بررسی الگوی بیان برخی از ژن‌های آنتی‌اکسیدان و د‌هیدرین در ژنوتیپ‌های گندم دوروم تحت شرایط تنش کم آبی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، گروه بیوتکنولوژی و بهنژادی گیاهی، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران.

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

3 دانشیار پژوهش، موسسه تحقیقات کشاورزی دیم کشور، معاونت سرارود، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرمانشاه، ایران.

4 گروه بیوتکنولوژی و بهنژادی گیاهی ، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران

5 استادیار، گروه بیوتکنولوژی و بهنژادی گیاهی، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران.

10.22103/jab.2024.24084.1619

چکیده

هدف: خشکی به عنوان یکی از مهم‌ترین تنش‌های محیطی شناخته می‌شود که اثرات نامطلوبی بر رشد و توسعه گیاه و در نهایت عملکرد آن دارد. گندم دوروم دامنه سازگاری ویژه‌ای به مناطق مدیترانه‌ای دارد، که غالباً تنش کم آبی یکی از چالش‌های عمده برای دستیابی به حداکثر عملکرد در این مناطق بشمار می‌آید. به منظور بررسی پاسخ مولکولی برخی از ژنوتیپ‌های گندم دوروم انتخاب شده از برنامه‌های به‌نژادی، الگوی بیان ژن‌های آنتی‌اکسیدان شامل کاتالاز (CAT)، آسکوربات پراکسیداز (APX)، گایاکول پراکسیداز (GPX) و سوپراکسیددیسموتاز (SOD) به همراه دو ژن دهیدرین همچون TdDHN15 و TdDHN16 در سه تیمار عدم تنش و تنش‌های ملایم و شدید مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش‌ها: اثر تیمارهای مختلف تنش کم آبی بر تغییرات الگوی بیان ژن‌های CAT، APX، GPX، SOD، TdDHN15 و TdDHN16 در شش ژنوتیپ امیدبخش گندم دوروم به همراه یک رقم شاهد (ذهاب) مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش در شرایط بهینه گلخانه اجرا و تیمارهای تنش کم آبی بر اساس ظرفیت زراعی مزرعه تعیین شدند. پس از استقرار گیاهچه‌ها و سه هفته بعد از اعمال تیمارهای تنش، نمونه‌برداری از برگ‌های جوان صورت گرفت. میزان بیان نسبی ژن‌های مورد نظر هر یک از تیمارهای تنش بر اساس روش Livak and Schmittgen (2001) اندازه‌گیری شد.
نتایج: با توجه به نتایج به دست آمده از تجزیه واریانس داده‌های آزمایشی، اختلاف معنی‌داری بین تیمارهای تنش کم آبی، ژنوتیپ و همچنین اثر متقابل ژنوتیپ و تیمار از نظر بیان نسبی ژن‌های مورد مطالعه مشاهده شد. بیشترین میزان افزایش بیان نسبی در تیمار تنش ملایم مربوط به ژن‌های APX، GPX و SOD و در تیمار تنش شدید مربوط به ژن‌های APX، TdDHN15 و GPX بود. مقایسه الگوی بیان هر یک از ژن‌ها در ژنوتیپ‌های بررسی شده نشان داد ژنوتیپ‌های متحمل (G2، G4 و G5) به همراه رقم شاهد (ذهاب) دارای بیشترین میزان بیان نسبی بودند. بنابراین می‌توان اظهار داشت این ژنوتیپ‌ها توانایی بالایی در کاهش اثرات تنش اکسیداتیو دارند.
نتیجه‌گیری: با توجه به نتایج به دست آمده از این پژوهش مشخص شد ژنوتیپ G2 بواسطه قابلیت بالای آن در تنظیم بیان ژن‌های آنتی-اکسیدان و دهیدرین تحمل بالایی نسبت به تیمارهای تنش کم آبی داشت. از اینرو، بررسی تکمیلی این ژنوتیپ و مطالعه سایر سازوکارهای فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی و ارزیابی عملکرد دانه آن در شرایط مزرعه‌ای می‌تواند اطلاعات مفیدی در رابطه با استفاده از این ژنوتیپ به عنوان یکی از والدین متحمل به خشکی در برنامه‌های دورگ‌گیری با هدف انتقال خصوصیات زراعی مطلوب مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Assessment of expression pattern of some antioxidant and dehydrin genes in durum wheat genotypes under water deficit conditions

نویسندگان [English]

  • Mandana Moradi 1
  • Alireza Etminan 2
  • Reza Mohammadi 3
  • Lia Shooshtari 4
  • Ali Mehras Mehrabi 5
1 Department of Plant Breeding and Biotechnology, Kermanshah Branch, Islamic Azad University, Kermanshah, Iran
2 Department of Plant breeding and Biotechnology, Kermanshah Branch, Islamic Azad University, Kermanshah, Iran
3 Dryland Agricultural Research Institute, Sararood Branch, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Kermanshah, Iran.
4 Department of Plant Breeding and Biotechnology, Kermanshah Branch, Islamic Azad University, Kermanshah, Iran
5 Department of Plant Breeding and Biotechnology, Kermanshah Branch, Islamic Azad University, Kermanshah, Iran.
چکیده [English]

Abstract
Objective
Drought stress is one of the most important environmental stresses that has negative effects on plant growth and development, as well as finally yield performance. Durum wheat has a wide range of adaptability in the Mediterranean regions, where the water deficit is a main challenge to achieving high productivity. In the present study, to investigate the molecular response of some selected durum wheat genotypes from breeding programs, the expression patterns of some antioxidant genes such as catalase (CAT), ascorbate peroxidase (APX), guaiacol peroxidase (GPX), superoxide dismutase (SOD) along with two dehydrin genes including TdDHN16 and TdDHN15 were assessed under control, moderate, severe water deficit stress treatments.
Materials and methods
In the present study, the effects of different water deficit treatments on expression patterns of CAT, APX, GPX, SOD, TdDHN16, and TdDHN15 genes in six promising durum wheat genotypes along with a check cultivar (Zahab) were evaluated. The experiment was performed in an optimal growth conditions in an experimental glasshouse, and water deficit treatments were determined based on the filed capacity method. 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 Livak and Schmittgen (2001).
Results
According to results of combined analysis of variance, the significant differences were observed between water deficit stress treatments, genotypes, and their interaction in terms of relative expression of all studied genes. The highest increasing expression was observed in the moderate treatment for APX, GPX, and SOD genes and in the severe treatment for APX, TdDHN15, and GPX genes. A comparison of the expression patterns of studied genes revealed that tolerant genotypes (G2, G4, and G5) along with check cultivar (Zahab) showed highest relative expression than other genotypes. Hence, it seems that these genotypes have a high ability against oxidative stress.
Conclusion
Our results showed that the genotype G2 due to high ability in regulation of relative expression of antioxidant and dehydrin genes under water deficit stress treatments. Thus, complementary physiological and biochemical assays as well as evaluation of grain yield under field conditions of this genotype could provide useful information regarding to use of it as a drought-tolerant parent in breeding programs with emphasis on the transfer of desirable agronomic features.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Transcription
  • drought stress
  • antioxidant mechanism
  • reactive oxygen species
احمدی جعفر، پورابوقداره علیرضا (1397). مطالعه الگوی بیان ژن­های آنتی­اکسیدان در خویشاوندان وحشی گندم تحت شرایط تنش کم آبی. ژنتیک نوین، 13، 361-353.
جدیدی امید، اطمینان علیرضا، عزیزی­نژاد رضا، پورابوقداره علیرضا، ابراهیمی آسا (1401). بررسی الگی بیان برخی از ژن­های مرتبط با فعالیت آنتی­اکسیدانتی در ژنوتیپ­های امیدبخش جو تحت شرایط تنش شوری. بیوتکنولوژی کشاورزی، 15، 60-43.
References
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 (2018) Expression pattern of anti-oxidant genes in wheat wild relatives under water deficit stress. Modern Genetics, 13, 353-361.
Ahmadi J, Pour-Aboughadareh A, Ourang SF, et al. (2018) Wild relatives of wheat: Aegilops–Triticum accessions disclose differential antioxidative and physiological responses to water stress. Acta Physiol Plant 40, e90.
Ashraf M (2009) Biotechnological approach of improving plant salt tolerance using antioxidants
as markers. Biotechnol Adv 27, 84-93.
Bao F, Du D, An Y, et al. (2017) Overexpression of Prunus mume Dehydrin genes in tobacco enhances tolerance to cold and drought. Front Plant Sci 8, e151.
Beres BL, Rahmani E, Clarke JM, et al. (2020) A systematic review of durum wheat: Enhancing production systems by exploring genotype, environment, and management (G × E × M) synergies. Front Plant Sci 11, e568657.
Buffagni V, Vurro F, Janni M, et al. (2020) Shaping durum wheat for the future: gene expression analyses and metabolites profiling support the contribution of BCAT genes to drought stress response. Front Plant Sci 11, e891.
Cao Y, Xiang X, Geng M, et al. (2017) Effect of HbDHN1 and HbDHN2
genes on abiotic stress responses in Arabidopsis. Front Plant Sci 8, e470.
Chiappetta A, Muto A, Bruno L, et al. (2015) A dehydrin gene isolated from feral olive enhances drought tolerance in Arabidopsis transgenic plants. Front Plant Sci 6, e392.
De Santis MA, Soccio M, Laus MN, Flagella Z (2021) Influence of drought and salt stress on durum wheat grain quality and composition: A review. Plants 10, e2599.
Dure L, Crouch M, Harada J, et al. (1989) Common amino acid sequence domains among the LEA proteins of higher plants. Plant Mol Biol 12, 475-486.
Eftekhari A, Baghizadeh A, Yaghoobi MM, Abdolshahi R (2017) Differences in the drought stress response of DREB2 and CAT1 genes and evaluation of related physiological parameters in some bread wheat cultivars. Biotechnol Biotechnol Equip 31, 709-716.
Ewa M, Kalemba A, Stanisawa P (2007) Possible roles of LEA proteins and sHSPs in seed protection. Biological Lett 44, 3-16.
Ghorbani S, Etminan A, Rashidi V, et al. (2023) Delineation of physiological and transcriptional responses of different barley genotypes to salt stress. Cereal Res Commun 51, 367–377.
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.
Hand SC, Menze MA, Toner M, et al. (2011) LEA proteins during water stress: not just for plants anymore. Annu Rev Physiol 73, 115-34.
Hekimi S, Noë A, Branicky R, Wang Y (2018) Superoxide dismutases: Dual roles in controlling ROS damage and regulating ROS signaling. Journal of Cell Biology 217, 1915–1928.
Hossain MS, Dietz KJ (2016) Tuning of redox regulatory mechanisms, reactive oxygen species
and redox homeostasis under salinity stress. Front Plant Sci 7, e548.  
IGC (2021) The International Grains Council. https://www.igc.int/en/default.aspx
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.
Jadidi O, Etminan A, Aziziezhad R, et al. (2023)
Investigation of expression pattern for some genes related to antioxidant activities in
promising genotypes of barley under salinity stress conditions. Agric
Biotechnol J 15, 43-60.
Kosová K, Klíma M, Prášil IT, Vítámvás P (2021) COR/LEA Proteins as Indicators of Frost Tolerance in Triticeae: A Comparison of Controlled versus Field Conditions. Plants 10, e789.
Lascano R, Munoz N, Robert G, et al. (2005) Paraquat: An Oxidative Stress Inducer. In Herbicide—Properties, Synthesis and Control of Weeds; Hasaneen, M.N., Ed.; InTech: London, UK.
Leonardis AMD, Marone D, Mazzucotelli E, et al. (2007) Durum wheat genes up-regulated in the early phases of cold stress are modulated by drought in a developmental and genotype dependent manner. Plant Sci 172, 1005-1016.
Lightfoot DL, Mcgrann GRD, Able AJ (2017) The role of a cytosolic superoxide dismutase in
barley-pathogen interactions. Mol Plant Pathol 18, 323-335.
Liu X, Liu Z, Niu X, et al. (2019) Genome-wide identification and analysis
of the NPR1-like gene family in bread wheat and its relatives. Int J Mol Sci 20, e5974.
Livak KJ, Schmittgen TD (2001) Analysis of relative gene expression data using Real-Time Quantitative PCR and the 2–∆∆ct method. Methods 25, 402-408.
Lorkowski S, Paul C (2004) Highthroughput analysis of mRNA expression: microarrays are not the whole story. Expert Opin Ther Pat 14, 377-403.
Maruyama K, Sakuma Y, Kasuga M, et al. (2004) Identification of cold-inducible downstream genes of the Arabidopsis DREB1A/CBF3. Plant J
38, 982-993.
Noctor G, Reichheld JP, Foyer CH (2018) ROS-related redox regulation and signaling in plants. Semin Cell Dev Biol 80, 3–12.
Olivoto T, Lucio AD (2020) Metan: an R package for multi environment trial analysis. Methods Ecol Evol 11, 783-789.
Panchuk II, Zentgraf U, Volkov RA (2005) Expression of the APX gene family during leaf
senescence of Arabidopsis thaliana. Planta 222, 926–932.
Pour-Aboughadareh A, Jadidi O, Shooshtari L, et al. (2022) Association analysis for some biochemical traits in wild relatives of wheat under drought stress conditions. Genes 13, e1491.
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, 415-415.
Samarah NH, Mullen RE, Cianzio SR, Scott P (2006) Dehydrin-like proteins in soybean seeds in response to drought stress during seed filling. Crop Sci 46, 2141–2150.
Shafi A, Chauhan R, Gill T, Swarnkar MK, et al. (2015) Expression of SOD and APX genes positively regulates secondary cell wall biosynthesis and promotes plant growth and yield in Arabidopsis under salt stress. Plant Mol Biol 87, 615–631.
Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K (2007) Gene networks involved in drought stress response and tolerance. J Exp Bot 58, 221-227.
Singh -Gill S, Tuteja N (2010) Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiol Biochem 48, 909-930.
Souza CC, Oliveira FA, Silva IF, Amorim Neto MS (2000) Evaluation of methods of available water determination and irrigation management in ‘‘terra roxa’’ under cotton crop. Rev Bras Eng Agric Ambient 4, 338-342.
Verma KK, Singh M, Gupta RK, Verma CL (2014) Photosynthetic gas exchange, chlorophyll fluorescence, antioxidant enzymes, and growth responses of Jatropha curcas during soil flooding. Turk J Bot 38, 130–140.
Yang Y, He M, Zhu Z, et al. (2012) Identification of the dehydrin gene family from grapevine species and analysis of their responsiveness to various forms of abiotic and biotic stress. BMC Plant Biol 12, e140.
Zhang H, Zheng J, Su H, et al. (2018) Molecular cloning and functional characterization of the Dehydrin (IpDHN) gene from Ipomoea pes-caprae. Front Plant Sci 9, e1454.
Zhang HF, Liu SY, Ma JH, et al. (2019) CaDHN4, a salt and cold stress-responsive Dehydrin gene from pepper decreases Abscisic acid sensitivity in Arabidopsis. Int J Mol Sci 21, e26.
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.