بررسی الگوی بیان برخی از ژن‌های مرتبط با فعالیت آنتی اکسیدانتی در ژنوتیپ‌های امیدبخش جو تحت شرایط تنش شوری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه بیوتکنولوژی و بهنژادی گیاهی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

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

3 گروه بیوتکنولوژی و به نژادی گیاهی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

4 موسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران.

5 گروه بیوتکنولوژی و به نژادی ، واحد علوم و تحقیقات ، دانشگاه آزاد اسلامی ، تهران ، ایران.

چکیده

هدف: تنش شوری یکی از مهم­ترین تنش­های محیطی است که اثرات نامطلوب گسترده ای بر رشد و نمو گیاهان و بهره­وری محصولات کشاورزی در جهان دارد. در بین غلات، جو (Hordeum vulgar L.) دارای بیشترین میزان تحمل به تنش­های غیر زیستی به ویژه شوری می­باشد. در این تحقیق به منظور ارزیابی پاسخ مولکولی برخی از ژنوتیپ­های امیدبخش جو به تنش شوری، الگوی بیان ژن­های APX، GPX، SOD، Rbohf1 و Rbohf2 در دو تیمار عدم تنش و تنش شوری مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش­ها: در این مطالعه اثر تیمار شوری (mM NaCl 200) بر تغییرات الگوی بیان ژن­های APX، GPX، SOD، Rbohf1 و Rbohf2 در شش ژنوتیپ امیدبخش جو به همراه رقم مهر (به عنوان شاهد) مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش در قالب طرح بلوک­های کامل تصادفی و در دو محیط نرمال و تنش شوری در شرایط کنترل شده گلخانه و با استفاده از سیستم کشت هیدروپونیک به اجرا درآمد. پس از استقرار گیاهچه­ها و اعمال دوره تنش (21 روز)، نمونه­برداری از بافت برگ انجام و میزان بیان نسبی هر یک از ژن­ها در هر دو شرایط رشدی با استفاده از روش(2001)  Pfaffl اندازه­گیری شد.
نتایج: با توجه به نتایج به دست آمده اختلاف معنی­داری بین تیمارهای عدم تنش و تنش شوری و همچنین بین ژنوتیپ­های ارزیابی شده از نظر بیان نسبی ژن­های مورد مطالعه مشاهده شد. تیمار شوری به طور معنی­داری موجب افزایش بیان هر یک از ژن­های Rbohf1، APX، GPX، Rbohf2 و SOD به ترتیب به میزان 80/6، 51/4، 26/4، 76/2 و 72/2 برابر نسبت به تیمار عدم تنش شد. مقایسه الگوی بیان ژن­های ارزیابی شده در ژنوتیپ­های مختلف نشان داد دو ژنوتیپ G6 و G7 دارای واکنش بهتری از نظر پاسخ به تنش اکسیداتیو ایجاد شده به واسطه تیمار شوری و در نتیجه تحمل قابل قبولی در برابر تنش شوری بودند.
نتیجه­ گیری: با توجه به نتایج به دست آمده از این مطالعه مشخص شد ژنوتیپ­های G6 و G7 بواسطه زمینه ژنتیکی خود قابلیت بالایی در تنظیم بیان ژن­های مرتبط با سیستم آنتی­اکسیدانتی دارند. از این­رو این ژنوتیپ­ها می­تواند به عنوان کاندید مناسبی برای بررسی­های تکمیلی و استفاده در آزمایشات سازگاری و پایداری جهت معرفی ارقام متحمل به تنش شوری مورد توجه قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation of expression pattern for some genes related to antioxidant activities in promising genotypes of barley under salinity stress conditions

نویسندگان [English]

  • Omid Jadidi 1
  • Alireza Etminan 2
  • Reza Azizinezhad 3
  • Alireza Pour-Aboughadareh 4
  • Asa Ebrahimi 5
1 Department of Biotechnology and Plant Breeding, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of Plant breeding and Biotechnology, Kermanshah Branch, Islamic Azad University, Kermanshah, Iran
3 Assistant Professor, Department of Biotechnology and Plant Breeding, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
4 Assistant Professor, Seed and Plant Improvement Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Karaj, Iran
5 Department of Plant Breeding and Biotechnology, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Objective
Salinity stress is one of the most important environmental stresses that significantly
has negative effects on plant growth and crop production all over the world. Among cereal crops, barley (Hordeum vulgar L.) is the most tolerate cereal to abiotic stresses, especially to salinity stress. In the present study, to evaluate the molecular response of some promising genotypes of barley to salinity stress, the expression patterns of APX, GPX, SOD, Rbohf1, and Rbohf2 genes were assessed under two control and salt stress conditions.
Materials and methods
In this study, the effect of salt treatment (200 mM NaCl) on relative expression patterns of APX, GPX, SOD, Rbohf1, and Rbohf2 genes in a set of six promising genotypes of barley along with a local cultivar as the reference genotype (cv. Mehr) was evaluated. The experiment was conducted in a randomized complete block design in two environments (normal and saline stress) under controlled glasshouse conditions using a hydroponic system. After seedling establishment and applying stress treatment (21-days), plants were subjected to sampling and the relative expression for targeted genes was estimated as proposed by Pfaffl (2001).
Results
According to the results, a significant difference was observed between control and salt treatments, as well as, among tested barley genotype in terms of all investigated genes. Salt treatment significantly increased expression of Rbohf1, APX, GPX, Rbohf2, and SOD by 6.80, 4.51, 4.26, 2.76, and 2.72-fold compared to control treatment, respectively. A comparison of the expression patterns of studied genes revealed that promising genotypes G6 and G7 showed better tolerance against oxidative stress induced by salt treatment and revealed an acceptable tolerance to salinity stress.
Conclusions
Our results revealed that the genotypes G6 and G7 due to their genetic background have a high potential to the regulation of their antioxidant system. Hence, these genotypes can be used as ideal candidates for supplementary studies and even participate in adaptability and stability trials to release as commercial cultivars tolerant to salt stress.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gene expression pattern
  • salinity
  • antioxidant activity
  • barley

مراجع

سلامی ر، محمدی س ا، غفاریان س، مقدم م (1394). بررسی بیان ژن­های HvTIP2;3 و HvTIP4;1 در ژنوتیپ­های حساس و متحمل جو تحت تنش شوری. پژوهش­های ژنتیک گیاهی 2(2)، 14-1.
References
Aazami MA, Rasouli F, Tajaragh RP (2021) Influence of salinity stress on morphological, nutritional and physiological attributes in different cultivars of Prunnus amygdalus L.  J Plant Nutr 44, 1758–1769.
Ahmadi J, Pour‑Aboughadareh A, Fabriki Ourang S, Poczai P (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.
Ahmadi J, Pour‑Aboughadareh A, Fabriki‑Ourang S, et al. (2018) Screening wild progenitors of wheat for salinity stress at early stages of plant growth: insight into potential sources of variability for salinity adaptation in wheat. Crop Pasture Sci 69, 649–658.
Ansari WA, Atri N, Singh B, Pandey S (2018) Changes in antioxidant enzyme activities and gene expressio in two muskmelon genotypes under progressive water stress. Biol Plant 61, 333–341.
Araujo PR, Yoon K, Ko D, Smith AD et al. (2012) Before It Gets Started: Regulating Translation at the 5′ UTR. Comp Funct Genom 2012, e475731.
Ashraf M (2009) Biotechnological approach of improving plant salt tolerance using antioxidants as markers. Biotechnol Adv 27, 84-93.
Baisakh N, Subudhi PK, Parami NP (2006) cDNA-AFLP analysis reveals differential gene expression in response to salt stress in a halophyte Spartina alterniflora Loisel. Plant Science 170(6), 1141-1149.
Chen Z, Gallie DR (2004) The ascorbic acid redox state controls guard cell signaling and stomatal movement. Plant Cell 16, 1143–1162.
Fan HF, Du CX, Ding L, Xu YL (2014) Exogenous nitric oxide promotes waterlogging tolerance as related to the activities of antioxidant enzymes in cucumber seedling. Russ J Plant Physiol 61, 366–373.
Fatemi F, Kianersi F, Pour‐Aboughadareh A, et al. (2022) Overview of identified genomic regions associated with various agronomic and physiological traits in barley under abiotic stresses. Appl Sci 12, 5189.
Fayez KA, Bazaid SA (2014) Improving drought and salinity tolerance in barley by application of salicylic acid and potassium nitrate. J Saudi Soc Agric Sci 13, 45–55.
Feng K, Yu J, Cheng Y et al. (2016) The SOD gene family in tomato: identification, phylogenetic relationships, and expression patterns. Front Plant Sci 7, e1279.
Feng X, Lai Z, Lin Y, et al. (2015) Genome-wide identification and characterization of the superoxide dismutase gene family in Musa acuminata cv Tianbaojiao (AAA group). BMC Genom 16, e823.
Ghafarian S, Mohammadi SA, Toorchi M (2018) Effect of short- and long-time salt treatment on root traits and expression pattern of Atls1 gene in barley (Hordeum vulgare L.). J Plant Physiol Breed 8, 1–11.
Guo Y, Tian S, Liu S, et al. (2018) Energy dissipation and antioxidant enzyme system protect photosystem II of sweet sorghum under drought stress. Photosynthetica 56, 861–872.
Hoagland DR, Arnon DI (1950) The water‑culture method for growing plants
without soil. California Agricultural Experiment Station, Circular No.
374. The College of Agriculture, University of California, Berkeley, CA,
USA.
Hossain MS, Dietz KJ (2016) Tuning of redox regulatory mechanisms, reactive oxygen species and redox homeostasis under salinity stress. Front Plant Sci 7, 548.
Ighodaro OM, Akinloye OA (2018) First line defence antioxidants-superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and glutathione peroxidase (GPX): their fundamental role in the entire antioxidant defence grid. Alexandria J Med 54, 287–293. 
Jiang W, Yang L, He Y, et al. (2019) Genome-wide identification and transcriptional expression analysis of superoxide dismutase (SOD) family in wheat (Triticum aestivum). Peer J 7, e8062.
Keller T, Damude HG, Werner D, et al. (1998) A plant homolog of the neutrophil NADPH oxidase gp91phox subunit gene encodes a plasma membrane protein with Ca2+ binding motifs. The Plant Cell 10, 255–266.
Lightfoot DJ, Boettcher A, Little A, Shirley N, Able AJ (2008) Identification and characterization of barley (Hordeum vulgare L.) respiratory burst oxidase homologue family members. Funct Plant Biol 35, 347–359.
Lightfoot DL, Mcgrann GRD, Able AJ (2017) The role of a cytosolic superoxide dismutase in barley-pathogen interactions. Mol Plant Pathol 18, 323–335.
Nachshon U (2018) Cropland soil salinization and associated hydrology: Trends, processes and examples. Water 10, e1030.
Nasirzadeh L, Sorkhilaleloo B, Majidi Hervan E, Fatehi F (2020) Changes in antioxidant enzyme activities and gene expression profiles under drought stress in tolerant, intermediate, and susceptible wheat genotypes. Cereal Res Commun 49, 83–89.
Panchuk II, Zentgraf U, Volkov RA (2005) Expression of the APX gene family during leaf senescence of Arabidopsis thaliana. Planta 222, 926–932.
Pfaffl MW (2001) A new mathematical model for relative quantification in real-time RT-PCR. Nucl Acids Res 29, e45.
Pour-Aboughadareh A, Omidi M, Naghavi MR, et al. (2020) Wild relatives of wheat respond well to water deficit stress: a comparative study of antioxidant enzyme activities and their encoding gene expression. Agriculture 10, e415.
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. Proc Natl Acad Sci USA 99, 8436-8441.
Salami R, Mohammadi SA, Ghafarian S, Moghaddam M (2017) Expression analysis of HvTIP2;3 and HvTIP4;1 in sensitive and toleranct barley genotypes under salinity stress. Plant Genet Res 2, 1–14 (In Persian).
Schreiber M, Mascher M, Wright J, et al. (2020) A Genome assembly of the barley transformation reference cultivar golden promise. G3 10, 1823–1827.
Shahbaz M, Ashraf M (2013) Improving salinity tolerance in cereals. CRC Crit Rev Plant Sci 32, 237-49.
Singh L, Park RF, Dracatos P, et al. (2021) Understanding the expression and interaction of Rph genes conferring seedling and adult plant resistance to Puccinia hordei in barley. Can J Plant Pathol 43, 218–226.
Torres MA, Dangl JL (2005) Functions of the respiratory burst oxidase in biotic interactions, abiotic stress and development. Curr Opin Plant Biol 8, 397–403.
Yan H, Li Q, Park SC, et al. (2016) Overexpression of CuZnSOD and APX enhance salt stress tolerance in sweet potato. Plant Physiol Biochem 109, 20–27.
Yang Y, Costa A, Leonhardt N, et al. (2008) Isolation of a strong Arabidopsis guard cell promoter and its potential as a research tool. Plant Method 4, 1–15.
Zhang X, Zhang L, Chen Y, et al. (2020) Genome-wide identification of the SOD gene family and expression analysis under drought and salt stress in barley. Plant Growth Regul 94, 49–60.
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 15، شماره 1
فروردین 1402
صفحه 43-60

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار