شناسایی ژن‌های درگیر در انتقال یون‌ها در پاسخ به تنش شوری بالا در گیاهچه‌های برنج

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی سابق دکتری، گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

2 دانشیار گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 استادیار گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

4 استادیار پژوهش موسسه تحقیقات برنج کشور، معاونت مازندران، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، آمل، ایران

5 استاد گروه بیوشیمی گیاهی، دانشگاه HHU، دوسلدورف، آلمان

6 استادیار گروه بیوشیمی گیاهی، دانشگاه HHU، دوسلدورف، آلمان

چکیده

هدف: برنج در بین گیاهان زراعی از حساسیت بالایی به شوری برخوردار است. حساسیت برنج در مرحله گیاهچه‌ای و فاز زایشی موجب آسیب به فرایندهای حیاتی گیاه و در نهایت کاهش عملکرد می‌شود. در محیط‌های شور سمیت یونی به‌واسطه جذب یون سدیم افزایش می‌یابد. ارقام متحمل با کاهش نسبت سدیم به پتاسیم در اندام‌های فتوستنزی با شوری مقابله می‌کنند. کنترل ورود و خروج یون‌ها در سلول‌های گیاهی توسط کانال‌ها و ناقل‌های یونی انجام می‌شود. شناسایی و ارزیابی الگوی بیان ژن‌های کنترل‌کننده این ناقل‌ها در زمان‌ها و اندام‌های مختلف از اهداف این تحقیق بود.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه از دو ژنوتیپ برنج متحمل CSR28 و حساس IR28 استفاده شد. گیاهچه‌های کاشت شده در محیط کشت هیدروپونیک در معرض تیمار شوری 150 میلی‌مولار قرار گرفتند و نمونه‌برداری از ریشه و اندام هوایی در زمان‌های 6 و 54 ساعت پس از تیمار انجام شد. پس از استخراج RNA، ساخت کتابخانه و تجزیه و تحلیل RNA-seq انجام شد و ژن‌های با بیان افتراقی شناسایی شدند. از تجزیه مسیر MapMan برای شناسایی ژن‌های کنترل‌کننده ناقل‌های یونی استفاده شد.
نتایج: از مقایسه دو ژنوتیپ در شرایط اختصاصی تنش شوری، 47 ژن با بیان بالا که کنترل‌کننده ناقل‌های یونی بودند شناسایی شدند که برخی دارای بیان اختصاصی در ژنوتیپ یا اندام خاص بودند. ژن‌های OsTPC1 و OsSOS3 که به‌ترتیب در ورود یون کلسیم به سلول و گیرنده کلسیم نقش دارند در ریشه ژنوتیپ متحمل در زمان 54 ساعت بیان بیشتری نسبت به ژنوتیپ حساس نشان دادند. همچنین بیان بالای ژن‌های مهمی نظیر OsSOS1 و OsNHX1 در ژنوتیپ متحمل بیانگر کاهش تجمع یون سدیم نسبت به ژنوتیپ حساس بود. دیگر ژن‌های درگیر در هومئوستازی یونی نظیر OsHKT1 در اندام ریشه و زمان 54 ساعت در ژنوتیپ متحمل بیان بیشتری داشت.
نتیجه‌گیری: به‌طور کلی نتایج این تحقیق نشان داد که فعل و انفعلات مولکولی رخ داده در ریشه در شرایط طولانی مدت تنش شوری موجب تفاوت در تحمل به شوری از طریق تفاوت در هومئوستازی یونی شده است. همچنین نتایج این تحقیق بیانگر نقش مسیر پیام‌رسانی مربوط به یون کلسیم در القای تحمل به شوری ژنوتیپ متحمل CSR28 بود. از بیان اختصاصی برخی از این ژن‌ها در ژنوتیپ یا اندام خاص می‌توان به‌عنوان نشانگر زیستی در برنامه‌های گزینش ژنوتیپ‌های برنج متحمل به شوری استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Identification of genes involved in ion transport under high salinity stress in rice seedlings

نویسندگان [English]

  • Mojdeh Akbarzadeh Lelekami 1
  • Mohammad Hadi Pahlevani 2
  • Khalil Zaynali Nezhad 3
  • Keyvan Mahdavi Mashaki 4
  • Andreas P.M. Weber 5
  • Dominik Brilhaus 6
1 Ph.D. Student, Plant Breeding and Biotechnology Department, Faculty of Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
2 Associate Professor, Department, Faculty of Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
3 Assistant Professor, Plant Breeding and Biotechnology Department, Faculty of Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
4 Assistant Professor, Rice Research Institute of Iran, Mazandaran Branch, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Amol, Iran
5 Professor, Plant Biochemistry Department, Heinrich Heine University (HHU), Düsseldorf, Germany
6 Assistant Professor, Plant Biochemistry Department, Heinrich Heine University (HHU), Düsseldorf, Germany.
چکیده [English]

Objective
Rice is highly sensitive to salinity stress among crops. The sensitivity at seedling stage and reproductive phase causes damage to the essential processes of plant and ultimately reduces the yield. In saline environments, ion toxicity is increased by sodium uptake. Tolerant cultivars cope the salinity stress by low maintain of Na+/K+ in the photosynthetic organs. The entry and exclusion of ions in the plant cells is controlled by ion channels and transporters. Identifying and evaluating the expression pattern of genes encoding these transporters at different time points and organs was our objective.
Materials and methods
In present study, two rice genotypes of tolerant CSR28 and sensitive IR28 were used. The grown seedlings in hydroponic medium were exposed to 150 mM salinity treatment and the roots and shoots were collected after 6 and 54 h of the treatment. After RNA extraction, library construction and RNA-Seq analysis were performed and differential expressed gene identified. MapMan pathway analysis was used to identify the genes encoding ion transporters.
Results
The comparison of the two genotypes under specific salinity stress, identified 47 highly expressed genes encoding ion transporters which some of them showed genotype or organ-specific expression pattern. OsTPC1 and OsSOS3 genes, which are involved in the entry of Ca+ into cells and Ca+ receptors, respectively, had higher expression in the roots of the tolerant genotype than the susceptible genotype at 54 h time point. Considerably, high expression of the important genes such as OsSOS1 and OsNHX1 in the tolerant genotype indicated a low Na+ accumulation compared to the sensitive genotype. Other gene involved in ion homeostasis, such as OsHKT1, displayed more expression in the roots of the tolerant genotype at 54 h.
Conclusions
Generally, our findings revealed that the molecular mechanisms occurred in the roots under long-term salinity stress caused differences in salinity tolerance through various ion homeostasis. The results also indicated the role of the Ca+-related signaling pathway in the higher tolerance of CSR28. Specific expression patterns of some of the genes can be used as biomarker in the selection programs of salt-tolerant rice genotypes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • MapMan analysis
  • Transcriptome
  • SOS pathway
  • Ion transporter

مراجع

احمدی کریم، عبادزاده حمیدرضا، حاتمی فرشاد، عبدشاه هلدا و کاظمیان آرزو (1400) آمارنامه کشاورزی سال زراعی 99-98، جلد اول: محصولات زراعی، مرکز فنآوری اطلاعات، وزارت جهاد کشاورزی، ایران 97 ص.
اکبرزاده للکامی مژده، پهلوانی محمدهادی، زینلی‌نژاد خلیل و همکاران (1399) پاسخ برخی از متابولیت های اولیه ریشه برنج (Oryza sativa L.) به تنش شوری. پژوهشنامه اصلاح گیاهان زراعی، سال دوازدهم، شماره 34، صفحات 217-210.
عرب پور رق آبادی زهرا، محمدآبادی محمدرضا، خضری امین (1400) الگوی بیانی ژن p32 در بافت‌های ران، دست، راسته و چربی پشت بره کرمانی. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی، 13(4)، 183-200.
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.
 
References
Acosta-Motos JR, Ortuño MF, Bernal-Vicente, A et al )2017 (Plant responses to salt stress: adaptive mechanisms. Agronomy 7, e18
Agre P )1998( Aquaporin null phenotypes: The importance of classical physiology. Proc Nat Aca Sci 95, 9061-9063.
Arabpour Z, Mohammadabadi M, Khezri A (2021) The expression pattern of p32 gene in femur, humeral muscle, back muscle and back fat tissues of Kermani lambs. Agric Biotechnol J 13 (4), 183-200 (In Persian).
Ahmadi K, Ebadzadeh H, Hatami F et al. (2021) Agricultural Statistics of 2020-2021 Volume I: Crop Production. Tehran, Ministry of Jihad-e-Agriculture, Deputy Director of Planning and Economics. Center for Information and Communication Technology (In Persian).
Akbarzadeh Lelekami M, Pahlevani MH, Zaynali Nezhad K et al. (2020) Response of some of Primary Metabolites in Rice (Oryza sativa L.) Root to Salinity Stress. J Crop Breed 12(34), 210-217 (In Persian).
Blumwald E, Aharon GS, Apse MP (2000) Sodium transport in plant cells. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes 1465(1-2), 140-151.
Chang J, Cheong BE, Natera S, Roessner U (2019) Morphological and metabolic responses to salt stress of rice (Oryza sativa L.) cultivars which differ in salinity tolerance. Plant Physiol Biochem 144, 427-435.
Chinnusamy V, Jagendorf A, Zhu JK (2005) Understanding and improving salt tolerance in plants. Crop Sci 45(2), 437-448.
Deinlein U, Stephan AB, Horie T et al. (2014) Plant salt-tolerance mechanisms. Trends plant Sci 19(6), 371-379.
Fukuda A, Nakamura A, Tagiri A et al. (2004) Function, intracellular localization and the importance in salt tolerance of a vacuolar Na+/H+ antiporter from rice. Plant Cell Physiol 45(2), 146-159.
Hasegawa PM, Bressan RA, Zhu JK, Bohnert HJ (2000) Plant cellular and molecular responses to high salinity. Annu Rev Plant Biol 51(1), 463-499.
Hernández JA (2019) Salinity Tolerance in Plants: Trends and Perspectives. Int J Mol Sci 20:2408
Horie T, Hauser F, Schroede JI (2009) HKT transporter-mediated salinity resistance mechanisms in Arabidopsis and monocot crop plants. Trends plant Sci 14(12), 660-668.
Ismail AM, Horie T (2017) Genomics, physiology, and molecular breeding approaches for improving salt tolerance. Annu Rev Plant Biol 68, 405-434.
Kurotani KI, Yamanaka K, Toda Y et al. (2015) Stress tolerance profiling of a collection of extant salt-tolerant rice varieties and transgenic plants overexpressing abiotic stress tolerance genes. Plant cell Physiol 56(10), 1867-1876.
Kurusu T, Hamada H, Koyan T, Kuchitsu K (2012) Intracellular localization and physiological function of a rice Ca2+-permeable channel OsTPC1. Plant Signal Behav 7(11), 1428-1430.
Lekklar C, Suriya-Arunroj D, Pongpanich M et al. (2019) Comparative genomic analysis of rice with contrasting photosynthesis and grain production under salt stress. Genes 10(8), 562.
Mohammadabadi MR, Tohidinejad F (2017) Charachteristics determination of Rheb gene and protein in Raini Cashmere goat. Iran J Appl Anim Sci 7, 289-295.
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).
Musavizadeh Z, Najafi-Zarrini, Kazemitabar, SK et al. (2021) Genome-wide analysis of potassium channel genes in rice: expression of the OsAKT and OsKAT genes under salt stress. Genes 12(5), 784.
Nounjan N, Charoensawan V, Chansongkrow P et al. (2018) High performance of photosynthesis and osmotic adjustment are associated with salt tolerance ability in rice carrying drought tolerance QTL: physiological and co-expression network analysis. Front Plant Sci 9:1135
Razzaq A, Ali A, Safdar LB et al. (2020) Salt stress induces physiochemical alterations in rice grain composition and quality. J Food Sci 85(1), 14-20.
Reddy AS, Ali GS, Celesnik H, Day IS (2011) Coping with stresses: roles of calcium-and calcium/calmodulin-regulated gene expression. Plant Cell 23(6), 2010-2032.
Rengasamy P (2006) World salinization with emphasis on Australia. J Exp Bot 57(5), 1017-1023.
Senadheera P, Singh R, Maathuis FJ (2009) Differentially expressed membrane transporters in rice roots may contribute to cultivar dependent salt tolerance. J Exp Bot 60(9), 2553-2563.
 Shrivasata P, Kumar R (2015) Soil salinity: a serious environmental
issue and plant growth promoting bacteria as one of the tools for its
alleviation. Saudi J Biologi Sci 22, 123–131.
Thimm O, Bläsing O, Gibon Y et al. (2004) MAPMAN: a user‐driven tool to display genomics data sets onto diagrams of metabolic pathways and other biological processes. Plant J 37, 914-939.
Trapnell C, Roberts A, Goff L et al. (2012) Differential gene and transcript expression analysis of RNA-seq experiments with TopHat and Cufflinks. Nat Protoc 7, 562-578.
Walia H, Wilson C, Zeng L et al. (2007) Genome-wide transcriptional analysis of salinity stressed japonica and indica rice genotypes during panicle initiation stage. Plant Mol Biol 63:609-623
Wang R, Jing W, Xiao L et al. (2015) The rice high-affinity potassium transporter1;1 is involved in salt tolerance and regulated by an MYB-type transcription factor. Plant Physiol 168(3), 1076-1090.
Yamaguchi T, Blumwald E (2005) Developing salt-tolerant crop plants: challenges and opportunities. Trends Plant Sci 10(12), 615-620.
Yoshida S, Forno DA, Cock JH (1971) Laboratory manual for physiological studies of rice Laboratory manual for physiological studies of rice
Zhang J, Xu T, Liu Y et al. (2022) Molecular insights into salinity responsiveness in contrasting genotypes of rice at the seedling stage. Int J Mol Sci 23(3), 1624.
Zhu, JK (2016) Abiotic stress signaling and responses in plants. Cell 167(2), 313-324.
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 14، شماره 4
دی 1401
صفحه 69-84

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار