اثر تنش خشکی برصفات مورفولوژیکی و الگوی بیان پروتئوم برگ گندم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد بیوتکنولوژی کشاورزی، گروه به نژادی و بیوتکنولوژی گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز.

2 استاد، گروه به نژادی و بیوتکنولوژی گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز.

10.22103/jab.2024.22025.1504

چکیده

هدف:
پیشرفت‌های اخیر در روش‌‌های بیولوژی مولکولی این امید را بوجود آورده است که با شناسایی پروتئین‌های کاندیدای تحمل به تنش خشکی، بتوان گام‌های اساسی در افزایش عملکرد گندم برداشت. هدف از این مقاله بررسی اثر تنش خشکی برصفات مورفولوژیکی و الگوی بیان پروتئوم برگ گندم رقم جدید صدرا می‌باشد.

مواد و روش‌ها:
آزمایشی در شرایط گلخانه‌ای و تحت شرایط کنترل شده انجام گردید. به این منظور رقم صدرا در دو سطح آبیاری عادی و تنش کمبود آب با 10 تکرار کشت شد. تنش کمبود آب 20 روز پس از کاشت، به گلدان‌های تحت تیمار تنش اعمال گردید. تجزیه و تحلیل پروتئوم بافت برگی گندم با استفاده از الکتروفورز دو بعدی و رنگ‌آمیزی با آبی کوماسی انجام شد. پس از لکه‌یابی، آزمون t برای درصد حجمی نقاط پروتئینی همانند داده های مورفولوژیکی انجام شد. همچنین روند افزایشی و کاهشی بیان لکه های پروتئینی در اثر تنش کمبود آب بر اساس فاکتور القاء مشخص شدند. شناسایی پروتئین‌های دارای تغییرات بیان به روش طیف سنجی جرمی صورت گرفت.
نتایج:
تجزیه داده های مورفولوژیکی نشان داد که اختلاف بین سطوح تیمار آبیاری برای صفات سطح برگ، طول بوته، وزن تر و خشک ریشه و اندام هوایی و حجم ریشه از نظر آماری معنی‌دار است. تجزیه و تحلیل پروتئوم بافت برگی به روش الکتروفورز دوبعدی نشان داد که از بین 136 لکه پروتئینی قابل تشخیص در رنگ‌آمیزی با آبی کوماسی، تعداد 24 لکه پروتئینی تغییرات بیان معنی‌داری از نظر آماری در شرایط تنش خشکی نسبت به شرایط عادی نشان‌دادند. از این تعداد 10 لکه دارای کاهش بیان و 14 لکه دارای افزایش بیان در شرایط کمبود آب نسبت به شاهد بودند. این لکه‌های پروتئینی بر اساس نقاط ایزوالکتریک و وزن مولکولی مشخص و سپس با استفاده از طیف سنجی جرمی مورد شناسایی قرار گرفتند. پروتئین‌های شناسایی شده در این پژوهش در فرایند گلیکولیز، فتوسنتز، زنجیره انتقال الکترون، چرخه کالوین، متابولیسم کربن، مهار ROS و سم‌زدایی، ساختار سلولی و درگیر در تنش طبقه‌بندی شدند.
نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان می دهد که تنش خشکی بطور معنی داری صفات مورفولوژیکی و الگوی پروتئوم گندم رقم صدرا را تحت تاثیر قرار ی دهد. بررسی تغییرات پروتئوم تحت تنش خشکی می تواند به فهم سازوکار مولکولی درگیر در تحمل خشکی کمک نموده و گامی موثر در راستای تولید ارقام گندم متحمل به شرایط سخت باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of drought stress on morphological traits and proteome expression patterns in wheat leaf

نویسندگان [English]

  • Shaghayegh Aslzad 1
  • Mahmoud Toorchi 2
1 MSc Student, Department of Plant Breeding and Biotechnology, Faculty of Agriculture, University of Tabriz, Tabriz. Iran.
2 Professor of Plant Breeding and Biotechnology Department, Faculty of Agriculture, University of Tabriz, Tabriz. Iran.
چکیده [English]

Recent advances in molecular biology methods have raised hopes that by identifying candidate proteins for drought tolerance, significant steps can be taken to increase wheat yield. The aim of this study is to investigate the effect of drought stress on morphological traits and leaf proteome pattern of the new wheat cultivar, Sadra.
Materials and methods
An experiment was conducted under greenhouse conditions and controlled conditions. Sadra cultivar was grown at two irrigation levels: normal irrigation and water deficit stress with 10 replications. Water deficit stress was applied to the stress treatment pots 20 days after planting. Analysis of wheat leaf tissue proteome was performed using two-dimensional electrophoresis and Coomassie blue staining. After spot detection, the t-test was performed for the volumetric percentage of protein spots as well as morphological data. Moreover, the upregulation and downregulation of protein spots due to water deficit stress were determined based on induction factor. Protein spots with expression changes were identified using mass spectrometry.
Results
Morphological data analysis showed statistically significant differences between irrigation levels for leaf area, plant height, fresh and dry weight of roots and aerial parts, and root volume. Two-dimensional electrophoresis analysis of leaf tissue proteome revealed that out of 136 discernible protein spots in Coomassie blue staining, 24 protein spots showed statistically significant expression changes under drought stress compared to normal conditions. Among these, 10 spots exhibited decreased expression, and 14 spots showed increased expression under water deficit conditions compared to the control. These protein spots were identified based on their isoelectric points and molecular weights and further confirmed using mass spectrometry. The identified proteins in this study were categorized into glycolysis, photosynthesis, electron transport chain, Calvin cycle, carbon metabolism, ROS scavenging and detoxification, cellular structure, and stress response pathways.
Conclusions
The findings suggest that drought stress significantly affects morphological traits and leaf proteome pattern in the Sadra wheat cultivar. Understanding the proteomic changes under drought stress can provide insights into the molecular mechanisms involved in wheat drought tolerance and contribute to the development of more resilient wheat cultivars.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Leaf
  • Mass Spectrometry
  • Proteomics
  • Two-Dimensional Electrophoresis
  • Water deficiency

مراجع

دولت‌آبادی نیما، تورچی محمود، ولیزاده مصطفی، بنده حق علی (1396) بررسی پروتئوم برگ کلزای بهاره تحت تنش شوری. مجله مهندسی ژنتیک و ایمنی زیستی، 6(1)، 65-75.
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.
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
Abhinandan K, Skori L, Stanic M, et al. (2018) Abiotic stress signaling in wheat–an inclusive overview of hormonal interactions during abiotic stress responses in wheat. J Front Plant Sci 9, e734.
Akbari M, Toorchi M (2016) Proteome analysis of wheat (Triticum aestivum L.) root under sodium chloride stress. J Biod Env Sci 8(4), 209-220.
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.
Bates LS, Waldren Ra, Teare I (1973) Rapid determination of free proline for water-stress studies. J Plant Soil 39, 205-207.
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.
Cai B, Li Q, Liu F, et al. (2018) Decreasing fructose‐1, 6‐bisphosphate aldolase activity reduces plant growth and tolerance to chilling stress in tomato seedlings. Physiol Plant 163, 247-258.
Dolatabadi N, Toorchi M, Valizadeh M, Bandehhagh A (2018) The proteomic analysis of leaf in Rapeseed (Brassica napus L) under salt stress. Gen Eng Bios J 9, 64-51 (In Persian).
Food Outlook – Biannual report on global food markets (2023). Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), 11-16,
Ghasemi M, Toorchi M, Aharizad S, Khorshid A (2021) Evaluation of Biochemical Indices to Introduce Superior Genotypes of Sugar Beet (Beta Vulgaris L.) under Water Deficit Stress. J Crop Breed 13, 219-227.
Gu X, Gao Z, Zhuang W, et al. (2013) Comparative proteomic analysis of rd29A: RdreB1BI transgenic and non-transgenic strawberries exposed to low temperature. J Plant Physiol 170, 696-706.
Hajheidari, M., Abdollahian‐Noghabi, M., Askari, H., Heidari, M., Sadeghian, S.Y., Ober, E.S. and Hosseini Salekdeh, G. 2005. Proteome analysis of sugar beet leaves under drought stress. Proteomics, 5(4): 950-960.
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. Agri Biotechnol J 15 (1), 217-234 (In Persian).
Janmohammadi M, Mock H-P, Matros A (2014) Proteomic analysis of cold acclimation in winter wheat under field conditions. Icel Agric Sci 27, 3-15.
 Javed M, Zafar ZU, Ashraf M (2019) Leaf proteome analysis signified that photosynthesis and antioxidants are key indicators of salinity tolerance in canola (Brassica napus L.). Pak J Bot 51, 1955-1968.
Kamal AHM, Kim K-H, Shin K-H, et al. (2010) Abiotic stress responsive proteins of wheat grain determined using proteomics technique. Aust J Crop Sci 4, 196-208.
Kamran RV, Toorchi M, Moghaddam M, Mohammadi H. (2021) The proteomic analysis of spring barley leaves under short-term cold stress. Int J Plant Biol Res 1, 67-78.
Keskin BC (2019) Quantitative mRNA Expression Profiles of Germin-Like and Extensin-Like Proteins under Drought Stress in Triticum aestivum. Int J Life Sci Biotechnology 2, 95-107.
Khalili M, Naghavi MR, Yousefzadeh S (2018) Protein pattern analysis in tolerant and susceptible wheat cultivars under salinity stress conditions. Acta Agric Slov 111, 545–558.
Khalily M (2016) Study of the effect of drought stress on protein patterns and morpho-physiological traits in plants. J of Biosafety 9, 22-33.
Kumar RR, Goswami S, Dubey K, et al. (2019) RuBisCo activase—a catalytic chaperone involved in modulating the RuBisCo activity and heat stress-tolerance in wheat. J Plant Biochem Biotechnol 28, 63-75.
Li Y, Cui J, Zhao Q, et al. (2019) Physiology and proteomics of two maize genotypes with different drought resistance. Biol Plant 63, 519-528.
Liu H, Xing M, Yang W, et al. (2019) Genome-wide identification of and functional insights into the late embryogenesis abundant (LEA) gene family in bread wheat (Triticum aestivum). Sci Rep 9, 13375.
Luo Y, Liu H, Fan Y et al. (2018) Comparative chloroplast proteome analysis of exogenously supplied trehalose to wheat seedlings under heat stress. Photosynthetica 56, 1123-1133.
Maghsoudlou AR, Toorchi M, Shakiba MR (2014) Comparative analyses of wheat leaf proteome under drought stress using 2D-PAGE. J Biodivers Environ Sci 5, 291-298.
Magwanga RO, Lu P, Kirungu JN, et al. (2018) Characterization of the late embryogenesis abundant (LEA) proteins family and their role in drought stress tolerance in upland cotton. BMC Genet 19, 1-31.
Michaletti, A., Naghavi, M.R., Toorchi, M., Zolla, L. and Rinalducci, S. (2018) Metabolomics and proteomics reveal drought-stress responses of leaf tissues from spring-wheat. Sci Rep, 8(1): 5710.
Moghadam A, Taghavi S, Niazi A, et al. (2012) Isolation and in silico functional analysis of MtATP6, a 6-kDa subunit of mitochondrial F. Genet Mol Res 11, 3547-3567.
Mohamadiaza M, Toorchi M (2015) The proteome response of barley root (Hordeum vulgare L.) to cold stress. J Biodivers Environ Sci, . 7, 6, 153-161.
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. Agri Biotechnol J 15 (4), 239-256 (In Persian).
Mohammadabadi M, Kheyrodin H, Afanasenko V, et al. (2024) The role of artificial intelligence in genomics. Agric Biotechnol J 16 (2), 195-279.
Mohammadabadi MR, Asadollahpour Nanaei H (2021) Leptin gene expression in Raini Cashmere goat using Real Time PCR. Agric Biotechnol J 13(1), 197-214.
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.
Naghavi MR, Toorchi M, Zolla L (2020) Evaluation of Protein Pattern and Tolerance Mechanism in Two Cultivars of Wheat under Drought Stress in Seedling Stage. J Crop Breed 12, 42-56.
Ni S, Zhou Y, Chen Y, et al. (2019) Identification of ATP synthase α subunit as a new maternal factor capable of protecting zebrafish embryos from bacterial infection. FASEB J 33(11):12983-13001. doi: 10.1096/fj.201901290R.
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.
Shahbazi S, Toorchi M, Moghaddam M, et al. (2023) Effect of salinity stress on the root proteome pattern of spring bread wheat. J Plant Physiol Breed, 119-139.
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 Expr 21 (2), 21-26. doi.org/10.14218/GE.2022.00017
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. Agri Biotechnol J 15 (2), 217-236 (In Persian).
Toorchi M, Yukawa K, Nouri M-Z, Komatsu S (2009) Proteomics approach for identifying osmotic-stress-related proteins in soybean roots. Peptides 30(12):2108-17. doi: 10.1016/j.peptides.2009.09.006.
Valizadeh-Kamran R, Toorchi M, Moghaddam M, Mohammadi H (2015) Proteomic Analysis of Spring Barley Leaves Under Short Term Cold Stress. Genet Eng Biosaf J 4, 67-78 (In Persian).
Xiong J, Sun Y, Yang Q, et al. (2017) Proteomic analysis of early salt stress-responsive proteins in alfalfa roots and shoots. Proteome Sci 15:19. doi: 10.1186/s12953-017-0127-z.
Zadražnik T, Moen A, Šuštar-Vozlič J (2019) Chloroplast proteins involved in drought stress response in selected cultivars of common bean (Phaseolus vulgaris L.). 3 Biotech 9(9):331. doi: 10.1007/s13205-019-1862-x.
Zang X, Komatsu S (2007) A proteomics approach for identifying osmotic-stress-related proteins in rice. Phytochemistry 68, 426-437.
Zhang M, Lv D, Ge P et al. (2014) Phosphoproteome analysis reveals new drought response and defense mechanisms of seedling leaves in bread wheat (Triticum aestivum L.). J proteomics 109, 290-308.
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 16، شماره 4
دی 1403
صفحه 167-188

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار