شناسایی و پیش بینی عملکرد RNAهای بلند غیرکدکننده در پروفایل بیانی سیب زمینی آلوده به ویروس PVY

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه گیاهپزشکی دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 نویسنده مسئول: دانشیار، گروه گیاهپزشکی دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

3 استادیار گروه گیاهپزشکی دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

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

5 استاد گروه سلولی و مولکولی دانشکده علوم و فناوری زیستی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.

6 دانشیار گروه علوم باغبانی دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

چکیده

هدف: ویروس Y سیب‌زمینی یکی از مهم‌ترین عوامل خسارت‌زا و محدودکننده کشت سیب‌زمینی می‌باشد. گیاهان با استفاده از مکانیسم‌های تحمل یا مقاومت به تنش، از طریق تنظیم بیان ژن‌ها در سطوح مختلف رونویسی، پس از رونویسی و ترجمه، با شرایط آسیب‌رسان مقابله می‌کنند. بنابراین عوامل تنظیمی، در کنترل بیان ژن‌ها تحت انواع تنش‌ها نقش بسیار مهمی دارند. یکی از مهم‌ترین عناصر تنظیم‌کننده ژن‌ها RNAهای بلند غیرکدکننده می‌باشند. پژوهش حاضر با هدف شناسایی lncRNAها و بررسی تغییرات بیان آن‌ها در گیاهچه‌های سیب‌زمینی آلوده به PVY انجام شد.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش از نرم افزار CLC Genomic Workbench به منظور تجزیه و تحلیل داده‌ها استفاده شد. پس از شناسایی lncRNAها، ژن‌های تحت تاثیر آن‌ها نیز مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. سپس تجزیه و تحلیل هستی-شناسی ژن و مسیرهای KEGG با استفاده از String analysis انجام شد و در نهایت برهمکنش بین lncRNAهای شناسایی شده و miRNAهای سیب‌زمینی مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج: طبق نتایج به‌دست آمده در مجموع 3742 توالی به‌عنوان lncRNA در ترنسکریپتوم سیب‌زمینی آلوده به ویروس PVY شناسایی شد که از بین آن‌ها 769 عدد دارای بیان افتراقی بودند. به‌طوری‌که 310 lncRNA در شرایط آلودگی سیب-زمینی به PVY کاهش بیان و 459 عدد افزایش بیان نشان دادند. بررسی هستی‌شناسی ژن‌های هم‌بیان با lncRNAهای شناسایی شده نشان‌دهنده نقش حیاتی این ژن‌ها در فرآیندهای زیستی مختلف، بیوسنتز ترکیبات سلولی، تشکیل کمپلکس‌های پروتئینی و انتقال سیگنال‌ها می‌باشد. همچنین ژن‌های دخیل در فرآیندهای بیولوژیکی مرتبط با ایجاد پاسخ‌های دفاعی در برابر تنش، ایجاد واکنش فوق حساسیت، متابولیسم ترهالوز، پاسخ‌های ضدویروسی مرتبط با خاموشی RNA و مسیرهای پیام‌دهی به منظور القای مقاومت سیستمیک، با lncRNAهای شناسایی شده در تحقیق حاضر هم‌بیان بودند. نتایج بررسی شبکه هم‌بیانی lncRNAها با miRNAها نشان‌دهنده برهمکنش 56 lncRNA با 5 miRNA بود. بیشترین برهمکنش بین lncRNAها با stumiR6024-3p مشاهده شد.
نتیجه‌گیری: با توجه به برهمکنش بین lncRNAهای بررسی شده با ژن‌های دخیل در ایجاد پاسخ‌های دفاعی در برابر تنش، استنباط می‌شود که تغییرات بیان این lncRNAها بخش مهمی از مکانیسم پاسخ به بیماری ویروسی باشد. نتایج حاصل می-تواند گامی در جهت درک بهتر lncRNAها و عملکرد آن‌ها در توسعه ارقام متحمل و مقاوم به PVY باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Identifying and Predicting the Function of Long non-coding RNAs in the Expression Profile of PVY Infected Potato

نویسندگان [English]

  • Elham Mahmoodi 1
  • Saeid Nasrollanejad 2
  • Seyed Esmaeil Razavi 3
  • Rahim Ahmadvand 4
  • Masood Tohidfar 5
  • Mahdi Alizadeh 6
1 Ph.D. Student, Department of Plant Pathology, Faculty of Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
2 *Corresponding author. Associate Professor, Department of Plant Pathology, Faculty of Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
3 Assistant Professor, Department of Plant Pathology, Faculty of Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
4 Associate Professor, Seed and Plant Improvement Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization, Karaj, Iran. E-mail address: ahmadvandra@gmail.com
5 Professor, Department of Cell and Molecular Biology, Faculty of Life Sciences and Biotechnology, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.
6 Associate Professor, Department of Horticultural Sciences, Faculty of Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
چکیده [English]

Objective
Potato Virus Y is one of the most important damaging and limiting factors of potato cultivation. Plants cope with harmful conditions by regulating the expressions of genes at different levels including transcription, post-transcription and translation, using stress tolerance or resistance mechanisms. Therefore, regulatory factors play a very important role in gene expression regulation under stress conditions. Long non-coding RNAs are one of the most important regulatory elements of genes. The present study was conducted with the aim of identifying lncRNAs and investigation of their expression changes in PVY infected potato plants.
Materials and methods
In this research CLC Genimic Workbench software was used for data analysis. After identifying lncRNAs, the genes affected by them were also analyzed. Then, Gene Ontology enrichment and KEGG pathway analysis were performed using STRING analysis and finally, the interactions between the identified lncRNAs and potato miRNAs were investigated.
Results
According to the obtained results, a total of 3742 sequences were identified as novel lncRNAs in PVY infected potato transcriptome, of which 769 were differentially expressed. So that 310 lncRNAs were down-regulated and 459 were up-regulated in potato in response to PVY infection. Gene Ontology analysis of co-expressed genes with identified lncRNAs show the vital role of these genes in various biological processes, biosynthesis of cellular components, protein complex formation and signal transduction. Also, genes involved in biological processes related to creating defense response against stress, hypersensitive reaction, trehalose metabolism, antiviral responses related to RNA silencing and signaling pathways to induce systemic resistance, were co-expressed with identified lncRNAs in this study. The results of co-expression network between lncRNAs and miRNAs showed interactions between 56 lncRNAs and 5 miRNAs. The most interaction was observed between lncRNAs with stumiR6024-3p.
Conclusions
Considering the interactions between examined lncRNAs and the genes involved in defense responses against stress, it is concluded that the expression changes of these lncRNAs are an important part of the response mechanism to viral disease. The obtained results can be a step towards a better understanding of lncRNAs and their function in the development of PVY tolerance and resistance cultivars.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Transcriptome
  • RNA sequencing
  • long non-coding RNA

مراجع

جعفری احمدآبادی سید علی اصغر، عسکری‌همت حشمت‌اله، محمدآبادی محمدرضا (1402) تاثیر شاهدانه بر بیان ژن DLK1 در بافت‌ قلب بره‌های کرمانی. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی، 15(1)، 217-234.
رافعی مهرنوش، عامریان محمدرضا، سرخی بهزاد، حیدری پرویز، اصغری حمیدرضا (1398) اثر براسینواستروئید برعملکرد دانه، برخی از صفات فیزیولوژیکی و بیان ژن‌های مرتبط با مسیر سیگنالینگ این هورمون در گندم تحت تنش خشکی. مجله پژوهش‌های ژنتیک گیاهی، 6(2)، 157-172.
رئیسی ساداتی سیده یلدا، جهانبخش گده‌کهریز سدابه، عبادی علی، صدقی محمد (1399) مطالعه الگوی بیان برخی عوامل رونویسی در گندم تحت تنش خشکی و تاثیر نانوذره روی. مجله پژوهش‌های ژنتیک گیاهی، 7(2)، 135-144.
شکری سمیرا، خضری امین، محمدآبادی محمدرضا، خیرالدین حمید (1402) بررسی بیان ژن MYH7  در بافت‌های ران، دست و راسته بره‌های پرواری نژاد کرمانی. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی، 15(2)، 217-236.
محمدآبادی محمدرضا، گلکار افروز، عسکری حصنی مجید (1402) اثر رازیانه (Foeniculum vulgare) بر بیان ژن فاکتور 1 رشد شبه انسولین در بافت شکمبه گوسفند کرمانی. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی، 15(4)، 239-256.
References
Amor BB, Wirth S, Merchan F, et al. (2009) Novel long non-protein coding RNAs involved in Arabidopsis differentiation and stress responses. Genome Res 19, 57-69.
Amorim MF, Willing EM, Szabo EX, et al. (2018) The U1 snRNP subunit LUC7 modulates plant development and stress responses via regulation of alternative splicing. The Plant Cell 30, 2838-2854.
Barazandeh A, Mohammadabadi MR, Ghaderi-Zefrehei M, Nezamabadipour H (2016a) Predicting CpG Islands and Their Relationship with Genomic Feature in Cattle by Hidden Markov Model Algorithm. Iran J Appl Anim Sci 6 (3), 571-579.
Barazandeh A, Mohammadabadi MR, Ghaderi-Zefrehei M, Nezamabadipour H (2016b) Genome-wide analysis of CpG islands in some livestock genomes and their relationship with genomic features. Czech J Anim Sci 61, 487.
Bordbar F, Mohammadabadi M, Jensen J, et al. (2022) Identification of candidate genes regulating carcass depth and hind leg circumference in simmental beef cattle using Illumina Bovine Beadchip and next-generation sequencing. Animals 12 (9), e1103.
Cao W, Gan L, Wang C, et al. (2021) Genome-wide identification and characterization of potato long non-coding RNAs associated with Phytophthora infestans resistance. Front Plant Sci 12, 619062.
Chen LL, Carmichael GG (2010) Decoding the function of nuclear long noncoding RNAs. Curr Opin Cell Biol 22, 357-364.
Cho J (2018) Transposon-derived non-coding RNAs and their function in plants. Front Plant Sci 9, 600.
Dai X, Zhuang Z, Zhao PX (2017) psRNATarget: a plant small RNA target analysis server (2017 release). Nucleic Acids Res 46, 49-54.
Dinger ME, Pang KC, Mercer TR, et al. (2009) NRED: a database of long noncoding RNA expression. Nucleic Acids Res 37, 123-126.
Dupuis B, Nkuriyingoma P, Ballmer T (2023) Economic impact of Potato Virus Y (PVY) in Europe. Potato Res 1-18.
FAO (2020) Statistical databases: agricultural data. http://faostat.fao.org.
Glushkevich A, Spechenkova N, Fesenko I, et al. (2022) Transcriptomic reprogramming, alternative splicing and RNA methylation in potato (Solanum tuberosum L.) plants in response to Potato Virus Y infection. Plants 11 (5), 635.
Hashimoto M, Neriya Y, Yamaji Y, Namba S (2016) Recessive resistance to plant viruses: potential resistance genes beyond translation initiation factors. Front Microbiol 7, 1695.
Hirsch J, Lefort V, Vankersschaver M, et al. (2006) Characterization of 43 non-protein-coding mRNA genes in Arabidopsis, including the MIR162a-derived transcripts. J Plant Physiol 140, 1192-1204.
Jafari Ahmadabadi SAA, Askari-Hemmat H, Mohammadabadi M, et al. (2023) The effect of Cannabis seed on DLK1 gene expression in heart tissue of Kermani lambs. Agric Biotechnol J 15 (1), 217-234 (In Persian).
Jha UC, Nayyar H, Jha R, et al. (2020) Long non-coding RNAs: emerging players regulating plant abiotic stress response and adaptation. BMC Plant Biol 20, 466.
Kang YJ, Yang DC, Kong L, et al. (2017) CPC2: a fast and accurate coding potential calculator based on sequence intrinsic features. Nucleic Acids Res 45, 12-16.
Karasev AV, Gray SM (2013) Continuous and emerging challenges of Potato virus Y in potato. Annu Rev Phytopathol 51, 571-586.
Kozomara A, Birgaoanu M, Griffiths-Jones S (2019) miRbase: from microRNA sequences to function. Nucleic Acids Res 8:47, 155-162.
Kumar K, Chakraborty S (2021) Roles of long non-coding RNAs in plant virus interactions. J Plant Biochem Biotechnol 30, 684-697.
Li L, Eichten SR, Shimizu R, et al. (2014) Genome-wide discovery and characterization of maize long non-coding RNAs. Genome Biol 15, 1-15.
Liu J, Jung C, Xu J, et al. (2012) Genome-wide analysis uncovers regulation of long noncoding RNAs in Arabidopsis. The Plant Cell 24, 4333-4345.
Masoudzadeh, S.H., Mohammadabadi, M.R., Khezri, A., et al. (2020) Dlk1 gene expression in different Tissues of lamb. Iran J Appl Anim Sci 10, 669-677.
Mohamadipoor L, Mohammadabadi M, Amiri Z, et al. (2021) Signature selection analysis reveals candidate genes associated with production traits in Iranian sheep breeds. BMC Vet Res 17 (1), 1-9.
Mohammadabadi M, Golkar A, Askari Hesni M (2023) The effect of fennel (Foeniculum vulgare) on insulin-like growth factor 1 gene expression in the rumen tissue of Kermani sheep. Agric Biotechnol J 15 (4), 239-256 (In Persian).
Mohammadabadi M, Masoudzadeh SH, Khezri A, et al. (2021) Fennel (Foeniculum vulgare) seed powder increases Delta-Like Non-Canonical Notch Ligand 1 gene expression in testis, liver, and humeral muscle tissues of growing lambs. Heliyon 7 (12), e08542.
Mohammadinejad F, Mohammadabadi M, Roudbari Z, Sadkowski T (2022) Identification of Key Genes and Biological Pathways Associated with Skeletal Muscle Maturation and Hypertrophy in Bos taurus, Ovis aries, and Sus scrofa. Animals 12 (24), 3471.
Nejat N, Mantri N (2017) Emerging role of long non-coding RNAs in plant response to biotic and abiotic stresses. Crit Rev Biotechnol 38, 93-105.
Ospankulova G, Khassanov V, Kamanova S et al. (2022) Effect of infection of potato plants by Potato virus Y (PVY), Potato virus S (PVS), and Potato virus M (PVM) on content and physicochemichal properties of tuber starch. Food Sci Nutr 11, 4002-4009.
Patra GK, Gupta D, Rout GR, Panda SK (2023) Role of long non coding RNA in plants under abiotic stresses. Plant Physiol Biochem 194, 96-110.
Raeesi Sadati SY, Jahanbakhsh Godehkahriz S, Ebadi A, Sedghi M (2021) Study of expression pattern of some transcription factors in wheat under drought stress and zinc nanoparticles. Plant Genet Res 7 (2), 135-144. (in Persian).
Rafeie M, Amerian MR, Sorkhi B, et al. (2019) Effect of exogenous brassinosteroid application on grain yield, some physiological traits and expression of genes related to this hormone signaling pathway in wheat under drought stress. Plant Genet Res 6, 157-172. (in Persian).
Ross BT, Zidack N, McDonald R, Flenniken ML (2022) Transcriptome and small RNA profiling of Potato virus Y infected potato cultivars, including systematically infected Russet Burbank. J Viruses 14, 523.
Safaei SMH, Dadpasand M, Mohammadabadi M, et al. (2022) An Origanum majorana Leaf Diet Influences Myogenin Gene Expression, Performance, and Carcass Characteristics in Lambs. Animals 13 (1), e14.
Shafiq S, Li J, Sun Q (2015) Functions of plant long non-coding RNAs. Biochim Biophys Acta 1867, 165957.
Shahsavari M, Mohammadabadi M, Khezri A, et al. (2022) Effect of Fennel (Foeniculum Vulgare) Seed Powder Consumption on Insulin-like Growth Factor 1 Gene Expression in the Liver Tissue of Growing Lambs. Gene Express 21 (2), 21-26.
Sharma S, Taneja M, Tyagi S, et al. (2017) Survey of high throughput RNA-Seq data reveals potential roles for lncRNAs during development and stress response in bread wheat. Front Plant Sci 8, 1019.
Shannon P, Markiel A, Ozier O et al. (2003) Cytoscape: a software environment for integrated models of biomolecular interaction networks. Genome Res 13 (11), 2498-2504.
Shokri S, Khezri A, Mohammadabadi M, Kheyrodin H (2023). The expression of MYH7 gene in femur, humeral muscle and back muscle tissues of fattening lambs of the Kermani breed. Agric Biotechnol J 15 (2), 217-236 (In Persian).
Singh U, Khemka N, Rajkumar MS, et al. (2017) PLncPRO for prediction of long non-coding RNAs (lncRNAs) in plants and its application for discovery of abiotic stress-responsive lncRNAs in rice and chickpea. Nucleic Acids Res 45, 22.
Solomon-Blackburn RM, Barker H (2001) A review of host major-gene resistance to potato viruses X, Y, A and V in potato: gene, genetics and mapped location. J Hered 86, 8-16.
Sun Y, Zhang H, Fan M, et al. (2020) Genome-wide identification of long non-coding RNAs and circular RNAs reveal their ceRNA networks in response to cucumber green mottle mosaic virus infection in watermelon. Arch Virol 165, 1177-1190.
Szklarczyk D, Kirsch R, Koutrouli M, et al. (2023) The STRING database in 2023: protein-protein association networks and functional enrichment analyses foe any sequenced genome of interest. Nucleic Acids Res 51, 638-646.
Tarifeno-Saldivia E, Valenzuela-Miranda D, Gallardo-Escarate C (2017) In the shadow: the emerging role of long non-coding RNAs in the immune response of Atlantic salmon. Dev Comp Immunol 73, 193-205.
Trivedi PK, Asif MH (2019) Updates on plant long non-coding RNAs (lncRNAs): the regulatory components. PCTOC 140, 259-269.
Wang Y, Wang X, Deng W, et al. (2014) Genome features and regulatory roles of intermediate-sized non-coding RNAs in Arabidopsis. Mol Plant 7, 514-527.
Wang J, Yu W, Yang Y, et al. (2015) Genome-wide analysis of tomato long non-coding RNAs and identification as endogenous target mimic for microRNA in response to TYLCV infection. Sci Rep 5, 16946.
Waseem M, Liu Y, Xia R (2021) Long non-coding RNAs, the dark matter: an emerging regulatory component in plants. Int J Mol Sci 22, 86.
Wu X, Valli A, Antonio Garcia J, et al. (2019) The tug-of-war between plants and viruses: great progress and many remaining questions. J Viruses 11, 203.
Xin M, Wang Y, Yao Y, et al. (2011) Identification and characterization of wheat long non-protein coding RNAs responsive to powdery mildew infection and heat stress by using microarray analysis and SBS sequencing. BMC Plant Biol 11, 61.
Yang Y, Liu T, Shen D, et al. (2019) Tomato yellow leaf curl virus intergenic siRNAs target a host long noncoding RNA to modulate disease symptoms. PLOS Pathog 15, 1.
Zhan X, Qian B, Cao F, et al. (2017) An Arabidopsis PWI and RRM motif-containing protein is critical for pre-mRNA splicing and ABA responses. Nat Commun 6, 8139.
Zhang C, Tang G, Peng X, et al. (2018) Long non-coding RNAs of switchgrass (Panicum virgatum L.) in multiple dehydration stresses. BMC Plant Biol 18, 79.
Zhang H, Guo H, Hu W, Ji W (2020a) The emerging role of long non-coding RNAs in plant defense against fungal stress. Int J Mol Sci 21, 2659.
Zhang T, Liang Q, Li C, et al. (2020b) Transcriptome analysis of rice reveals the lncRNA-mRNA regulatory network in response to Rice Black-Streaked Dwarf Virus infection. J Viruses 12, 951.
Zhang W, Han Z, Guo Q, et al. (2014a) Identification of maize long non-coding RNAs responsive to drought stress. PLOS ONE 9, 6.
Zhang YC, Liao JY, Li ZY, et al. (2014b) Genome-wide screening and functional analysis identify a large number of long noncoding RNAs involved in the sexual reproduction of rice. Genome Biol 15, e512.
Zheng W, Hu H, Lu Q, et al. (2021) Genome-wide identification and characterization of long noncoding RNAs involved in Chinese Wheat Mosaic Virus infection of Nicotiana benthamiana. J Biol 10, e232.
Zhou Y, Cho WK, Byun HS, et al. (2019) Genome-wide identification of long non-coding RNAs in tomato plants irradiated by neutrons followed by infection with Tomato Yellow Leaf Curl Virus. Peer J 28, e7.
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 16، شماره 2
خرداد 1403
صفحه 109-130

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار