the NHX gene family in Punica granatum L. and their expressional patterns under salt stress. Agronomy 11, 264.
Ekiz H, YIilmaz A (2003) Determination of the salt tolerance of some barley genotypes and the characteristics affecting tolerance. Turk J Agri For 27, 253-260.
Fischer R, Byerlee DR, Edmeades GO (2009) Can technology deliver on the yield challenge to 2050?. Plant Physiol Biochem 63, 49-60.
Flowers T (2004) Improving crop salt tolerance. Journal of Experimental botany 55, 307-319.
Greenway H, Munns R (1980) Mechanisms of salt tolerance in nonhalophytes. Annu Rev Plant Physiol 31, 149-190.
Gupta B, Huang B (2014) Mechanism of salinity tolerance in plants: physiological, biochemical, and molecular characterization. Inter J Genomics 2014.
Hasegawa PM, Bressan RA, Zhu J-K et al. (2000) Plant cellular and molecular responses to high salinity. Annu Rev Plant Biol 51, 463-499.
Horie T, Yoshida K, Nakayama H et al. (2001) Two types of HKT transporters with different properties of Na+ and K+ transport in Oryza sativa. Plant J 27, 129-138.
Jia Q, Zheng C, Sun S et al. (2018) The role of plant cation/proton antiporter gene family in salt tolerance. Biol Plant 62, 617-629.
Jiang Z, Song G, Shan X et al. (2018) Association analysis and identification of ZmHKT1; 5 variation with salt-stress tolerance. Front Plant Sci 9, 1485.
Jood S, Kalra S (2001) Chemical composition and nutritional characteristics of some hull less and hulled barley cultivars grown in India. Food/Nahrung 45, 35-39.
Knight H, Knight MR (2001) Abiotic stress signalling pathways: specificity and cross-talk. Trends Plant Sci 6, 262-267.
Li H, Xu G, Yang C et al. (2019) Genome-wide identification and expression analysis of HKT transcription factor under salt stress in nine plant species. Ecotoxicol Environ Saf 171, 435-442.
Liu J, Zhu J-K (1998) A calcium sensor homolog required for plant salt tolerance. Sci 280, 1943-1945.
Munns R, Tester M (2008) Mechanisms of salinity tolerance. Annu Rev Plant Biol 59, 651-681.
Mwando E, Han Y, Angessa TT et al. (2020) Genome-wide association study of salinity tolerance during germination in barley (Hordeum vulgare L.). Frontiers in plant science 11, 118.
Nass R, Cunningham KW, Rao R (1997) Intracellular sequestration of sodium by a novel Na+/H+ exchanger in yeast is enhanced by mutations in the plasma membrane H+-ATPase: insights into mechanisms of sodium tolerance. J Biol Chem 272, 26145-26152.
Niazian M, Masoumeh N, Sadat NSA (2016) A review on biometrical methods used for salt tolerance breeding in crops. J Crop Breed 17, 24-41.
Pardo JM (2010) Biotechnology of water and salinity stress tolerance. Curr Opin Biotechnol 21, 185-196.
Pardo JM, Rubio F (2011) Na+ and K+ transporters in plant signaling. In: Transporters and pumps in plant signaling. Springer. pp. 65-98.
Pfaffl MW (2001) A new mathematical model for relative quantification in real-time RT–PCR. Nucleic Acids Res 29, e45-e45.
Pour-Aboughadareh A, Sanjani S, Nikkhah-Chamanabad H et al. (2021) Identification of salt-tolerant barley genotypes using multiple-traits index and yield performance at the early growth and maturity stages. Bull Natl Res Cent 45, 1-16.
Qiu Q-S, Guo Y, Dietrich MA et al. (2002) Regulation of SOS1, a plasma membrane Na+/H+ exchanger in Arabidopsis thaliana, by SOS2 and SOS3. PNAS 99, 8436-8441.
Rasel M, Tahjib-Ul-Arif M, Hossain MA et al. (2021) Screening of salt-tolerant rice landraces by seedling stage phenotyping and dissecting biochemical determinants of tolerance mechanism. J Plant Growth Regul 40, 1853-1868.
Rawson H, Richards R, Munns R (1988) An examination of selection criteria for salt tolerance in wheat, barley and triticale genotypes. Aust J Agri Res 39, 759-772.
Saeid Pour A, Kavousi HR, Mohammadi Nezhad Q et al. (2015) Gene Expression Analysis of NHX to Salinity stress in Safflower (Carthamus tinctorius ‌L). Agricultural Biotechnology Journal 6, 91-99. (In Persian).
Sharma P, Jha AB, Dubey RS et al. (2012) Reactive oxygen species, oxidative damage, and antioxidative defense mechanism in plants under stressful conditions. J Botan 2012.
Shen Y, Zhang H, Cheng L et al. (2016) In vitro and in vivo antioxidant activity of polyphenols extracted from black highland barley. Food Chem 194, 1003-1012.
Tadayon M, Emam Y (2007) Physiological and morphological responses of two barley cultivars to salinity stress in relation to grain yield. Isfahan University of Technology-Journal of Crop Production and Processing 11, 253-263.
Tester M, Davenport R (2003) Na+ tolerance and Na+ transport in higher plants. Ann Bot 91, 503-527.
Vij S, Tyagi AK (2007) Emerging trends in the functional genomics of the abiotic stress response in crop plants. Plant Biotechnol J 5, 361-380.
Widodo, Patterson JH, Newbigin E et al. (2009) Metabolic responses to salt stress of barley (Hordeum vulgare L.) cultivars, Sahara and Clipper, which differ in salinity tolerance. J Exp Bot 60, 4089-4103.
Yousefi Rad S, Soltanloo H, Ramezanpour SS et al. (2019) The study of SOS genes expression in mutant barley root under salt stress. J Crop Breed 11, 1-8.
Zaghdoud C, Mota-Cadenas C, Carvajal M et al. (2013) Elevated CO2 alleviates negative effects of salinity on broccoli (Brassica oleracea L. var Italica) plants by modulating water balance through aquaporins abundance. Environ Exp Bot 95, 15-24.
Zamani-Babgohari M, Niaz A, Ebrahimi A (2011) Analysis of chromosomal region and identification of loci surrounding genes involved in Na+ and K+ in rice, Arabidopsis and hyscomotrella patent. National Biotechnology Congress of Iran (In Persian).
Zeeshan M, Lu M, Sehar S et al. (2020) Comparison of biochemical, anatomical, morphological, and physiological responses to salinity stress in wheat and barley genotypes deferring in salinity tolerance. Agronomy 10, 127.
Zhang H-X, Hodson JN, Williams JP et al. (2001) Engineering salt-tolerant Brassica plants: characterization of yield and seed oil quality in transgenic plants with increased vacuolar sodium accumulation. PNAS 98, 12832-12836.
Zhu J-K (2003) Regulation of ion homeostasis under salt stress. Curr Opin Plant Biol 6, 441-445.