اثر تنش خشکی بر صفات مورفولوژی، فیزیولوژی و میزان بیان نسبی ژن‌های مهم آنتی اکسیدانی در کلزا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته دکتری ،گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران. پژوهشگر، واحد فناور زیست رادان ژن کاسپین (بیوژن تک)، مرکز رشد واحدهای فناور، پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی منطقه شمال کشور، رشت، ایران

2 نویسنده مسئول: دانشیار، گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران.

3 استاد، گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

چکیده

هدف: این مطالعه با هدف بررسی اثر سطوح مختلف تنش خشکی بر صفات مورفولوژی و فیزیولوژی گیاه کلزا و بررسی بیان نسبی ژن‌های آنتی اکسیدانی به منظور شناسایی نحوه پاسخ آنتی اکسیدانی ژنوتیپ متحمل در سطوح مختلف تنش خشکی انجام شد.
مواد و روش‌ها: آزمایش به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملا تصادفی نامتعادل در انتهای مرحله 5 برگی گیاه کلزا در 3 تکرار در سال 1401 در گلخانه دانشکده علوم کشاورزی دانشگاه گیلان انجام شد. اثر سطوح مختلف تنش خشکی شامل سطوح بدون تنش (100 درصد)، تنش کم (75 درصد)، تنش متوسط (50 درصد)، تنش شدید (25 درصد) و تنش بسیار شدید (20 درصد ظرفیت زراعی) بر صفات مورفولوژی و فیزیولوژی در ژنوتیپ‌های پاییزه SLM046 و Licord کلزا انجام شد. همچنین بررسی میزان بیان نسبی ژن‌های مهم آنتی اکسیدانی فردوکسین NADP+ اکسیدوردوکتاز (FNR) و NADPH تیوردوکسن ردوکتاز (NTR) در ژنوتیپ متحمل با استفاده از Real-time PCR براساس روش لیواک انجام شد.
نتایج: اثر متقابل تنش در ژنوتیپ برای صفات طول ریشه، وزن خشک اندام هوایی، وزن خشک ریشه، ضریب آلومتریک، وزن آب ریشه، کلروفیل a، کلروفیل b، کلروفیل کل، کاروتنویید و آنتوسیانین در سطح احتمال 1 درصد معنی‌دار بود. در سطح 20 درصد FCضریب آلومتریک و در تمامی سطوح تنش وزن خشک ریشه در ژنوتیپ SLM046 بیش‌تر از Licord بود. اعمال تنش خشکی در سطح 75 درصد FC سبب کاهش محتوای نسبی آب برگ در ژنوتیپ‌ها شد. همچنین اعمال تنش در سطح 20 درصد FC سبب کاهش سطح برگ و اعمال همه سطوح تنش سبب کاهش میزان آنتوسیانین در هر دو ژنوتیپ شد. اعمال تنش در سطح 20 درصد FC سبب افزایش میزان کلروفیل b و کلروفیل کل در ژنوتیپSLM046 شد. اعمال تنش خشکی در سطوح مختلف سبب کاهش کلروفیل a وb ، کلروفیل کل و کاروتنویید در ژنوتیپ Licord شد. نتایج نشان داد که در سطوح بالاتر تنش در ژنوتیپ SLM046 بیان ژن‌های FNR و NTR افزایش یافت.
نتیجه‌گیری: به نظر می‌رسد که در شرایط تنش خشکی شدید و بسیار شدید ژنوتیپ SLM046 تحمل بیش‌تری نسبت به تنش خشکی دارد. احتمالا افزایش بیان FNR که تولید NADPH را به دنبال دارد، به وسیله افزایش بیان ژن NTR تعدیل می‌شود و از این طریق با تنظیم بیان ژن‌های‌ درگیر در استرس اکسیداتیو می‌تواند سبب تحمل به تنش خشکی و بقای گیاه در ژنوتیپ متحمل شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The effect of drought stress on morphological and physiological traits and the relative expression of important antioxidant genes in Canola

نویسندگان [English]

  • Maryam Pasandideh Arjmand 1
  • Mohammad Mohsenzadeh Golfazani 2
  • Habibollah Samizadeh Lahiji 3
1 PhD, Department of Plant Biotechnology, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran. Researcher, BioGenTAC lnc., Technology Incubator of Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran-North Branch (ABRII), Rasht, Iran
2 *Corresponding author. Associate Professor, Department of Plant Biotechnology, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran
3 Professor, Department of Plant Biotechnology, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran.
چکیده [English]

Objective: This study was conducted for investigating the effect of drought different levels on morphological and physiological traits of Canola and investigating relative expression of antioxidant genes to identify the antioxidant response of tolerant genotype at drought different levels.
Materials and methods: The factorial experiment based on unbalanced completely random design was conducted at the end of the 5-leaf stage of Canola in 3 replications in the greenhouse of Agricultural Sciences Faculty of Gilan University on the year 2022. The effect of different drought levels, including non-stress (100%), low (75%), medium (50%), severe (25%) and very severe stress (20%FC) on morphological and physiological traits in SLM046 and Licord Canola genotypes, as well as the relative expression of important antioxidant genes of Ferredoxin-NADP+oxidoreductase (FNR) and NADPH-thioredoxin reductase (NTR) in the tolerant genotype were investigated using Real-time PCR based on Livak method. Results: The interaction effect of stress on genotype for root length, shoot and root dry weight, allometric coefficient, root water weight, chlorophyll a and b, total chlorophyll, carotenoid and anthocyanin was significant at 1% probability level. The allometric coefficient at 20%FC, and root dry weight at all levels were higher in SLM046 than Licord under drought stress. Drought stress caused a decrease in RWC at 75% FC in both genotypes. Also, the drough treatment at the level of 20% FC caused a decrease in the leaf area and the treatment of all stress levels caused a decrease in the amount of anthocyanin in both genotypes. The stress treatment at 20%FC increased the amount of chlorophyll b and total chlorophyll in SLM046 genotype. The treatment at all stress levels decreased the chlorophyll a and b, total chlorophyll and carotenoid in Licord genotype. The results showed that the expression of FNR and NTR genes increased in SLM046 genotype at higher stress levels.
Conclusions: It seems that the SLM046 is tolerant under severe and very severe drought. The increase in FNR expression, which leads to the production of NADPH, is regulated by the NTR expression, and by regulating the expression of genes involved in oxidative stress, it can cause drought tolerance and plant survival in tolerant genotype.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Anthocyanin
  • Carotenoid
  • Real-time PCR
  • Root length
  • SLM046
پسندیده ارجمند مریم، سمیع زاده لاهیجی حبیب اله، محسن زاده گلفزانی محمد (1397) اثر تنش خشکی بر برخی از خصوصیات مرفولوژیکی و فیزیولوژیکی گیاهچه­ای در کلزا .(Brassica napus) علوم و تحقیقات بذر ایران، 5(2)، 95-108.
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.
رمضان زاده بیشه گاهی سحر، محسن زاده گلزانی محمد، سمیع زاده لاهیجی حبیب ا... (1400) تاثیر محلول‌پاشی متانول بر بیان برخی از ژن‌های میتوکندریایی در گیاه کلزا تحت تنش خشکی. علوم گیاهان زراعی ایران, 52(3)، 113-128.
سید احمدی عبدالرضا، قرینه محمد حسین، بخشنده عبدالمهدی ، فتحی قدرت الله، نادری احمد (1390) مطالعه اثر تنش خشکی انتهایی (پایان فصل رشد) بر روی عملکرد دانه، اجزای عملکرد، درصد روغن، درصد پروتئین و خصوصیات رشد ریشه کلزا (Brassica napus) در شرایط آب و هوایی اهواز. مجله تولیدات گیاهی 34(2)، 66-53.
شکری سمیرا، خضری امین، محمدآبادی محمدرضا، خیرالدین حمید (1402) بررسی بیان ژنMYH7  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
Ahmad Z, Anjum S, Skalicky M, et al. (2021) Selenium alleviates the adverse effect of drought in oilseed crops Camelina (Camelina sativa L.) and Canola (Brassica napus L.). Molecules J 26, e1699.
Ahmar S, Liaqat N, Hussain M, Salim MA, Shabbir MA, et al. (2019) Effect of abiotic stresses on Brassica species and role of transgenic breeding for adaptation. Asian J Res Crop Sci 3, 1-10.
An JP, Zhang XW, Bi SQ, You CX, Wang XF, et al. (2020) The ERF transcription factor MdERF38 promotes drought stress‐induced anthocyanin biosynthesis in apple. The Plant J 101, 573-89.
Arnon DI. (1949) Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant physiol J 24, e1.
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.
Battaglia ML, Lee C, Thomason W (2018) Corn yield components and yield responses to defoliation at different row widths. Agron J 110, 210-25.
Bielach A, Hrtyan M, Tognetti VB (2017) Plants under stress: involvement of auxin and cytokinin. Int J Mol Sci 18, e1427.
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.
Cha J-Y, Barman DN, Kim MG, Kim W-Y (2015). Stress defense mechanisms of NADPH-dependent thioredoxin reductases (NTRs) in plants. Plant Signal Behav J 10, e1017698.
Cha J-Y, Kim JY, Jung IJ, Kim MR, Melencion A, et al. (2014) NADPH-dependent thioredoxin reductase A (NTRA) confers elevated tolerance to oxidative stress and drought. Plant Physiol Biochem J 80, 184-91.
Cirillo V, D’Amelia V, Esposito M, Amitrano C, Carillo P, et al. (2021) Anthocyanins are key regulators of drought stress tolerance in tobacco. Biol J 10, 139.
Correll CC, Ludwig ML, Bruns CM, Karplus PA (1993) Structural prototypes for an extended family of flavoprotein reductases: comparison of phthalate dioxygenase reductase with ferredoxin reductase and ferredoxin. Protein Sci J 2, 2112-2133.
Cui B, Zhao Q, Huang W, Song X, Ye H, et al.  (2019) A new integrated vegetation index for the estimation of winter wheat leaf chlorophyll content. Remote Sens J 11, e974.
Dong T, Shang J, Chen JM, Liu J, Qian B, et al. (2019) Assessment of portable chlorophyll meters for measuring crop leaf chlorophyll concentration. Remote Sens J 11, e2706.
Hoagland DR, Arnon DI (1950) The water-culture method for growing plants without soil. Circ Calif Agric Exp Stn 347, 1-32.
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.
Karplus PA, Daniels MJ, Herriott JR (1991) Atomic structure of ferredoxin-NADP+ reductase: prototype for a structurally novel flavoenzyme family. Science 251, 60-66.
Khodabin G, Tahmasebi‐Sarvestani Z, Rad AHS, Modarres‐Sanavy SAM (2020) Effect of drought stress on certain morphological and physiological characteristics of a resistant and a sensitive Canola cultivar. Chem Biodivers J 17, e1900399.
Lehtimäki N, Lintala M, Allahverdiyeva Y, Aro E-M, Mulo P (2010) Drought stress-induced upregulation of components involved in ferredoxin-dependent cyclic electron transfer. Plant Physiol J 167, 1018-22.
Lepistö A, Kangasjärvi S, Luomala E-M, Brader G, Sipari N, et al. (2009) Chloroplast NADPH-thioredoxin reductase interacts with photoperiodic development in Arabidopsis. Plant Physiol J 149, 1261-76.
Li J, Zeng L, Cheng Y, Lu G, Fu G, et al. (2018) Exogenous melatonin alleviates damage from drought stress in Brassica napus L.(rapeseed) seedlings. Acta Physiol Plant 40, 1-11.
Livak KJ, Schmittgen TD (2001) Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2−ΔΔCT method. Methods J 25, 402-08.
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.
Michel BE, Kaufmann MR (1973) The osmotic potential of polyethylene glycol 6000. Plant physiol J 51, 914-16.
Mittler R, Vanderauwera S, Gollery M, Van Breusegem F (2004) Reactive oxygen gene network of plants. Trends Plant Sci J 9, 490-98.
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.
Mohsenzadeh Golfazani M, Taghvaei M M, Samizadeh Lahiji H, Ashery S, Raza A (2022). Investigation of proteins’ interaction network and the expression pattern of genes involved in the ABA biogenesis and antioxidant system under methanol spray in drought-stressed rapeseed. 3 Biotech 12, 1-18.
Ohashi Y, Nakayama N, Saneoka H, Fujita K (2006) Effects of drought stress on photosynthetic gas exchange, chlorophyll fluorescence and stem diameter of soybean plants. Biol Plant J 50, 138-41.
Palatnik JF, Valle EM, Carrillo N (1997) Oxidative stress causes ferredoxin-NADP+ reductase solubilization from the thylakoid membranes in methyl viologen-treated plants. Plant Physiol J 115, 1721-1727.
Pasandideh Arjmand M, Samizadeh Lahiji H, Mohsenzadeh Golfazani M (2018) The effect of drought stress on some morphological and physiological characters in Canola seedling (Brassica napus). Seed Res J 5, 95-108. (In Persian).
Pasandideh Arjmand M, Samizadeh Lahiji H, Mohsenzadeh Golfazani M, Biglouei MH (2023) Evaluation of protein’s interaction and the regulatory network of some drought-responsive genes in Canola under drought and re-watering conditions. Physiol Mol Biol Plants J 29(8), 1085-1102.
Rahman M, McClean P (2013) Genetic analysis on flowering time and root system in Brassica napus L. Crop Sci J 53, 141-47.
Ramezanzadeh Bishegahi S, Mohsenzadeh M, Samizadeh Lahiji, H (2021). Effect of methanol foliar application on expression changes of some mitochondrial genes in canola under drought stress. Iran J Field Crop Sci 52, 113-128 (In Persian).
Reichheld J-P, Khafif M, Riondet C, Droux M, Bonnard G, et al.  (2007) Inactivation of thioredoxin reductases reveals a complex interplay between thioredoxin and glutathione pathways in Arabidopsis development. Plant Cell J 19,1851-65.
Rezayian M, Niknam V, Ebrahimzadeh H (2018) Effects of drought stress on the seedling growth, development, and metabolic activity in different cultivars of Canola. Soil Sci Plant Nut J 64, 360-69.
Rustioni L, Bianchi D (2021) Drought increases chlorophyll content in stems of Vitis interspecific hybrids. Theor Exp Plant Physiol J 33, 69-78.
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.
Sairam R, Saxena D (2000) Oxidative stress and antioxidants in wheat genotypes: possible mechanism of water stress tolerance. Agron Crop Sci J 184, 55-61.
Serrato AJ, Pérez-Ruiz JM, Spínola MC, Cejudo FJ (2004) A novel NADPH thioredoxin reductase, localized in the chloroplast, which deficiency causes hypersensitivity to abiotic stress in Arabidopsis thaliana. Biol Chem J 279, 43821-27.
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.
Sharif P, Seyedsalehi M, Paladino O, Van Damme P, Sillanpää M, et al.  (2018) Effect of drought and salinity stresses on morphological and physiological characteristics of Canola. IJEST 15, 1859-66
Sharifi P, Mohammadkhani N (2016) Effects of drought stress on photosynthesis factors in wheat genotypes during anthesis. Cereal Res Commun J 44, 229-39.
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).
Taghvaei M M, Samizadeh Lahiji H, Mohsenzadeh Golfazani M (2022). Evaluation of expression changes, proteins interaction network, and microRNAs targeting catalase and superoxide dismutase genes under cold stress in rapeseed (Brassica napus L.). OCL 29 (3), 1-18.
Taghvimi P, Mohsenzadeh Golfazani M, Taghvaei M M, Samizadeh Lahiji H (2024). Investigating the effect of drought stress and methanol spraying on the influential genes in the Calvin cycle and photorespiration in rapeseed. Funct Plant Biol 51 (3): 1-17.
Türkan İ, Bor M, Özdemir F, Koca H (2005) Differential responses of lipid peroxidation and antioxidants in the leaves of drought-tolerant P. acutifolius Gray and drought-sensitive P. vulgaris L. subjected to polyethylene glycol mediated water stress. Plant Sci J 168, 223-31.
Turner NC (1981) Techniques and experimental approaches for the measurement of plant water status. Plant and soil J 58, 339-66.
Wagner GJ (1979) Content and vacuole/extravacuole distribution of neutral sugars, free amino acids, and anthocyanin in protoplasts. Plant physiol J 64, 88-93.
Wang R, Peng W (2021) Principal component analysis and comprehensive evaluation on drought tolerance difference of canola cultivars at germination and emergence stages. Chil J Agric Res 81, 557-67.
Wu W, Duncan RW, Ma B-L (2017) Quantification of canola root morphological traits under heat and drought stresses with electrical measurements. Plant and Soil J 415, 229-44.
Wu W, Ma BL, Whalen JK (2018) Enhancing rapeseed tolerance to heat and drought stresses in a changing climate: perspectives for stress adaptation from root system architecture. Adv Agron J 151, 87-157.
Yousefi F, Hassibi P, Roshanfekr H, Meskarbashee M (2016) Study of drought and salinity stress effect on some physiological characters of two canola (Brassica napus L.) varieties in Ahvaz. Plant Product J 38(4), 25-34 (In Persian)
Zaman MAU, Rahman M (2017) A comparative study on root traits of spring and winter canola (Brassica napus L.) under controlled and water stressed conditions. Agric Sci J 9, e58.
Zemaitis KJ, Ye H, Nguyen HT, Wood TD (2021) Direct Infusion Metabolomics of the Photosystem and Chlorophyll Related Metabolites within a Drought Tolerant Plant Introduction of Glycine max. Metabolites J 11, e843.