نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی سابق دکتری، گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان

2 دانشیار گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان

3 استادیار گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان

4 استادیار پژوهش موسسه تحقیقات برنج کشور، معاونت مازندران، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، آمل

5 استاد گروه بیوشیمی گیاهی، دانشگاه HHU، دوسلدورف، آلمان

6 استادیار گروه بیوشیمی گیاهی، دانشگاه HHU، دوسلدورف، آلمان

چکیده

به دلیل حساسیت بالا، رشد و نمو و عملکرد گیاه برنج تحت تأثیر تنش شوری به‌شدت کاهش می‌یابد. درک وقوع تنش و اتخاذ واکنش‌های اسمزی و یونی نیازمند درگیر‌کردن مسیرهای پیام‌رسانی است. در تحقیق حاضر یک مطالعه RNA-Seq به منظور مطالعه بیان ژن‌های درگیر در مسیر پیام‌رسانی تنش شوری در برنج صورت پذیرفت. بدین منظور ارقام حساس IR28 و متحمل CSR28 پس از جوانه‌زنی و کشت در محیط کشت هیدروپونیک، تحت تیمار شوری 150 میلی‌مولار قرار گرفتند و پس از 6 و 54 ساعت از وقوع تنش، نمونه‌برداری از اندام‌های ریشه و هوایی انجام شد. از 48 نمونه توالی‌یابی شده در مجموع 15483 ژن دارای بیان افتراقی بودند که تجزیه مسیر MapMan توانست 91 ژن درگیر در مسیر پیام‌رسانی را با مقایسه ارقام حساس و متحمل در شرایط اختصاصی تنش شوری شناسایی کند که 27 ژن دارای بیان بالا بودند. بیشترین اختلاف ارقام مربوط به زمان 54 ساعت و اندام ریشه بود که در 21 ژن رقم متحمل بیان بالاتری نسبت به رقم حساس داشت. بررسی نوع ژن‌های پیام‌رسان نشان داد که پروتئین‌های کینازی بیشترین سهم را داشتند. ژن‌های OsSIK1، OsSAPK4، OsCIPK05، OsCIPK14، OsCBL4 و OsPP2C1 از مهم‌ترین ژن‌های درگیر در پیام‌رسانی بودند که در تحقیق حاضر بیان بالاتری در رقم متحمل CSR28 نسبت به رقم حساس IR28 داشتند. شناسایی ژن‌های درگیر در مسیرهای پیام‌رسانی و آگاهی از نحوه تعامل آن‌ها، کمک شایانی به اصلاحگران به‌منظور انتخاب و توسعه ارقام برنج متحمل به تنش شوری خواهد کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

Akbarzadeh Lelekami, M., Pahlevani, M. H., Zaynali Nezhad, K., Mahdavi Mashaki, K., PM Weber, A., Brilhaus, D., 2020. Response of some of primary metabolites in rice (Oryza sativa L.) root to salinity stress. Journal of Crop Breeding. 12, 210-217. [In Persian with English summary].
Andrews, S., 2010. FastQC: a quality control tool for high throughput sequence data. Available online at: http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc
Asano, T., Hayashi, N., Kobayashi, M., Aoki, N., Miyao, A., Mitsuhara, I., Kikuchi, S., 2012. A rice calcium‐dependent protein kinase OsCPK12 oppositely modulates salt‐stress tolerance and blast disease resistance. The Plant Journal. 69, 26-36.
Bolger, A. M., Lohse, M., Usadel, B., 2014. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics. 30, 2114-2120.
Chen, X. F., Gu, Z. M., Feng, L., Zhang, H. S., 2011. Molecular analysis of rice CIPKs involved in both biotic and abiotic stress responses. Rice Science. 18, 1-9.
Chinnusamy, V., Jagendorf, A., Zhu, J. K., 2005. Understanding and improving salt tolerance in plants. Crop Science. 45, 437-448.
Cotsaftis, O., Plett, D., Johnson, A. A., Walia, H., Wilson, C., Ismail, A. M., Close, T. J., Tester, M., Baumann, U., 2011. Root-specific transcript profiling of contrasting rice genotypes in response to salinity stress. Molecular Plant. 4, 25-41.
Howe, E. A., Sinha, R., Schlauch, D., Quackenbush, J., 2011. RNA-Seq analysis in MeV. Bioinformatics. 27, 3209-3210.
Hunter, M. C., Smith, R. G., Schipanski, M. E., Atwood, L. W., Mortensen, D. A., 2017. Agriculture in 2050: Recalibrating targets for sustainable intensification. Bioscience. 67, 386-391.
Jung, S.E., Bang, S.W., Kim, S.H., Seo, J.S., Yoon, H.-B., Kim, Y.S., Kim, J.K., 2021. Overexpression of OsERF83, a vascular tissue-specific transcription factor gene, confers drought tolerance in rice. International Journal of Molecular Sciences. 22, 7656.
Kobayashi, Y., Yamamoto, S., Minami, H., Kagaya, Y., Hattori, T., 2004. Differential activation of the rice sucrose nonfermenting1–related protein kinase2 family by hyperosmotic stress and abscisic acid. The Plant Cell. 16, 1163-1177.
Lim, C.W., Yang, S.H., Shin, K.H., Lee, S.C., Kim, S.H., 2015. The AtLRK10L1.2, Arabidopsis ortholog of wheat LRK10, is involved in ABA-mediated signaling and drought resistance. Plant Cell Reports. 34, 447-455.
Luan, S., 2003. Protein phosphatases in plants. Annual Review of Plant Biology. 54, 63-92.
Luan, S., 2009. The CBL–CIPK network in plant calcium signaling. Trends in Plant Science. 14, 37-42.
Mansuri, R.M., Shobbar, Z.S., Jelodar, N.B., Ghaffari, M.R., Nematzadeh, G.A., Asari, S., 2019. Dissecting molecular mechanisms underlying salt tolerance in rice: a comparative transcriptional profiling of the contrasting genotypes. Rice. 12, 13.
Mantri, N., Patade, V., Penna, S., Ford, R., & Pang, E., 2012. Abiotic stress responses in plants: present and future. Springer. 1-19.
Martínez-Atienza, J., Jiang, X., Garciadeblas, B., Mendoza, I., Zhu, J.-K., Pardo, J.M., Quintero, F.J., 2007. Conservation of the salt overly sensitive pathway in rice. Plant Physiology. 143, 1001-1012.
Miyakawa, T., Hatano, K.I., Miyauchi, Y., Suwa, Y.I., Sawano, Y., Tanokura, M., 2014. A secreted protein with plant-specific cysteine-rich motif functions as a mannose-binding lectin that exhibits antifungal activity. Plant Physiology. 166, 766-778.
Nagy, E.D., Lee, T.C., Ramakrishna, W., Xu, Z., Klein, P.E., SanMiguel, P., Schertz, K., 2007. Fine mapping of the Pc locus of Sorghum bicolor, a gene controlling the reaction to a fungal pathogen and its host-selective toxin. Theoretical and Applied Genetics. 114, 961-970.
Naithani, S., Dikeman, D., Garg, P., Al-Bader, N., Jaiswal, P., 2021. Beyond gene ontology (GO): using biocuration approach to improve the gene nomenclature and functional annotation of rice S-domain kinase subfamily. PeerJ. 9, e11052.
Nongpiur, R.C., Singla-Pareek, S.L., Pareek, A., 2020. The quest for osmosensors in plants. Journal of Experimental Botany. 71, 595-607.
Ouyang, S.Q., Liu, Y.F., Liu, P., Lei, G., He, S.J., Ma, B., Zhang, W.K., Zhang, J.S., Chen, S.Y., 2010. Receptor‐like kinase OsSIK1 improves drought and salt stress tolerance in rice (Oryza sativa) plants. The Plant Journal. 62, 316-329.
Qiu, Q.S., Guo, Y., Dietrich, M.A., Schumaker, K.S., Zhu, J.K., 2002. Regulation of SOS1, a plasma membrane Na+/H+ exchanger in Arabidopsis thaliana, by SOS2 and SOS3. Proceedings of the National Academy of Sciences. 99, 8436-8441.
Reddy, A. S., 2001. Calcium: silver bullet in signaling. Plant Science. 160, 381-404.
Saijo, Y., Hata, S., Kyozuka, J., Shimamoto, K., Izui, K., 2000. Over‐expression of a single Ca2+‐dependent protein kinase confers both cold and salt/drought tolerance on rice plants. The Plant Journal. 23, 319-327.
Schweighofer, A., Hirt, H., Meskiene, I., 2004. Plant PP2C phosphatases: emerging functions in stress signaling. Trends in Plant Science. 9, 236-243.
Shiu, S.H., Karlowski, W.M., Pan, R., Tzeng, Y. H., Mayer, K.F., Li, W. H., 2004. Comparative analysis of the receptor-like kinase family in Arabidopsis and rice. The Plant Cell. 16, 1220-1234.
Singh, A., Giri, J., Kapoor, S., Tyagi, A.K., Pandey, G.K., 2010. Protein phosphatase complement in rice: genome-wide identification and transcriptional analysis under abiotic stress conditions and reproductive development. BMC Genomics. 11, 1-18.
Thimm, O., Bläsing, O., Gibon, Y., Nagel, A., Meyer, S., Krüger, P., Selbig, J., Müller, L.A., Rhee, S.Y., Stitt, M., 2004. MAPMAN: a user‐driven tool to display genomics data sets onto diagrams of metabolic pathways and other biological processes. The Plant Journal. 37, 914-939.
Todaka, D., Nakashima, K., Shinozaki, K., Yamaguchi-Shinozaki, K., 2012. Toward understanding transcriptional regulatory networks in abiotic stress responses and tolerance in rice. Rice. 5, 6.
Trapnell, C., Pachter, L., Salzberg, S.L., 2009. TopHat: discovering splice junctions with RNA-Seq. Bioinformatics. 25, 1105-1111.
Trapnell, C., Williams, B.A., Pertea, G., Mortazavi, A., Kwan, G., Van Baren, M.J., Salzberg, S.L., Wold, B.J., Pachter, L., 2010. Transcript assembly and quantification by RNA-Seq reveals unannotated transcripts and isoform switching during cell differentiation. Nature Biotechnology. 28, 511-515.
Trapnell, C., Roberts, A., Goff, L., Pertea, G., Kim, D., Kelley, D.R., Pimentel, H., Salzberg, S.L., Rinn, J.L., Pachter, L., 2012. Differential gene and transcript expression analysis of RNA-seq experiments with TopHat and Cufflinks. Nature Protocols. 7, 562-578.
Trapnell, C., Hendrickson, D. G., Sauvageau, M., Goff, L., Rinn, J.L., Pachter, L., 2013. Differential analysis of gene regulation at transcript resolution with RNA-seq. Nature Biotechnology. 31, 46-53.
Vij, S., Giri, J., Dansana, P.K., Kapoor, S., Tyagi, A.K., 2008. The receptor-like cytoplasmic kinase (OsRLCK) gene family in rice: organization, phylogenetic relationship, and expression during development and stress. Molecular Plant. 1, 732-750.
Walia, H., Wilson, C., Zeng, L., Ismail, A.M., Condamine, P., Close, T. J., 2007. Genome-wide transcriptional analysis of salinity stressed japonica and indica rice genotypes during panicle initiation stage. Plant Molecular Biology. 63, 609-623.
Wang, C., Li, D., Wang, P., Chen, D., Chen, X., 2020. Genome-wide analysis of HAESA/HAESA-like kinase family in rice. American Journal of Plant Sciences. 11, 1254.
Xiang, Y., Huang, Y., Xiong, L., 2007. Characterization of stress-responsive CIPK genes in rice for stress tolerance improvement. Plant Physiology. 144, 1416-1428.
Yoshida, S., Forno, D.A., Cock, J. H., 1971. Laboratory manual for physiological studies of rice. Laboratory Manual for Physiological Studies of Rice. IRRI. 83p.
You, J., Zong, W., Hu, H., Li, X., Xiao, J., Xiong, L., 2014. A stress-responsive NAC1-regulated protein phosphatase gene rice protein phosphatase18 modulates drought and oxidative stress tolerance through abscisic acid-independent reactive oxygen species scavenging in rice. Plant Physiology. 166(4), 2100-2114.