دانشگاه گیلان تحقیقات غلات 2252-0163 13 3 2023 12 21 Genome wide identification and characterization of strictosidine synthase-like (SSL) genes in wheat (Triticum aestivum L.) شناسایی و مطالعه ویژگی‌های خانواده ژنی شبه استریکتوسیدین سینتاز (SSL) در گستره ژنوم گندم (Triticum aaestivum L.) 249 268 7556 10.22124/cr.2024.26392.1805 FA محمد حسین رضاددوست استادیار، گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت ایران امین عابدی دانش‌آموخته دکتری، گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران Journal Article 2023 10 24 Introduction Wheat (Triticum aestivum L.) is globally recognized as a crucial food crop. Due to the significant increase in human population in recent years, there is a need for food production to match population growth, especially for primary crops like wheat. Given the decline in wheat cultivation and yield caused by biotic and abiotic stresses, the cultivation of stress-resistant varieties is a cost-effective and fundamental strategy to mitigate their adverse impacts. Identifying resistance genes is essential for developing new resistant varieties using breeding programs. Strictosidine synthase-like (SSL) genes with a length of approximately 400 amino acids, play a role in plant immunity regulation and possess an extracellular structural domain resembling animal hemomyosin. Previous studies have shown that all categories of AtSSL genes exhibit a response to various biotic and abiotic stressors. At present, our major understanding of the SSL gene family in plants is primarily based on research conducted on Arabidopsis thaliana. In this study, bioinformatics tools were used to explore the evolutionary relationships and functional roles of the SSL gene family in wheat. Materials and methods In the first step, the sequence of SSL proteins from rice and Arabidopsis was used to identify genes encoding wheat SSL in the Ensembl Plants database by the PlastP algorithm. Next, phylogenetic relationships were analyzed by MEGA7, the exon-intron structure and intron phase using the Gene Structure view in TBtools-II, and conserved motifs with Multiple Em for Motif Elicitation. Additionally, cis-regulatory elements in the promoter region, gene duplication events, and selection pressure were investigated through PlantCare and the Simple Ka/Ks Calculator in TBtools-II. The expression profiles of TaSSL genes in response to abiotic stresses were analyzed using the expVIP server. All analyses were conducted using default parameters of the software and servers. Research findings This study identified 69 SSL genes in the wheat genome, exhibiting a non-unifom distribution across chromosomes. The evolutionary study of this family revealed two main phylogenetic groups in the SSLs of different organisms: The first group (I), encompassing exclusively wheat and rice SSLs genes, and the second group (II), containing genes from diverse organisms. Further subdivision of group II into three subgroups (A, B, and C) highlighted potential functional divergence among members. The analysis of conserved motifs, gene structure, and intron phase indicated a high degree of conservation for these genes. Furthermore, segmental duplication emerged as the primary driver of wheat SLL gene expansion, and these duplicated genes experiencing strong negative selection pressure. The presence of cis-regulatory elements responsive to hormones and stresses suggests intricate regulation of TaSSL gene expression. Consistent with this notion, RNA-seq data revealed the inducible expression of TaSSL genes in response to abiotic stresses, including cold, heat, drought, and PEG. Conclusion The presence of a distinct evolutionary cluster of wheat SSL genes, characterized by features typically associated with stress-responsive genes such as a low number of introns, the application of negative selection pressure, the presence of regulatory elements responsive to stresses and hormones, as well as the expression patterns of TaSSL genes in response to abiotic stresses indicated their significant role in wheat's stress response mechanisms. Consequently, the findings of this study can provide valuable insights into the functions of TaSSL genes, facilitating the identification of potential candidates for producing stress-resistant wheat varieties in future breeding programs. مقدمه: گندم (Triticum aestivum L.) در سطح جهانی به‌عنوان یک محصول غذایی مهم شناخته شده است. با توجه به افزایش قابل توجه جمعیت، نیاز به تولید مواد غذایی متناسب با رشد جمعیت، به‌ویژه برای محصولات اصلی مانند گندم وجود دارد. با توجه به کاهش کشت و عملکرد گندم در اثر تنش‌های زیستی و غیرزیستی، کشت رقم‌های مقاوم به تنش‌ها مقرون به صرفه‌ترین و اساسی‌ترین رویکرد برای خنثی کردن اثرات منفی این عوامل است. برای دستیابی به این هدف، شناسایی ژن‌های مقاوم به‌عنوان زیربنای ایجاد رقم‌های مقاوم جدید از طریق برنامه‌های به‌نژادی ضروری است. ژن‌های شبه استریکتوسیدین سینتاز (SSL)، دُمین ساختاری خارج سلولی مشابه با همومیوسین جانوری داشته و با طولی در حدود 400 اسید آمینه، در تنظیم ایمنی گیاهان نقش دارند. مطالعات قبلی نشان داده‌اند که همه ژن‌های AtSSL در پاسخ به تنش‌های مختلف زیستی و غیرزیستی نقش دارند. با این‌حال، عمده درک ما از خانواده ژنی SSL در گیاهان فقط بر اساس تحقیقات انجام شده روی آرابیدوپسیس تالیانا به‌دست آمده است. در این مطالعه، از ابزارهای بیوانفورماتیک به‌منظور رمزگشایی روابط تکاملی و نقش‌ کارکردی خانواده ژنی SSL در گندم استفاده شد. مواد و روش‌ها: در اولین مرحله، توالی پروتئین‌های SSL برنج و آرابیدوپسیس از طریق الگوریتم PlastP به‌منظور شناسایی ژن‌های کد کننده SSL گندم در پایگاه داده Ensembl Plants مورد استفاده قرار گرفت. در ادامه روابط فیلوژنتیک با MEGA7، ساختار اگزون- اینترون و فاز اینترونی با Gene Structure view in TBtools-II و موتیفهای حفاظت شده با Multiple Em for Motif Elicitation تجزیه و تحلیل شد. همچنین، عناصر تنظیمی Cis ناحیه پروموتری، مضاعف‌شدگی ژن‌ها و فشار گزینش به‌ترتیب با استفاده از PlantCare و TBtools-II Simple Ka/Ks Calculator مورد مطالعه قرار گرفت. بررسی پروفایل بیان ژن‌های TaSSL در پاسخ به تنش‌های غیرزیستی نیز با استفاده از سرور expVIP انجام گرفت. در تمامی تجزیه‌ها از پارامترهای پیش‌فرض استفاده شد. یافته‌های تحقیق: بر اساس نتایج این مطالعه، 69 ژن SSL در گستره ژنوم گندم یافت شد که به‌صورت غیر یکنواخت روی کروموزوم‌های متفاوت قرار گرفته بودند. مطالعه تکاملی این خانواده نشان داد که SSLهای موجودات مختلف در دو گروه فیلوژنتیک اصلی قرار می‌گیرند. گروه اول (I)، فقط شامل ژن‌های SSL گندم و برنج بود و در گروه دوم (II)، ژن‌های موجودات مختلف قرار گرفتند. گروه دوم خود به سه زیرگروه A، B و C تقسیم شد و اعضای هر گروه از نظر کارکرد می‌توانند متفاوت باشند. تجزیه و تحلیل موتیف‌های حفاظت‌شده، ساختار ژنی و فاز اینترونی، حفاظت‌شدگی بالای این ژن‌ها را نشان داد. از سوی دیگر، مضاعف‌شدگی سگمنتال عامل اصلی بسط ژن‌های SSL گندم بود و ژن‌های مضاعف‌شده تحت فشار گزینش منفی شدید قرار داشتند. وجود عناصر تنظیمی Cis پاسخ به هورمون‌ها و تنش‌ها نشان می‌دهد که تنظیم بیان ژنهای TaSSL بسیار پیچیده است. از سوی دیگر، بررسی پروفایل بیانی ژن‌های TaSSL در پاسخ به تنش‌های غیرزیستی بر اساس داده‌های RNA-seq نشان داد که این ژن‌ها در اثر تنش‌های سرما، گرما، خشکی و PEG القاء می‌شوند که در راستای وجود عناصر تنظیمی Cis پاسخ به هورمون‌ها و تنش‌ها هستند. نتیجه‌گیری: وجود گروه تکاملی اختصاصی ژن‌های SSL گندم در کنار ویژگی‌های مربوط به ژن‌های پاسخ به تنش مانند تعداد کم اینترون، فشار گزینش منفی اعمال شده بر آن‌ها، وجود عناصر تنظیمی پاسخ به تنش‌ها و هورمون‌ها و نیز الگوی بیان ژن‌های TaSSL در پاسخ به تنش‌های غیرزیستی نشان داد که این ژن‌ها نقش مهمی در پاسخ گندم به تنش‌ها دارند. یافته‌های این تحقیق می‌تواند به درک نقش ژن‌های TaSSL کمک کند و منجر به شناسایی ژن‌های بالقوه به‌منظور ایجاد رقم‌های گندم مقاوم به تنش در برنامه‌های به‌نژادی آینده شود.

https://cr.guilan.ac.ir/article_7556_4f37cf4f8d5e9f166d1f19adcc653e5e.pdf