شناسایی مکان‌های کنترل کننده صفات کمی(QTL) مرتبط با قابلیت هضم آنزیمی کاه گندم با استفاده از نشانگرهای DArT

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی ، دانشکده کشاورزی دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران.

2 گروه سیستم ها و زیست شناسی سامانه ها، پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی ایران، کرج، ایران

3 پژوهشکده فناوری و تولیدات گیاهی، دانشگاه شهید باهنرکرمان، کرمان، ایران.

4 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، ;کرمان، ایران

10.22103/jab.2025.24915.1671

چکیده

هدف: ضایعات کشاورزی یکی از چالش‌های جهان امروزی محسوب می‌شوند. ضایعات لیگنوسلولزی، می‌توانند به‌عنوان منبعی برای تولید قندهای قابل تخمیر جهت سوخت‌های زیستی و دیگر محصولات با ارزش استفاده شوند. هدف این مطالعه شناسایی مکان‌های ژنی، ژن‌های کاندید و نشانگرهای مولکولی مرتبط با قابلیت هضم آنزیمی کاه گندم به منظور بهره‌برداری در پروژه‌های به‌نژادی گندم جهت افزایش تولید قندهای احیاءشونده است. همچنین شناسایی لاین‌های گندم با بیشترین پتانسیل تبدیل به قندهای احیاءشونده از دیگر اهداف این تحقیق می‌باشد.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق، از 167 لاین‌ خویش‌آمیخته (F9) حاصل از تلاقی ارقام روشن و سوپرهد استفاده شد. لاین‌ها در مزرعه تحقیقاتی دانشکده کشاورزی دانشگاه شهید باهنر کرمان کشت گردیدند و کاه بدست آمده برای انجام آزمایش‌های هضم آنزیمی آماده‌سازی شد. برای هضم آنزیمی، از آنزیم‌های نوترکیب زایلاناز و سلولاز استفاده شد و میزان قند آزاد شده مورد اندازه‌گیری قرار گرفت. ژنوتیپ‌یابی لاین‌ها با استفاده از نشانگرهای DArT انجام شد و نقشه ژنتیکی با استفاده از 167 لاین و 662 نشانگر DArT، ترسیم گردید. شناسایی ژن‌های کاندید در فاصله اطمینان QTLهای شناسایی‌شده در پایگاه‌‌داده های مرتبط با ژنوم گندم انجام شد.
نتایج و بحث: نقشه پیوستگی ژنتیکی به طول 35/4315 سانتی‌مورگان ترسیم شد و سه QTL برای میزان قند آزاد شده از زیست‌توده شناسایی گردید. دو QTL بر روی کروموزوم‌های 7A و 6D برای میزان قند آزاد شده توسط هضم با آنزیم سلولاز (CEL) و یک QTL برای صفت هضم با آنزیم زایلاناز (XYL) بر روی کروموزوم 7A قرار داشتند. با استفاده از فاصله فیزیکی نشانگرهای مجاور QTLهای شناسایی‌شده، 2 ژن TraesCS7A03G0782000LC و TraesCS7A03G0781900LC شناسایی شدند که این ژن‌ها در فرایندهای بیوشیمیایی مربوط به تولید پروتئین‌های کیناز و پروتئین‌های هایپوتتیکال مرتبط می‌باشند. این پروتئین‌ها نقش کلیدی در تنظیم مسیرهای متابولیکی مرتبط با هضم آنزیمی و تبدیل زیست‌توده به قندهای احیاءشونده ایفا می‌کنند. این ژن‌ها کاندیدای مناسبی برای اصلاح ژنتیکی بهبود فرآیندهای تولید قند در گندم محسوب می‌شوند. همچنین لاین‌های امید بخش شناسایی شده در این تحقیق می‌توانند در پروژه‌های به‌نژادی گندم جهت تولید ارقام با قابلیت تولید قند بیشتر مورد استفاده قرار گیرند.
نتیجه‌گیری: نتایج این تحقیق نشان‌دهنده اهمیت کروموزوم‌های 6D و 7A در کنترل میزان قندهای آزاد شده توسط هضم آنزیمی است. ژن‌ها و نشانگرهای شناسایی شده می‌توانند در پروژه‌های اصلاحی بهبود قابلیت هضم زیست‌توده گندم بکار روند. همچنین ژنوتیپ‌های برتر شناسایی شده می‌توانند برای تولید سوخت‌های زیستی و دیگر مواد تجاری و در پروژه‌های به‌نژادی برای بهبود تولید قند از کاه گندم مورد استفاده قرار گیرند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Identification of quantitative trait loci (QTL) associated with enzymatic digestibility of wheat straw using DArT markers

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Shafaei 1
  • Shohreh AriaeeNejad 2
  • Ghasem Mohammadi-Nejad 3
  • Somayeh Sardouei-Nasab 3
  • Ali Kazemipour 4
1 Department of plant production and genetic engineering, Agriculture Faculty, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
2 systems biology research department, Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran (ABRII) , Karaj, Iran
3 Research and Technology Institute of Plant Production (RTIPP), Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
4 department of plant production and genetic engineering. Agriculture faculty. Shahid bahonar university of Kerman. Kerman. Iran
چکیده [English]

Abstract:
Objective: Agricultural waste is one of the challenges of today's world. Lignocellulosic waste can be used as a source for the production of fermentable sugars for biofuels and other valuable products. The aim of this study is to identify genetic loci, candidate genes, and molecular markers associated with the enzymatic digestibility of wheat straw to be utilized in wheat breeding projects for increasing the production of reducing sugars. Additionally, identifying wheat lines with the highest potential for conversion into reducing sugars is another objective of this research.
Materials and Methods:
In this study, 167 inbred lines (F9) derived from the cross between the cultivars Roshan and Superhead were used. The lines were cultivated in the research field of the Faculty of Agriculture at Shahid Bahonar University of Kerman, and the resulting straw was prepared for enzymatic digestion experiments. For enzymatic digestion, recombinant xylanase and cellulase enzymes were used, and the amount of released sugar was measured. Genotyping of the lines was performed using DArT markers, and a genetic map was constructed using 167 lines and 662 DArT markers. Candidate genes within the confidence intervals of the identified QTLs were identified using databases related to the wheat genome.
Results:
A genetic linkage map with a length of 4315.35 centimorgans was constructed, and three QTLs were identified for the amount of sugar released from the biomass. Two QTLs were located on chromosomes 7A and 6D for the amount of sugar released by cellulase digestion (CEL), and one QTL for xylanase digestion (XYL) was located on chromosome 7A. Using the physical distance of markers adjacent to the identified QTLs, two candidate genes, TraesCS7A03G0782000LC and TraesCS7A03G0781900LC, were identified. These genes are involved in biochemical processes related to the production of kinase proteins and hypothetical proteins. These proteins play a key role in regulating metabolic pathways associated with enzymatic digestion and the conversion of biomass into reducing sugars. These genes are considered important candidates for genetic modification to improve sugar production processes in wheat. Additionally, the promising lines identified in this study can be used in wheat breeding programs to develop cultivars with higher sugar production potential.

Conclusion:
The results of this study highlight the importance of chromosomes 6D and 7A in controlling the amount of sugars released through enzymatic digestion. The genes and markers identified for the QTL regions can be utilized in breeding programs aimed at improving the digestibility of wheat biomass.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cellulase
  • Enzymatic Digestion
  • Lignocellulosic Wastes
  • Xylanase

مراجع

Andlar, M., Rezić, T., Marđetko, N., Kracher, D., Ludwig, R., & Šantek, B. (2018). Lignocellulose degradation: An overview of fungi and fungal enzymes involved in lignocellulose degradation. Engineering in Life Sciences, 18(11), 768-778. https://doi.org/10.1002/elsc.201800039
Battan, B., Sharma, J., Dhiman, S. S., & Kuhad, R. C. (2007). Enhanced production of cellulase-free thermostable xylanase by Bacillus pumilus ASH and its potential application in paper industry. Enzyme and Microbial Technology, 41(6-7), 733-739. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2007.06.006
Domingues, S. Z., Timmers, L. F. S., & Granada, C. E. (2022). Cellulase production by bacteria is a strain-specific characteristic with a high biotechnological potential. A review of cellulosome of highly studied strains. Cellulose, 29(15), 8065-8083. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04790-5
Eun, J.-S., Beauchemin, K., & Schulze, H. (2007). Use of exogenous fibrolytic enzymes to enhance in vitro fermentation of alfalfa hay and corn silage. Journal of Dairy Science, 90(3), 1440-1451. https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(07)71629-6
Gandhi, A., & Oelmüller, R. (2023). Emerging Roles of Receptor-like Protein Kinases in Plant Response to Abiotic Stresses. International Journal of Molecular Sciences, 24(19), 14762. https://doi.org/10.3390/ijms241914762
Gomiero, T. (2016). Soil degradation, land scarcity and food security: Reviewing a complex challenge. Sustainability, 8(3), 281. https://doi.org/10.3390/su8030281
Grasser, L., Fadel, J., Garnett, I., & DePeters, E. (1995). Quantity and economic importance of nine selected by-products used in California dairy rations. Journal of Dairy Science, 78(4), 962-971. https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(95)76711-X
Gupta, A., & Verma, J. P. (2015). Sustainable bio-ethanol production from agro-residues: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 41, 550-567. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.08.032
Gupta, M. N., & Bisaria, V. S. (2018). Stable cellulolytic enzymes and their application in hydrolysis of lignocellulosic biomass. Biotechnology Journal, 13(6), 1700633. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07322-2
Hussain, M., Mirza, M., Nawaz, H., Asghar, M., & Ahmed, G. (2019). Effect of exogenous protease, mannanase, and xylanase supplementation in corn and high protein corn DDGS based diets on growth performance, intestinal morphology and nutrient digestibility in broiler chickens. Brazilian Journal of Poultry Science, 21(04), eRBCA-2019-1088. https://doi.org/10.1590/1806-9061-2019-1088
Jahani, M., Mohammadi-Nejad, G., Nakhoda, B., & Rieseberg, L. H. (2019). Genetic dissection of epistatic and QTL by environment interaction effects in three bread wheat genetic backgrounds for yield-related traits under saline conditions. Euphytica, 215(6), 103. https://doi.org/10.1007/s10681-019-2426-1
Kamm, B., & Kamm, M. (2004). Principles of biorefineries. Applied Microbiology and Biotechnology, 64(2), 137-145. https://doi.org/10.1007/s00253-003-1537-7
Miller, G. L. (1959). Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar. Analytical Chemistry, 31(3), 426-428. https://doi.org/10.1021/ac60147a030
Nagendran, R. (2011). Agricultural waste and pollution. Waste, Academic Press, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-381475-3.10024-5
Nguyen, D. T., Gomez, L. D., Harper, A., Halpin, C., Waugh, R., Simister, R., Whitehead, C., Oakey, H., Nguyen, H. T., & Nguyen, T. V. (2020). Association mapping identifies quantitative trait loci (QTL) for digestibility in rice straw. Biotechnology for Biofuels, 13, 1-16. https://doi.org/10.1186/s13068-020-01807-8
Ragauskas, A. J., Williams, C. K., Davison, B. H., Britovsek, G., Cairney, J., Eckert, C. A., Frederick Jr, W. J., Hallett, J. P., Leak, D. J., & Liotta, C. L. (2006). The path forward for biofuels and biomaterials. Science, 311(5760), 484-489. https://doi.org/10.1126/science.1114736
Sardouei-Nasab, S., Mohammadi-Nejad, G., & Nakhoda, B. (2024). Identification of stable QTLs and candidate genes associated with plant height and spike length in common wheat. Crop and Pasture Science, 75 (1). https://doi.org/10.1071/CP23197
Sharma, D., Chaudhary, R., Kaur, J., & Arya, S. K. (2020). Greener approach for pulp and paper industry by Xylanase and Laccase. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 25, 101604. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2020.101604
Silveira, M. H. L., Morais, A. R. C., da Costa Lopes, A. M., Olekszyszen, D. N., Bogel‐Łukasik, R., Andreaus, J., & Pereira Ramos, L. (2015). Current pretreatment technologies for the development of cellulosic ethanol and biorefineries. ChemSusChem, 8(20), 3366-3390. https://doi.org/10.1002/cssc.201500282
Taha, M., Foda, M., Shahsavari, E., Aburto-Medina, A., Adetutu, E., & Ball, A. (2016). Commercial feasibility of lignocellulose biodegradation: possibilities and challenges. Current Opinion in Biotechnology, 38, 190-197. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2016.02.012
Tian, S.-Q., Zhao, R.-Y., & Chen, Z.-C. (2018). Review of the pretreatment and bioconversion of lignocellulosic biomass from wheat straw materials. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 91, 483-489. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.113
Tuck, C. O., Pérez, E., Horváth, I. T., Sheldon, R. A., & Poliakoff, M. (2012). Valorization of biomass: deriving more value from waste. Science, 337(6095), 695-699. DOI:10.1126/science.1218930
Udhaya Kumar, M., Arockiam Jeyasundar, P. G. S., Ayyappa Das, M., Azeem, M., Manon Mani, V., & Ayswaria, R. (2025). Recombinant DNA Technology in the Improvement of Microbial Enzyme Production. Microbial Enzymes: Production, Purification and Industrial Applications, 2, 1-22. https://doi.org/10.1002/9783527844340.ch37
Vasić, K., Knez, Ž., & Leitgeb, M. (2021). Bioethanol production by enzymatic hydrolysis from different lignocellulosic sources. Molecules, 26(3), 753. https://doi.org/10.3390/molecules26030753
Vogt, E. T., & Weckhuysen, B. M. (2024). The refinery of the future. Nature, 629(8011), 295-306. https://doi.org/10.1002/biot.201700633
Wang, X., Pang, Y., Zhang, J., Zhang, Q., Tao, Y., Feng, B., Zheng, T., Xu, J., & Li, Z. (2014). Genetic background effects on QTL and QTL× environment interaction for yield and its component traits as revealed by reciprocal introgression lines in rice. The Crop Journal, 2(6), 345-357. https://doi.org/10.1016/j.cj.2014.06.004
Zheng, Q., Zhou, T., Wang, Y., Cao, X., Wu, S., Zhao, M., Wang, H., Xu, M., Zheng, B., & Zheng, J. (2018). Pretreatment of wheat straw leads to structural changes and improved enzymatic hydrolysis. Scientific Reports, 8(1), 1321. https://doi.org/10.1038/s41598-018-19517-5
Znameroski, E. A., & Glass, N. L. (2013). Using a model filamentous fungus to unravel mechanisms of lignocellulose deconstruction. Biotechnology for Biofuels, 6, 1-8. https://doi.org/10.1186/1754-6834-6-6
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 17، شماره 3
شهریور 1404
صفحه 219-234

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار