ارزیابی بیان ژن‌های 3-3-14 در سیب‌زمینی تحت تنش خشکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه شهید بهشتی

2 استاد بیوتکنولوژی گیاهی، دانشکده علوم و فناوری زیستی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.

چکیده

هدف: سیب­زمینی­ یک محصول زراعی و غذای مهم در جهان است. اما گیاه سیب­زمینی به تنش خشکی حساس است. به همین دلیل برررسی مکانیسم مولکولی تحمل به تنش خشکی ضروری به نظر می­رسد. پروتئین GF14/14-3-3 یکی از پروتئین­های دایمری محافظت­شده هستند که چندین فرایند سلولی از متابولیسم تا انتقال، رشد و توسعه و پاسخ به تنش را تنظیم می­کنند. اما گزارش­های کمی درباره ژن­های 3-3-14 در سیب زمینی در دسترس است.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه، 12 ژن در ژنوم سیب­زمینی با استفاده از ابزار بیوانفورماتیک شناسایی شده است. علاوه­بر این، آنالیز موتیف­، ساختار ژن، آنالیز فیلوژنی، آنالیز جایگاه اتصال فاکتور رونویسی (TFBS) و سینتنی بر روی ژن­های 3-3-14 انجام شد. همچنین آنالیز بیان دو ژن (StGF14i  و StGF14h) در چهار بافت ریشه، ساقه، برگ و غده و بیان آن­ها تحت تنش خشکی در شرایط گلخانه بررسی شد.
نتایج: بر اساس آنالیز فیلوژنتیکی، اعضای خانواده ژنی StGF14 به دو کلاس تقسیم­بندی شدند. آنالیز مکان­های اتصال فاکتور رونویسی (TFBS) در ناحیه پروموتری ژن­های 3-3-14 نشان داد که بیشترین و کمترین تعداد TFBS به ترتیب مربوط به MYB و CSD
می­باشد. علاوه براین، فراوانی متفاوت TFBSها در ژن­های 3-3-14 می­تواند نشان دهنده این باشد که این ژن­ها در مراحل مختلف رشد و نمو و مکانیسم­های پیچیده تنظیمی درگیر هستند. روابط تکاملی سیب­زمینی با استفاده از شناسایی ارتولوگ‌ها و پارالوگ‌ها مطالعه شد. تعداد اگزون­ها در ژن­های 3-3-14 از 4 تا 7 متغیر بود و بیشتر این ژن­ها در زیر خانواده مشابه دارای الگوی اگزون-اینترون مشابه هستند. بیان دو ژن­ در برگ و غده تحت تنش خشکی و همچنین بیان هر دوژن­ در بافت­های ریشه، ساقه، برگ و غده مورد بررسی قرار گرفت. براساس آنالیز بیان دو ژن StGF14i و StGF14h در بافت­ها و بررسی تنش خشکی، ژن StGF14i بیان بالاتری در چهار بافت داشته و همچنین بالاترین بیان را در غده تحت تنش خشکی سیب­زمینی نشان داد. نتایج نشان داد که دو جفت ارتولوگ بین سیب­زمینی و آرابیدوپسیس و همچنین 8 جفت پارالوگ در ژنوم سیب­زمینی وجود دارد.
نتیجه‌گیری: الگوی بیان ژن‌هایStGF14i  و StGF14h در بافت­های مختلف و در پاسخ به تنش خشکی نشان می­دهد که این دو ژن نقش­های ضروری و محافظت­شده در رشد و نمو سیب­زمینی دارند. امید است که نتایج این مطالعه بتواند به بررسی­های بیشتر بر روی نقش عملکردی و مکانیسم مولکولی ژن­های 3-3-14 در پاسخ به تنش خشکی در سیب­زمینی کمک نماید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of gene expression of 14-3-3 genes under drought stress in potato

نویسندگان [English]

  • Zahra Hajibarat 1
  • Abbas Saidi 2
1 Shahid beheshti university
2 Professor of Plant Biotechnology, Faculty of Life Sciences and Biotechnology, Shahid Beheshti University. Tehran, Iran.
چکیده [English]

Objective
Potato (Solanum tuberosum) is an important food and economic crop in the world. However, potato shows susceptiblity to drought stress. Thus, the investigation of molecular mechanism of drought stress tolerance is essential considered. GF14/14-3-3 protein is one of the conserved dimeric proteins that regulate several cellular processes, ranging from metabolism to transport, growth, development, and stress response. However, only few reports are available regarding the effect of 14-3-3 genes in response to stress in potato.
 
Materials and methods
In this study, twelve 14-3-3 genes were detected in the potato genome using bioinformatics methods.  Further, motif analysis, gene structure, phylogenetic analysis, TFBS and synteny analysis were performed on the 14-3-3 genes. In addition, expression analysis of two genes (StGF14i and StGF14h) in four tissues (root, stem, leaf, and tuber) and their expression under drought stress in greenhouse was investigated.  
 
Results
Based on phylogenetic relationships, the StGF14 family members were categorized into two classes. Analysis of transcription factor binding sites (TFBS) in the promoter region of 14-3-3 genes revealed that the highest and the lowest number of TFBs were MYB and CSD, respectively, which found in promoter of 14-3-3 genes.  Moreover, different frequencies of TFSB in 14-3-3 genes could indicate that these genes control different developmental stages and are involved in complex regulatory mechanisms. Furthermore, genome evolution of S. tuberosum using orthologists and paralogues identification was studied. The number of exons in 14-3-3 genes was from four to seven and most of these genes in the same subfamily them had the same exon–intron patterns. The expression of two genes in leaves and tuber under drought stress as well as the gene expression of both genes in root, stem, leaf, and tuber tissues under drought were examined. Based on the expression analysis of two genes StGF14i and StGF14h in tissues and survey of drought stress, StGF14i gene has a maximum expression in four tissues and also, highest expression in tubers under drought stress. Our results revealed that two orthologous gene pairs between S. tuberosum and A. thaliana as well as eight paralogous genes among potato genomes were identified.
 
Conclusions
The expression patterns of StGF14i and StGF14h genes in different tissues and in response to drought stress that two genes had the conserved and necessary roles in potato growth and development potato. It is hope that the results of this study will be useful for further investigation of functional role and molecular mechanisms of 14-3-3 genes in response to drought stresses.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Drought
  • Promoter
  • TFBS
  • Phylogenetic
  • Paralogous
 
Bridges D, Moorhead GB (2005) 14-3-3 proteins: a number of functions for a numbered protein. Sci STKE 296, 1-10.
Chen F, Li Q, Sun L, He Z (2006) The rice 14-3-3 gene family and its involvement in responses to biotic and abiotic stress. DNA Res 13, 53-63.
Chevalier D, Morris ER, Walker JC (2009) 14-3-3 and FHA domains mediate phosphoprotein interactions. Annu Rev Plant Biol 60, 67–91.
DeLille JM, Sehnke PC, Ferl RJ (2001) The Arabidopsis 14-3-3 family of signaling regulators. Plant Physiol 126, 35–38
Ferl RJ, Manak M S, Reyes MF (2002) The 14-3-3s. Genome Biol 3, 1-7.
Foti S, Mauromicale G, Ierna A (1995) Influence of irrigation regimes on growth and yield of potato cv. Spunta. Potato Res 38, 307-317.
Ghorbani R, Zakipour Z, Alemzadeh A, Razi H (2020) Genome-wide analysis of AP2/ERF transcription factors family in Brassica napus. Physiol Mol Biol Plants 26, 1463-1476.
Hajibarat Z, Saidi A, Mosuapour GA, Ghaffari MR, Zienalabedini M. Evaluation of Drought Tolerance of Potato (Solanum Tuberosum L.) Under Water Deficit.  J Crop Breed 102-112.
Hasanpanah D, Nikshad k, Hasani M, Aghazadeh B (2003) Potato in Ardabil Province, Ardabil Agriculture Jihad Organization. 64 PP.
Khurana SP, Minhas JS, Pandey SK (2003) The Potato: production and utilization in sub-tropics.
Li MY, Ren LC, Xu BY et al. (2016) Genome-wide identification, phylogeny, and expression analyses of the 14-3-3 family reveal their involvement in the development, ripening, and abiotic stress response in banana. Front Plant Sci. 7, e1442.
Li MY, Xu BY, Liu JH et al. (2012) Identification and expression analysis of four 14-3-3 genes during fruit ripening in banana (Musa acuminata L. AAA group, cv. Brazilian). Plant Cell Rep 31, 369–378
MacKintosh C, Meek S E M (2001) Regulation of plant NR activity by reversible phosphorylation, 14-3-3 proteins and proteolysis. Cell Mol Life Sci 58, 205-214.
Mane SP, Robinet CV, Ulanov A et al. (2008) Molecular and physiological adaptation to prolonged drought stress in the leaves of two Andean potato genotypes. Funct Plant Biol 35, 669-688.
Roberts MR (2003) 14-3-3 proteins find new partners in plant cell signalling. Trends Plant Sci 8, 218-23.
Saidi A, Hajibarat Z. (2021a) Phytohormones: plant switchers in developmental and growth stages in potato. J Genet Eng Biotechnol 19, 1-17.
Saidi A, Hajibarat Z, Hajibarat Z (2021b) Phylogeny, gene structure and GATA genes expression in different tissues of Solanaceae species. Biocatal Agric Biotechnol 35, e102015.
Sang N, Liu H, Ma B et al. (2021) Roles of the 14-3-3 gene family in cotton flowering. BMC Plant Biol 21, 1-7.
Sehnke PC, Chung HJ, Wu K, Ferl RJ (2001) Regulation of starch accumulation by granule-associated plant 14-3-3 proteins. PNAS 98,765-770.
Tian F, Wang T, Xie Y et al. (2015) Genome-wide identification, classification, and expression analysis of 14-3-3 gene family in Populus. PloS one 10, e0123225.
United Nations (2004) World population to 2300. New York, NY, USA: Dept of Economic and Social Affairs, 4–9.
Visconti S, D’Ambrosio C, Fiorillo A et al. (2019) Overexpression of 14-3-3 proteins enhances cold tolerance and increases levels of stress-responsive proteins of Arabidopsis plants. Plant Sci 289, e110215.
Wang Y, Ling L, Jiang Z et al. (2019) Genome-wide identification and expression analysis of the 14-3-3 gene family in soybean (Glycine max). Peer J 7, e7950.
Wu S, Yan HD, Zhang AL et al. (2016) Identification and characterization of the 14-3-3 gene family in switchgrass. Genet Mol Res 15, GMR15048688.
Zuo X, Wang S, Xiang W et al. (2021) Genome-wide identification of the 14–3-3 gene family and its participation in floral transition by interacting with TFL1/FT in apple. BMC Genomics 22, 1-7.