آنالیز مقایسه‌ایی متابولیت‌ها به منظور شناسایی ژنوتیپ‌های با کارایی انتقال مجدد بالا در مرحله پرشدن دانه جو در پاسخ به تنش خشکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه زیست شناسی سلولی مولکولی ، دانشکده علوم و فناوری زیستی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.

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

3 گروه زیست‌شناسی سیستم‌ها، پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی ایران، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج ایران

4 گروه زیست‌شناسی سیستم‌ها، پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی ایران، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج ایران.

5 استاد، گروه علوم مولکولی، دانشگاه مک کواری، سیدنی 2109، NSW، استرالیا

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

7 استاد، موسسه ژنتیک گیاهی و تحقیقات گیاهان زراعی لایبنیز، سیلند، آلمان

چکیده

هدف: شرایط خشکی انتهایی در مرحله پر شدن دانه یکی از عوامل اصلی محدودکننده عملکرد جو است. در شرایط تنش، به دلیل محدودیت فتوسنتز جاری، اهمیت ذخیره بیشتر ساقه و سهم آن در تولید محصول نهایی قابل توجه خواهد بود. میانگره پنالتیمیت در میان سایر میانگره‌‌های ساقه بیشترین نقش را در انتقال مجدد ایفا می‌‌کند. هدف این مطالعه .بررسی تحمل به خشکی دو رقم و یک لاین جو با درجات مختلف انتقال مجدد مواد و همچنین بررسی آنالیز متابولیتی مقایسه­‌ای بر روی میانگره‌های پنالتیمیت سه ژنوتیپ جو یوسف (متحمل)، موروکو (حساس) و لاینPBYT17  (نیمه متحمل) طی شرایط خشکی انتهایی بود.
مواد و روش‌ها: ارزیابی آنالیز متابولومیکس ژنوتیپ‌های جو (یوسف، موروکو و لاین PBYT17) در پاسخ به تنش خشکی در 21 و 28 روز بعد از اعمال تنش خشکی در مرحله پرشدن دانه انجام شد. همچنین بررسی قابلیت انتقال مجدد پنالتیمیت­های ساقه­ی ژنوتیپ­های یوسف، موروکو و PBYT17 در پاسخ به خشکی صورت گرفت. شناسایی پروفایل متابولیت‌‌ها که شامل 17 متابولیت از جمله قندهای محلول، قند فسفات، نوکلئوتید قند، اسیدهای آلی، متابولیت‌‌‌‌‌های فسفریله و نوکلئوتیدها بود.
نتایج: نتایج حاصل از داده‏‌‌های متابولومیکس نشان داد که رقم یوسف کارایی معنی‏‌دار بالاتری نسبت به ارقام دیگر در انتقال مجدد، مربوط به پنالتیمیت داشت. در میان ژنوتیپ‌‌های مورد بررسی، 17 متابولیت شناسایی شدند. میزان ذخایر انتقال یافته و مقدار کارایی انتقال مجدد به طور معنی­داری در بین ژنوتیپ­های مختلف متفاوت بود. دو رقم یوسف و موروکو به ترتیب با بالاترین و کمترین کارایی انتقال مجدد در شرایط تنش، برخوردار بودند. نتایج ما نشان داد که ژنوتیپ متحمل با استفاده از افزایش UDP-گلوکز و گلوکز 6 فسفات، منجر به تولید تره‌هالوز 6 فسفات شد که نقش کلیدی در انتقال مجدد مواد در ساقه به عهده دارد.
نتیجه‌گیری: به طور کلی نتایج حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد که متابولیتهای موثر در انتقال مجدد ذخایر ساقه می‌تواند نقشی اصلی در حفظ عملکرد گیاهان جو طی تنش خشکی آخر فصل ایفا نماید و این موضوع می­تواند راهکارهایی هدفمند برای افزایش عملکرد ژنوتیپ‌های موردنظر جو که با تنش خشکی آخر فصل مواجه می‌شوند به کار گرفته شود. این مطالعه ممکن است جهت گیری‌‌های بالقوه و منابع ارزشمندی را برای مطالعه بیشتر تنش خشکی در جو فراهم کند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Comparative analysis of metabolites in order to identify genotypes with high remobilization efficiency in barley grain filling stage in response to drought stress

نویسندگان [English]

  • Zohreh Hajibarat 1
  • Abbas Saidi 2
  • Mohammad reza Ghaffari 3
  • Mehrshad Zeinalabedini 4
  • Ghasem Hosseini Salekdeh 5
  • Ahmad Mousapour Gorji 6
  • Mohammadreza Hajirezai 7
1 Department of Cell and Molecular biology,, Faculty of Life Sciences and Biotechnology, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Professor of Plant Biotechnology, Faculty of Life Sciences and Biotechnology, Shahid Beheshti University. Tehran, Iran.
3 Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran, Department of Systems and Synthetic Biology, Karaj, Iran. Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Iran.
4 Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran, Department of Systems and Synthetic Biology, Karaj, Iran. Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Iran.
5 Professor, Department of Molecular Sciences, Macquarie University, Sydney 2109, NSW, Australia.
6 Department of Vegetable Research, Seed and Plant Improvement Institute (SPII), Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Karaj, Iran.
7 Professor, Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK), Corrensstr. 3, OT Gatersleben, 06466 Seeland, Germany.
چکیده [English]

Objective
Drought conditions at the terminal of grain filling stage are one of the main factors limiting barley yield. In stressful conditions, due to the limitation of current photosynthesis, the importance of storing more stems and its contribution to the production of the final product will be significant. Among other internodes of the stem, the penultimate internode plays the most important role in remobilization. The aim of this study is to investigate the drought tolerance of two cultivars and one line of barley with different degrees of remobilize of substances and also to investigate the comparative metabolic analysis on the penultimate internodes of three genotypes of barley Yousef (tolerant), Morocco (sensitive) and line PBYT17 (semi-tolerant) under the terminal of grain filling stage
Materials and methods
Evaluation of metabolomics analysis of barley genotypes (Yousef, Morocco and line PBYT17) in response to drought stress was carried out 21 and 28 days after the application of drought stress in the grain filling stage. Also, the ability to remobilize stem penultimates of Yusuf, Morocco and PBYT17 genotypes in response to drought was investigated. Identification of metabolites profile which included 17 metabolites including soluble sugars, sugar phosphate, sugar nucleotide, organic acids, phosphorylated metabolites and nucleotides.
Results
The results obtained from the metabolomics data showed that Youssef cultivar had a significantly higher efficiency than other cultivars in retransmission, related to penultimate. Among the investigated genotypes, 17 metabolites were identified. The amount of transferred reserves and the amount of remobilization efficiency were significantly different among different genotypes. Two cultivars Yousef and Morocco had the highest and lowest remobilization efficiency under stress conditions, respectively. Our results showed that the tolerant genotype, by increasing UDP-glucose and glucose-6-phosphate, led to the synthesis of trehalose-6-phosphate, which plays a key role in remobilization materials in the stem.
Conclusions
In general, the results of this research show that the effective metabolites in the remobilze of stem reserves can play a major role in maintaining the performance of barley plants during the drought stress at the end of the season, and this issue can be targeted solutions to increase the genotype performance. The desired varieties of barley that face drought stress at the end of the season should be used. This study may provide potential directions and valuable resources for further study of drought stress in the barley.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Barley
  • Drought stress
  • Metabolomics
  • Penultimate
  • Soluble sugar

مراجع

Abouzar M, Shahbazi M, Torabi S, et al. (2012) Post-anthesis changes in internodes dry matter, stem mobilization and their relation to the grain Yield of Barley (Hordeum vulgare L.). Iran J Plant Physiol 2, 553-557.
Afsharianzadeh R, Heravan EM, Nasri M, et al. (2024) Water stress affect water relations, photosynthesis and oxidative defense mechanism in wheat (Triticum aestivum L.). Emir J Food Agric 36, 1-11.
Albahri G, Alyamani AA, Badran A, et al. (2023) Enhancing essential grains yield for sustainable food security and bio-safe agriculture through latest innovative approaches. Agronomy 13, e1709.
Araújo WL, Nunes-Nesi A, Nikoloski Z, et al. (2012) Metabolic control and regulation of the tricarboxylic acid cycle in photosynthetic and heterotrophic plant tissues. Plant Cell Environ 35, 1–21.
Bannayan M, Sanjani S, Alizadeh A, et al. (2010) Association between climate indices, aridity index, and rainfed crop yield in northeast of Iran. Field Crops Res 118, 105-114.
Barazandeh A, Mohammadabadi MR, Ghaderi-Zefrehei M, Nezamabadipour H (2016) Predicting CpG Islands and Their Relationship with Genomic Feature in Cattle by Hidden Markov Model Algorithm. Iran J Appl Anim Sci 6, 571-579.
Cramer GR, Ergul A, Grimplet J, et al. (2007) Water and salinity stress in grapevines: early and late changes in transcript and metabolite profiles. Funct Integr Genomic 7, 111–134. 
Ehdaie B, Alloush GA, Waines JG (2008) Genotypic variation in linear rate of grain growth and contribution of stem reserves to grain yield in wheat. Field Crops Res106, 34-43.
Fichtner F, Lunn JE (2021) The role of trehalose 6-phosphate (Tre6P) in plant metabolism and development. Annu Rev Plant Biol 72, 737-360.
Figueroa CM, Feil R, Ishihara H, et al. (2016) Trehalose 6–phosphate coordinates organic and amino acid metabolism with carbon availability. Plant J 85, 410-423.
Francia E, Rizza F, Cattivelli L, et al. (2004) Two loci on chromosome 5H determine low-temperature tolerance in a ‘Nure’(winter)בTremois’(spring) barley map. Theor Appl Genet 108, 670-680.
Ghaffari MR, Ghabooli M, Khatabi B, et al. (2016) Metabolic and transcriptional response of central metabolism affected by root endophytic fungus Piriformospora indica under salinity in barley. Plant Mol Biol 90, 699-717.
Guo M, Shao Z, Zheng Z, et al. (2023) Downregulation of ferredoxin-NADP+ oxidoreductase enhances oxidized pentose phosphate pathway via NADPH/NADP+ ratio in the strong resurrection intertidal red alga Neopyropia yezoensis with economic value. Algal Res 74, e103204.
Guo R, Shi L, Jiao Y, et al. (2018) Metabolic responses to drought stress in the tissues of drought-tolerant and drought-sensitive wheat genotype seedlings. AoB Plants 10(2), ply016.
Höller S, Hajirezaei MR, von Wirén N, et al. (2014) Ascorbate metabolism in rice genotypes differing in zinc efficiency. Planta 239, 367-379.
Hoyle A, Brennan M, Rees L, et al. (2020) Post-anthesis water-stressed barley maintains grain specific weight through altered grain composition and plant architecture. Plants 9, e1564.
Janse van Rensburg HC, Van den Ende W (2018) UDP-glucose: a potential signaling molecule in plants?. Front Plant Sci 8, e2230.
Jorge TF, Rodrigues JA, Caldana C, et al. (2016) Mass spectrometry-based plant metabolomics: Metabolite responses to abiotic stress. Mass Spectrom. Rev 35, 620-649.
Joudi M, Ahmadi A, Mohamadi V, et al. (2012) Comparison of fructan dynamics in two wheat cultivars with different capacities of accumulation and remobilization under drought stress. Physiol Plant 144, 1–12.
Kang Z, Babar MA, Khan N, et al. (2019) Comparative metabolomic profiling in the roots and leaves in contrasting genotypes reveals complex mechanisms involved in post-anthesis drought tolerance in wheat. PLoS One 14, e0213502.
Kolbe A, Tiessen A, Schluepmann H, et al. (2005) Trehalose 6-phosphate regulates starch synthesis via posttranslational redox activation of ADP-glucose pyrophosphorylase. Proc Natl Acad Sci 102, 11118-11123.
Kosová K, Vítámvás P, Urban MO, et al. (2015) Biological networks underlying abiotic stress tolerance in temperate crops–A proteomic perspective. Int J Mol Sci 16, 20913–20942.
Kunze M, Pracharoenwattana I, Smith SM et al. (2006) A central role for the peroxisomal membrane in glyoxylate cycle function. Biochim Biophys Acta 1763, 1441-1452.
Liu H, Si X, Wang Z, Cao L, et al. (2023) TaTPP‐7A positively feedback regulates grain filling and wheat grain yield through T6P‐SnRK1 signalling pathway and sugar–ABA interaction. Plant Biotechnol J 21, 1159-75.
Ma HL, Xu XH, Zhao XY, et al. (2015) Impacts of drought stress on soluble carbohydrates and respiratory enzymes in fruit body of Auricularia auricula. Biotechnol Biotechnol Equip 29, 10-14.
Meitzel T, Radchuk R, McAdam EL, et al. (2021) Trehalose 6‐phosphate promotes seed filling by activating auxin biosynthesis. New Phytol 229, 1553-1565.
Michaletti A, Naghavi MR, Toorchi M, et al. (2018) Metabolomics and proteomics reveal drought-stress responses of leaf tissues from spring-wheat. Sci Rep 8, 1-8.
Miralles DJ, Abeledo LG, Prado SA, et al. (2021) Barley. InCrop physiology case histories for major crops 164-195. Academic Press.
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, 239-256.
Mohammadabadi M, Kheyrodin H, Afanasenko V, et al. (2024) The role of artificial intelligence in genomics. Agric Biotechnol J 16, 195-279.
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, 3471
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, e14
Samokhvalov V, Ignatov V, Kondrashova M (2004) Inhibition of Krebs cycle and activation of glyoxylate cycle in the course of chronological aging of Saccharomyces cerevisiae. Compensatory role of succinate oxidation. Biochimie 86, 39-46.
Shahsavari M, Mohammadabadi M, Khezri A, et al. (2023) Effect of Fennel (Foeniculum Vulgare) Seed Powder Consumption on Insulin-like Growth Factor 1 Gene Expression in the Liver Tissue of Growing Lambs. Gene Expr 21, 21-26.
Tafresh RS, Shobbar ZS, Shahbazi M, et al. (2023) Role of barley stem reserves in the maintenance of grain yield under terminal drought. Crop Sci 63,1408-1420.
Ullah N, Yüce M, Gökçe ZN (2017) Comparative metabolite profiling of drought stress in roots and leaves of seven Triticeae species. BMC Genom 18, 1-2.
Voss I, Sunil B, Scheibe R, et al. (2013) Emerging concept for the role of photorespiration as an important part of abiotic stress response. Plant Biol 15, 713–722.
Wang G, Li H, Wang K, et al. (2020) Regulation of gene expression involved in the remobilization of rice straw carbon reserves results from moderate soil drying during grain filling. Plamt J 101, 604-618.
Watanabe M, Balazadeh S, Tohge T, et al. (2013) Comprehensive dissection of spatiotemporal metabolic shifts in primary, secondary, and lipid metabolism during developmental senescence in Arabidopsis. Plant Physiol 162, 1290-1310.
Wingler A, Delatte TL, O’Hara LE, et al. (2012) Trehalose 6-phosphate is required for the onset of leaf senescence associated with high carbon availability. Plant Physiol 158, 1241-1251.
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 16، شماره 3
مهر 1403
صفحه 111-132

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار