نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه بیوتکنولوژی و به نژادی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 گروه مهندسی علوم زیستی، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، ایران

3 گروه بیوتکنولوژی مولکولی گیاهی، پژوهشکده ملی مهندسی ژنتیک و زیست فناوری، تهران، ایران

چکیده

با توجه به حساسیت نیشکر به سرما، به‌منظور شناسایی مسیرها و ژن‌های دارای بیان افتراقی در ارقام نیشکر در هنگام تنش سرما و استفاده از آن‌ها در برنامه اصلاح نبات نیشکر، پس از وقوع سرمای 1.2- درجه سانتی گراد در دی‌ماه 1394، تعداد 454 رقم نیشکر با استفاده از شاخص‌های مورفولوژیکی، بیوشیمیایی و آنالیز RNA-seq، در مزرعه تحقیقاتی موسسه تحقیقات نیشکر خوزستان موردبررسی قرار گرفت. در مرحله اول با استفاده از شاخص‌های مورفولوژیکی، ارقام متحمل و حساس در برابر سرما، انتخاب شدند. در مرحله دوم در سال 1395، پس از تنش سرما، شاخص‌های بیوشیمیایی از قبیل پرولین و مالون دی­ آلدئید، در ارقام متحمل افزایش بیشتری پیدا کرد و بر این اساس دو رقم BR00-01 و TUC66-107 به ترتیب به‌عنوان متحمل‌ترین و حساس‌ترین رقم نسبت به سرما شناسایی شدند. سپس این ارقام در سردخانه تحت تنش دمای 2- درجه سانتی گراد به مدت 12 ساعت قرار گرفتند. در مرحله سوم، استخراج RNA، توالی­یابی به روش RNA-seq و ساخت کتابخانه cDNA انجام گردید. سپس آنالیز بیان و تفسیر ژن‌های دارای بیان افتراقی انجام گردید. نتایج بررسی واکنش مورفولوژیکی و بیوشیمیایی ارقام نیشکر به تنش سرما نشان داد ارقامی که در مرحله مورفولوژیکی میزان تحمل بیشتری به تنش سرما دارند، همین ارقام در مرحله بررسی بیوشیمیایی نیز ازنظر میزان پرولین و MDA در سطح بالاتری نسبت به ارقام حساس قرار می‌گیرند. در بررسی مولکولی نیز در هنگام تنش سرما، مسیرهای بیوسنتز فعال شامل بیوسنتز آرژنین، اسیدهای آمینه پرولین، فنیل پروپانوئید، ریبوفلاوین و مسیر پیام‌رسان MAPK شناسایی شدند که در هنگام تنش سرما، بیان ژن‌های تنظیم‌کننده آن‌ها، در رقم مقاوم افزایش بیان بیشتری نسبت به رقم حساس داشت. همچنین ژن PR1 در مسیر پیام‌رسان MAPK شناسایی گردید که با کاهش دما، در رقم مقاوم افزایش بیان بیشتری نسبت به رقم حساس از خود نشان داد.

کلیدواژه‌ها

Bates, L.S., Waldern, R.P., Tear, L.D. 1973. Rapid determination of free Proline for water stress studies. Plant and Soil. 39, 205-207.
Baker, S.S., Wilhelm, K.S., Thomashow, M.F., 1994. The 5'-region of Arabidopsis thaliana cor15a has cis-acting elements that confer cold-, drought- and ABA-regulated gene expression. Plant Molecular Biology. 24, 701–713. PMID: 8193295.
Dong, H., Beer, S.V., 2000. Riboflavin induces disease resistance in plants by activating a novel signal transduction pathway. Phytopathology. 90, 801-811.
Heinz, D.J., 1987. Sugarcane Improvement through Breeding, Amsterdam; New York: Elsevier
Kim, J.C., Lee, SH., Cheong, Y.H., Yoo, C.M., Lee, SI., Chun, H.J., Yun, D.J., Hong, J.C., Lee, S.Y., Lim, C.O., et al. 2001. A novel cold-inducible zinc finger protein from soybean, SCOF-1, enhances cold tolerance in transgenic plants. Plant Journal. 25(3), 247–259.
Leyva, A., Jarillo, A., Salinas, J.M., Zapater. J. M., 1995. Low temperature induces the accumulation of phenylalanine ammonia lyase and chalcone synthase mRNAs of Arabidopsis thaliana in a light-dependent manner. Plant Physiology. 108, 39-46.
Li, B., Duan, H., Li, J., Deng, X.W., Yin, W., Xia, X., 2013. Global identification of miRNAs and targets in Populus euphratica under salt stress. Plant Molecular Biology. 81, 525–539. doi: 10.1007/s11103-013-0010-y PMID: 23430564
Mantri, N.L., Ford, R., Coram, T.E., Pang, E.C.K., 2007. Transcriptional profiling of chickpea genes differentially regulated in response to high-salinity, cold and drought. BMC Genomics. 8, 303 (2007). https://doi.org/10.1186/1471-2164-8-303
McCormick, A.J., Cramer, M.D., Watt, D.A., 2006. Sink strength regulates photosynthesis in sugarcane. New Phytologist. 171, 759–770.
McCormick, A.J., Watt, D.A., Cramer, M.D., 2009. Supply and demand: sink regulation of sugar accumulation in sugarcane. Journal of Experimental Botany. 60, 357–364.
Pearson, G., Robinson, F., Beers, G.T., Xu, BE., Karandikar, M., Berman, K., Cobb, M.H., 2001. Mitogen-activated protein (MAP) kinase pathways: regulation and physiological functions. Endocrine Reviews. 22, 153–83. doi:10.1210/er.22.2.153. PMID 11294822
Porra, R.J., 2002. The cheque red history of the development and use of simultaneous equations for the accurate determination of chlorophylls a and b. Photosynthesis Research, 73, 149-156.
Rahimizadeh, M., Habibi, D., Madani, H., Mohammadi, H., Mehraban A., Sabet, A.M., 2007. The effect of micronutrients on antioxidant enzymes metabolism in sunflower (Helianthus annuus L.) under drought stress. Journal of Helia. 47, 167-174.
Shinozaki. K., Yamaguchi.Shinozaki. K., Seki. M., 2003. Regulatory network of gene expression inn the drought and cold stress responses. Current Opinion in Plant Biology. 6, 410–417. PMID: 12972040.
Sofo, A., Dichio, B., Xiloyannis, C., Masia, A., 2004. Effects of different irradiance levels on some antioxidant enzymes and on malondialdehyde content during re-watering in olive tree. Plant Science. 166, 293-30.
Taherkhani. K. et al., 2010. Final Report of Sugarcane Frosting Project, Khuzestan Sugarcane Development Research and Training Institute. [In Persian].
Teulate, B., Rekika, D., Nachit, M., Monnerux, P., 1997. Comparative osmotic adjustments in barley and tetraploid wheats. Plant Breeding, 116, 519-523.
Valentovic, P., Luxova, M., Kolarovi, L., Gasparikora, O., 2006. Effect of osmotic stress on compatible solutes content, memberane stability and water relation in two maizes. Plant, Soil and Environment. 52, 186-191.
Yamaguchi.Shinozaki, K., Shinozaki, K., 2006. Transcriptional regulatory networks in cellular responses and tolerance to dehydration and cold stresses. Annual Review of Plant Biology. 57, 781–803. PMID: 16669782.
Yang, Y., Yu, Q., Yang, Y., Su, Y., Ahmad, W., Guo, J., Gao, S., Xu, L., Que, Y., 2018. Identification of cold-related miRNAs in sugarcane by small RNA sequencing and functional analysis of a cold inducible ScmiR393 to cold stress. Environmental and Experimental Botany. 155, 464-476. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2018.07.030.