بررسی ژن‌های کلیدی و miRNA های دخیل در تحمل به تنش خشکی در برنج (Oryza sativa L.)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

2 دانشیار، گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

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

4 دانش‌آموخته دکتری، گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

10.22124/cr.2025.29246.1844

چکیده

مقدمه: گیاهان اغلب در معرض انواع تنش‌های زیستی و غیرزیستی قرار می‌گیرند. تنش‌های شوری، خشکی و دما از عوامل غیرزیستی هستند که با تأثیر منفی بر ویژگی‌های فیزیولوژیک و بیوشیمیایی گیاهان، سبب کاهش رشد و بهره‌وری محصول می‌شوند. شناسایی صفات کلیدی مرتبط با تنش‌های زیستی و غیرزیستی برای درک پاسخ گیاهان در سطح مولکولی و سلولی اهمیت زیادی دارد. مطالعه ترکیبات miRNA در گیاهان زراعی ابزار مؤثری برای تشخیص زودهنگام تنش‌ها، تغییرات فیزیولوژیک و تنظیم بیان ژن‌ها است. هدف از انجام این مطالعه، شناسایی ژن‌های کلیدی و مسیرهای درگیر در تحمل به تنش خشکی و معرفی آن‌ها در راستای به‌نژادی گیاه برنج برای تحمل به تنش خشکی بود. 

مواد و روش‌ها: در این مطالعه، داده‌های میکروآرایه دو رقم برنج متحمل (Dagad deshi) و حساس (IR20) تحت تنش خشکی بررسی شد. با استفاده از ابزار GEO2R، ژن‌های تفرق‌یافته در این دو ژنوتیپ شناسایی شدند. مسیرهای بیولوژیکی، اجزای سلولی و عملکردهای مولکولی مرتبط با تحمل به خشکی در رقم متحمل تعیین شدند و ژن‌های کلیدی و miRNAهای تنظیم‌کننده آن‌ها مورد تحلیل قرار گرفتند.

یافته‌های تحقیق: آنالیز داده‌های میکروآرایه نشان داد که در شرایط تنش خشکی در رقم متحمل (Dagad deshi)، افزایش و کاهش بیان معنی‌دار به‌ترتیب در 33 درصد و 26 درصد از ژن‌ها مشاهده شد، در حالی‌که در رقم حساس (IR20)، فقط 7 درصد از ژن‌‌ها افزایش و 6 درصد از ژن‌ها کاهش بیان معنی‌داری را نشان دادند. همچنین 766 ژن در هر دو رقم متحمل و حساس افزایش بیان و 340 ژن کاهش بیان معناداری را نشان دادند. معنادارترین فرآیندهای بیولوژیکی، اجزای سلولی و عملکردهای مولکولی در بین ژن‌های افزایش بیان یافته در رقم متحمل به ترتیب شامل پاسخ به سالیسیلیک اسید، سیتوپلاسم و فعالیت کربوکسی لیاز و در بین ژن‌های کاهش بیان یافته شامل مونومتیلاسیون پپتیدیل لیزین، زیر واحد بزرگ ریبوزومی میتوکندری و فعالیت آسیل CoA ردوکتاز با زنجیره بلند تشکیل دهنده الکل بود. تجزیه تحلیل غنی‌سازی مسیر KEGG نشان داد که ژن‌های افزایش و کاهش بیان یافته در رقم متحمل به ترتیب در18 و 10 مسیر غنی شدند. از بین ژن‌های تغییر بیان یافته 15 ژن کلیدی شامل MCM5، Os05g0358200، MCM4، MCM7، NAC037، OS11G0128400، CDC6، RPA2A، OS12G0124700، MCM3، POLA، Os07g0406800، MCM6، Os05g0160800 و PCNA انتخاب و به‌عنوان ژن‌های موثر در مسیر تحمل به تنش خشکی در برنج انتخاب شدند که چندین ژن از خانواده‌ی ژنی MCMs حضور داشتند. علاوه بر این، 247 miRNA از جمله osa-miR172c ، osa-miR1849، osa-miR2925، osa-miR397a و osa-miR397a برای ژن‌های موثر در مسیر تحمل به تنش خشکی در برنج شناسایی و معرفی شدند.
 
نتیجه‌گیری: به نظر می‌رسد که بتوان از ژن‌های کلیدی و miRNAهای دخیل در تحمل به تنش خشکی شناسایی شده در این تحقیق به منظور به‌نژادی و تولید گیاهان متحمل به تنش خشکی در برنج استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of key genes and miRNAs involved in drought tolerance in rice (Oryza sativa L.)

نویسندگان [English]

  • Sahar Shojaee 1
  • Mohammad Mohsenzadeh Golfazani 2
  • Habibollah Samiezadeh Lahiji 3
  • Maryam Pasandideh arjmand 4
1 Ph. D. Candidate, Department of Agricultural Biotechnology, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran
2 Associate Professor, Department of Agricultural Biotechnology, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran
3 Professor, Department of Agricultural Biotechnology, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran
4 Ph. D. Graduate, Department of Agricultural Biotechnology, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran
چکیده [English]

Introduction
Plants are often exposed to a various of biotic and abiotic stresses. Salinity, drought, and temperature stresses, as the most important abiotic factors, have a negative impact on the physiological and biochemical characteristics of plants and reduce crop growth and productivity. Identifying key characteristics related to biotic and abiotic stresses is important in understanding plant responses at the molecular and cellular levels. Studying miRNA components in crop plants is an effective tool for early detection of stresses, physiological changes, and regulation of gene expression. The objective of this study was to identify key genes and pathways involved in drought stress tolerance and introduce them for breeding rice plants for drought stress tolerance.

Materials and Methods
In this study, microarray data of two rice cultivars, drought-tolerant (Dagad deshi) and drought-sensitive (IR20), were analyzed under drought stress. Differentially expressed genes in these two genotypes were identified using the GEO2R tool. Biological pathways, cellular components, and molecular functions related to drought tolerance in the tolerant cultivar were determined, and key genes and their regulating miRNAs were analyzed.

Research findings
Microarray data analysis revealed that under drought stress conditions, 33% of genes were upregulated and 26% downregulated in the tolerant cultivar (Dagad deshi), while in the sensitive cultivar (IR20), 7% of genes were upregulated and 6% were downregulated with significant expression changes. Additionally, 766 genes exhibited upregulation and 340 genes showed downregulation with significant expression changes in both cultivars. The most significant biological processes, cellular components, and molecular functions among the upregulated genes in the tolerant cultivar included response to salicylic acid, cytoplasm, and carboxylase activity, while downregulated genes included monomethylation of peptide lysine, large mitochondrial ribosomal subunit, and long-chain Acyl-CoA reductase activity forming alcohol. KEGG pathway enrichment analysis revealed that the upregulated and downregulated genes in the tolerant cultivar were enriched in 18 and 10 pathways, respectively. Fifteen key, MCM5، Os05g0358200، MCM4، MCM7، NAC037، OS11G0128400، CDC6، RPA2A، OS12G0124700، MCM3، POLA، Os07g0406800، MCM6، Os05g0160800 و PCNA genes were identified as contributors to drought stress resistance pathways, several of which belonged to the MCM gene family. Finally, 247 miRNAs such as osa-miR172c, osa-miR1849, osa-miR2925, osa-miR397a and osa-miR397a were investigated for genes involved in the drought stress resistance pathway.

Conclusion
The key genes and miRNAs identified in this study, which play a role in drought stress tolerance, seem to have the potential to be used for breeding and developing drought-tolerant rice plants.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Differential Expression
  • Microarray
  • miRNA
  • GO2R
  • Cytoscape