مطالعه تغییرات میزان بیان دو ژن از خانواده ژنی ZmPIPتحت تنش های محیطی غیرزنده در برگ ذرت (Zea mays cv704)

نوع مقاله: مقاله کوتاه

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناس ارشد فیزیولوژی گیاهی، دانشکده علوم، دانشگاه ارومیه، ارومیه

2 دانشیار گروه زیست‌شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه ارومیه، ارومیه

چکیده

مقدمه
گیاهان پیوسته در معرض مجموعه‌ای از عوامل محیطی تنش‌زا قرار می‌گیرند که این عوامل تنش‌زا بسیاری از جنبه‌های ژنتیک و زیست مولکولی گیاه را تحت تاثیر خود قرار می‌دهند. در این بین شوری (NaCl ,CaCl2)، خشکی از مهمترین عوامل تنش‌زای محیطی به حساب می‌آیند. برای مقابله با این شرایط، گیاه باید قادر به درک، پاسخ‌دهی و سازگاری نسبت به این تغییرات محیطی باشد. مسیر signal transduction و ژن‌های مربوط به آن نقش مهمی در پاسخ به محرک‌های محیطی در گیاهان ایفا می‌کنند. تنش خشکی دامنه‌ای از پاسخ‌های فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی را در گیاهان القاء می‌کند. این پاسخ‌ها شامل بسته شدن روزنه‌ها، مهار رشد سلول، فتوسنتز و فعالیت تنفسی (Bartels and Sunkars, 2005). از طرفی شوری باعث کاهش میزان کلسیم و پتاسیم و افزایش سطح سدیم و کلر می‌شود. علاوه بر تمام این‌ها, تنش شوری تجمع گونه اکسیژن فعال (ROS) را باعث می‌شود که می‌تواند برای غشای لیپیدی، پروتئین‌ها و اسید‌های نوکلوئیک صدمه‌زننده باشد(Bartels and Sunkars, 2005). برگ‌ها ارگان‌های کلیدی برای تبخیر و فتوسنتز هستند و یک نقش حیاتی در رشد گیاهان ایفا می‌کنند. AQPها پروتئین‌های سرتاسری اصلی هستند که حرکت آب ،CO2 و دیگر مواد محلول کوچک را از طریق غشای زیستی تسهیل می‌کنند. بیان آکوآپورین های غشای پلاسمائی (PIP ها،پروتئین اصلی غشای پلاسمائی) در بخش های هوائی گونه‌های گیاهی مختلفی گزارش شده است(Maurel et al., 2002). طی مطالعات مولکولی در این پژوهش، بیان 2 ژن ZmPIP شامل ZmPIP1,2 و ZmPIP1,5 در برگ ذرت با استفاده از روش بیان ژن، مورد بررسی قرار گرفتند.
مواد و روش ها
بذرها در خاکی با نسبت معین از پرلیت و ماسه، در فیتتوترون در دمای 22 درجه سانتیگراد و رطوبت 70%، نسبت طول روز به طول شب 8:16 با شرایط کشت یکسان برای همه گیاهان، کاشته شد. پس از گذشت 21 روز از کشت، تیمار گیاهان آغاز گردید. تیمار بطور کوتاه مدت (4 روزه) و بلند مدت (8 روزه) برای سه تنش، شوری NaCl(200mM) ، CaCl2(40mM) و خشکیPEG6000(10%) اعمال شد. RNA کل به روش تریزول از نمونه‌ها استخراج و کیفیت RNA از طریق اسپکتروفتومتری و الکتروفورز ژل آگارز تعیین شد. cDNA با استفاده از RNA استخراج شده و کیت cDNA (Fermentas) طبق دستورالعمل شرکت سازنده ساخته شد و سپس RT-PCR تحت شرایط شخص اعمال گردید. ژن GAPDH به عنوان ژن رفرنس داخلی استفاده شد. محصولات RT-PCR روی ژل آگارز 5/1درصد حاوی اتیدیوم بروماید 5/0 میکروگرم بر میلی‌لیتر جداسازی و با استفاده از سیستم Gel Logic 212 Pro Carestream, USA عکس‌برداری شد‌ند. شدت (intensity) باندها با استفاده از نرم افزار Image J اندازه‌گیری و نمودارها با استفاده از excel 2007 رسم شد. آنالیز آماری با نرم افزار SPSS انجام شد.
نتایج
طبق نتایج به‌دست آمده از آنالیز نیمه کمی RT-PCR میزان بیان ژن‌های ZmPIP1,5 ,ZmPIP1,2 در برگ گیاهانی که تحت تنش های مختلف قرار گرفتند نسبت به برگ گیاهان شاهد الگوی بیان متفاوتی(کاهش یا افزایش) از خود نشان می‌دهند. نتایج ما نشان داد که ژن‌های خانواده ZmPIP برای دریافت موثر تغییرات محیطی ضرورت دارد.
نتیجه گیری
در این پژوهش، مشاهده شد با اعمال تنش روی گیاه الگوی بیان ژن در خانواده ZmPIP تغییر کرد، در بین تنش‌های اعمال شده با توجه به آنالیز RT-PCR و بررسی میزان بیان نسبی ژن‌ها، تنش CaCl2(40mM)، و به‌خصوص خشکی PEG(10%) دارای اثرات مشخصی در تغییر الگوی بیان ژن‌های بررسی شده داشتند که نشان‌دهنده اثرگذاری این تیمارها بر بیان آن ژن‌ها است. به‌طور کلی افزایش یا کاهش میزان بیان ژن نشان‌دهنده درک تنش توسط گیاه و پاسخ به آن می‌باشد. جالب توجه اینکه حتی الگوی بیان ژن تحت تیمار کوتاه ‌مدت و بلندمدت برای برخی ژن‌ها متفاوت مشاهده شد، این مسئله بیانگر تغییر روند ملکولی در گیاه طی مدت زمان‌‌های متفاوت اعمال تنش بر آن، در پاسخ به تنش هاست.

کلیدواژه‌ها


Agarwal, P.K., Gupta, K., Jha, B., 2010. Molecular characterization of the Salicornia brachiata SbMAPKK gene and its expression by abiotic stress. Molecular Biology Reports. 37, 981–986.

Alexandersson, E., Fraysse, L. Sjovall-Larsen, S., Gustavsson, S., Fellert, M., Karlsson, M., 2005. Whole gene family expression and drought stress regulation of aquaporins. Plant Molecular Biology. 59, 469– 484.

Aroca, R., Porcel, R., Ruiz-Lozano, J.M., 2007. How does arbuscular mycorrhizal symbiosis regulate root hydraulic properties and plasma membrane aquaporins in Phaseolus vulgaris under drought, cold or salinity stresses? New Phytologist. 173, 808–816.

Bartels, D., Sunkars, R., 2005. Drought and salt tolerance in plants. Critical Reviews in Plant Science. 24, 23–58.

Boursiac, Y., Chen, S., Luu, D.T., Sorieul, M., Van den Dries, N., Maurel, C., 2005. Early evects of salinity on water transport in Arabidopsis roots. Molecular and cellular features of aquaporin expression. Plant Physiology. 139, 790–805. 

Chaumont, F., Barrieu, F., Wojcik, E., Chrispeels, M.J. and Jung, R. 2001. Aquaporins constitute a large and highly divergent protein family in maize. Plant Physiology 125, 1206–1215.

Fetter, K., Van Wilder, V., Moshelion, M., Chaumont, F., 2004. Interactions between plasma membrane aquaporins modulate their water channel activity. The Plant Cell. 16, 215–228.

Fraysse, L.C., Wells, B., McCann, M.C., Kjellbom, P., 2005. Specific plasma membrane aquaporins of the PIP1 subfamily are expressed in sieve elements and guard cells. Biology of the Cell. 97, 519– 534.

Huang, D.Q., Wu, R., Abrams, S.R., Cutler, A.J., 2008. The relationship of drought-related gene expression in Arabidopsis thaliana to hormonal and environmental factors. Journal of Experimental Botany. 59, 2991–3007.

Jang, J.Y., Kim, D.G., Kim, Y.O., Kim, J.S., Kang, H., 2004. An expression analysis of a gene family encoding plasma membrane aquaporins in response to abiotic stresses in Arabidopsis thaliana. Plant Molecular Biology. 54, 713–725.

Johanson, U., Karlsson, M., Johansson, I., Gustavsson, S., Sjö vall, S., 2001. The complete set of genes encoding major intrinsic proteins in Arabidopsis provides a framework for a new nomenclature for major intrinsic proteins in plants. Plant Physiology. 126: 1358–1369.

Kawasaki, S., Borchert, C., Deyholos, M., Wang, H., Brazille, S., Kwai, K., Galbraith, D., Bohnert, H.J., 2001. Gene expression profiles during the initial phase of salt stress in rice. The Plant Cell. 13, 889–90.

Marulanda, A., Azcón, R., Chaumont, F., Ruiz-Lozano, J.M., Aroca, R., 2010. Regulation of plasma membrane aquaporins by noculation with a Bacillus megaterium strain in maize (Zea mays L.) plants under unstressed and salt-stressed conditions. Planta. 232, 533-543.

Maurel, C., Javot, H., Lauvergeat, V., Gerbeau, P., Tournaire, C., Santoni, V., 2002. Molecular physiology of aquaporins in plants. International Review of Cytology. 215, 105–148.

Nardini, A., Salleo, S., Andri, S., 2005. Circadian regulation of leaf hydraulic conductance in sunflower (Helianthus annuus L. & cv. Margot).Plant Cell and Environment. 28, 750 759.

Sakurai, J., Ishikawa, F., Yamaguchi, T., Uemura, M. and Maeshima, M., 2005. Identification of 33 rice aquaporin genes and analysis of their expression and function. Plant Cell Physiology. 46: 1568-1577.

Salvador, R.J., 1997. Maize. In: The encyclopedia of culture and society of Mexico. Fitzory Dearborn Publeasher.

Zelazny, E., Borst, J. W., Muylaert, M., Batoko, H., Hemminga, M.A., Chaumont, F., 2007. FRET imaging in living maize cells reveals that plasma membrane aquaporins interact to regulate their subcellular localization. the Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 104, 12359–12364.