شناسایی 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 (آدرس جدید: پژوهشگر، واحد فناور زیست رادان ژن کاسپین (بیوژن تک)، مرکز رشد واحدهای فناور، پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی منطقه شمال کشور، رشت، ایران)

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 ژن‌ها و miRNA های کلیدی 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 از پایگاه داده NCBI با سه تکرار جمع‌آوری و ژن‌های تفرق‌یافته در این دو ژنوتیپ با استفاده از ابزار GEO2R شناسایی شدند. ژن‌های با LogFC ≥ 3 و LogFC ≤ -3 به‌ترتیب به‌عنوان ژن‌های با افزایش و کاهش بیان در نظر گرفته شدند. به‌منظور تعیین ژن‌های مشترک بین ژنوتیپ‌های حساس (IR20) و متحمل (Dagad Deshi) از ابزار VENNY استفاده شد و جهت انتخاب ژن‌های کلیدی پاسخ دهنده به تنش خشکی، ژن‌هایی که فقط در ژنوتیپ متحمل بیان شدند، با استفاده از نرم‌افزار Cytoscape، پلاگین CytoHubba و روش MCC (Maximal Clique Centrality) شناسایی شدند. فرآیندهای زیستی ژن‌های کلیدی و مسیرهای ژن‌هایی که تفرق بیان یافتند، توسط ابزار DAVID بررسی و مسیرهای مهم‌تر با استفاده از تجزیه مسیر به‌کمک پایگاه داده KEGG شناسایی شدند. برای شناسایی miRNA های تنظیم کننده ژن‌های کلیدی نیز از ابزار psRNATarget نسخه 2017 استفاده شد.

یافته‌های تحقیق: تجزیه و تحلیل داده‌های میکروآرایه نشان داد که در شرایط تنش خشکی در رقم متحمل (Dagad Deshi)، 33 درصد و 26 درصد از ژن‌ها به‌ترتیب افزایش و کاهش بیان معنی‌دار نشان دادند، در حالی‌که در رقم حساس (IR20)، افزایش و کاهش بیان معنی‌دار به‌ترتیب در هفت و شش درصد از ژن‌ها مشاهده شد. همچنین، 766 ژن در هر دو رقم متحمل و حساس، افزایش بیان و 340 ژن کاهش بیان معنی‌داری را نشان دادند. معنی‌دارترین فرآیندهای زیستی، اجزای سلولی و عملکردهای مولکولی در بین ژن‌های افزایش بیان یافته در رقم متحمل به‌ترتیب شامل پاسخ به سالیسیلیک اسید، سیتوپلاسم و فعالیت کربوکسی لیاز و در بین ژن‌های کاهش بیان یافته به‌ترتیب شامل مونومتیلاسیون پپتیدیل لیزین، زیرواحد بزرگ ریبوزومی میتوکندری و فعالیت آسیل CoA ردوکتاز با زنجیره بلند تشکیل دهنده الکل بودند. تجزیه و تحلیل غنی‌سازی مسیر KEGG نشان داد که ژن‌های افزایش و کاهش بیان یافته در رقم متحمل به‌ترتیب در 18 و 10 مسیر غنی شدند. از بین ژن‌های تغییر بیان یافته، 15 ژن از جمله چندین ژن از خانواده ژنی MCM (Minichromosome Maintenance Complex) به‌عنوان ژن‌های موثر و کلیدی در مسیر تحمل به تنش خشکی در برنج انتخاب شدند. این ژن‌ها شامل MCM5، Os05g0358200، MCM4، MCM7، NAC037، OS11G0128400، CDC6، RPA2A، OS12G0124700، MCM3، POLA، Os07g0406800، MCM6، Os05g0160800 و PCNA بودند. علاوه بر این، برای ژن‌های موثر در مسیر تحمل به تنش خشکی در برنج، تعداد 247 miRNA از جمله osa-miR172c، osa-miR1849، osa-miR2925، osa-miR397a و osa-miR414 نیز شناسایی و معرفی شدند.
 
نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج این مطالعه، تعداد 15 ژن از جمله چندین ژن از خانواده ژنی MCMs و همچنین 247 miRNA به‌عنوان ژن‌ها و miRNA های موثر و کلیدی دخیل در مسیر تحمل به تنش خشکی در برنج شناسایی شدند. از ژن‌ها و miRNA های شناسایی شده در این تحقیق می‌توان به‌منظور به‌نژادی و تولید گیاهان متحمل به تنش خشکی در برنج استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Identification 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 (Researcher, BioGenTAC Inc, Technology Incubator of Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran-North Branch (ABRII)
چکیده [English]

Introduction
Plants are often exposed to a various biotic and abiotic stresses. Salinity, drought, and temperature stresses are abiotic factors that negatively affect on 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 miRNAs involved in drought stress tolerance and introduce them to improve rice plants for drought stress tolerance.

Materials and methods
In this study, microarray data of two drought-tolerant (Dagad Deshi) and drought-sensitive (IR20) rice varieties under drought stress were collected in three replications from the NCBI database and differentially expressed genes in these genotypes were identified using the GEO2R tool. Genes with LogFC ≥ 3 and LogFC ≤ -3 were considered as genes with increased and decreased expression, respectively. To determine the common genes between the sensitive (IR20) and tolerant (Dagad Deshi) genotypes, the VENNY tool was used, and to select key genes responsive to drought stress, genes that were expressed only in the drought-tolerant genotype were identified using the Cytoscape software, with the CytoHubba plugin and the MCC (Maximal Clique Centrality) method. The biological processes of key genes and differentially expressed gene pathways were assessed by the DAVID tool and the most important pathways were identified using the path analysis by the KEGG database. The psRNATarget tool version 2017 was also used to identify miRNAs regulating key genes.

Research findings
Microarray data analysis revealed that under drought stress conditions, significant up-expressed and down-expressed genes were observed in 33% and 26% of genes in the tolerant cultivar (Dagad Deshi) and 7% and 6% of genes in the sensitive cultivar (IR20), respectively. Also, in both tolerant and sensitive cultivars, 766 and 340 genes exhibited significant increase and decrease in gene expression, respectively. The most significant biological processes, cellular components and molecular functions among the up-expressed genes in the tolerant cultivar (Dagad Deshi), included response to salicylic acid, cytoplasm and carboxylase activity, respectively, and among the down-expressed genes included monomethylation of peptidyl lysine, large mitochondrial ribosomal subunit and long-chain acyl-CoA reductase activity forming alcohol, respectively. KEGG pathway enrichment analysis revealed that the up-expressed and down-expressed genes in the tolerant cultivar were enriched in 18 and 10 pathways, respectively. Among the altered expression genes, 15 genes including several genes from the MCM (Minichromosome Maintenance Complex) gene family, were selected as key genes involved in the drought stress tolerance pathway in rice. These genes included MCM5, Os05g0358200, MCM4, MCM7, NAC037, CDC6, OS11G0128400, RPA2A, OS12G0124700, MCM3, POLA, Os07g0406800, MCM6, Os05g0160800 and PCNA genes. Finally, 247 miRNAs including osa-miR172c, osa-miR1849, osa-miR2925, osa-miR397a and osa-miR414 were identified and introduced for genes involved in the drought stress tolerance pathway in rice.

Conclusion
Based on the results of this study, 15 genes including several genes from the MCMs gene family as well as 247 miRNAs were identified as key genes and miRNAs involved in the drought stress tolerance pathway in rice. The genes and miRNAs identified in this study can be used to improve and produce drought-tolerant plants in rice.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Abiotic stresses
  • Cytoscape
  • Gene expression
  • GEO2R
  • Microarray

مراجع

Ali, W., Mao, K., Zhang, H., Junaid, M., Xu, N., Rasool, A., Feng, X., & Yang, Z. (2020). Comprehensive review of the basic chemical behaviours, sources, processes, and endpoints of trace element contamination in paddy soil-rice systems in rice-growing countries. Journal of Hazardous Materials, 397, 122720. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.122720.##Azimi, N., Ravash, R., & Zinati, Z. (2024). Microarray meta-analysis and supervised machine learning to explore drought-tolerance-associated genes in wheat (Triticum aestivum). Genetic Resources & Crop Evolution, 71, 3815-3831. doi: 10.1007/s10722-024-01893-9.##Asres, L. A. (2023). Alternative techniques of irrigation water management for improving crop water productivity. Reviews in Agricultural Science, 11, 36-53. doi: 10.7831/ras.11.0_36.##Baldrich, P., & San Segundo, B. (2016). MicroRNAs in rice innate immunity. Rice, 9(1), 6. doi: 10.1186/s12284-016-0078-5.##Batool, T., Ali, S., Seleiman, M. F., Naveed, N. H., Ali, A., Ahmed, K., Abid, M., Rizwan, M., Shahid, M. R., & Alotaibi, M. (2020). Plant growth promoting rhizobacteria alleviates drought stress in potato in response to suppressive oxidative stress and antioxidant enzymes activities. Scientific Reports, 10(1), 16975. doi: 10.1038/s41598-020-73489-z.##Chandra, S., & Roychoudhury, A. (2020). Penconazole, paclobutrazol, and triacontanol in overcoming environmental stress in plants. In:  Roychoudhury, A., & Tripathi, D. K. (Eds.). Protective Chemical Agents in the Amelioration of Plant Abiotic Stress: Biochemical and Molecular Perspectives. pp. 510-534. doi: 10.1002/9781119552154.ch26.##Das, B., Sen, A., Roy, S., Banerjee, O., & Bhattacharya, S. (2021). miRNAs: Tiny super-soldiers shaping the life of rice plants for facing “stress”-ful times. Plant Gene, 26, 100281. doi: 10.1016/j.plgene.2021.100281.##Delarampoor, M. A., Fahmideh, L., & Fooladvand, Z. (2019). Effect of drought stress on NAC gene expression in some bread wheat cultivars of Sistan region. Environmental Stresses in Crop Sciences, 12(3), 649-662. [In Persian]. doi: 10.22077/escs.2019.1484.1361.##El-Esawi, M. A., & Alayafi, A. A. (2019). Overexpression of StDREB2 transcription factor enhances drought stress tolerance in cotton (Gossypium barbadense L.). Genes (Basel), 10(2), 142. doi: 10.3390/genes10020142.##Gao, Z., Ma, C., Zheng, C., Yao, Y., & Du, Y. (2022). Advances in the regulation of plant salt-stress tolerance by miRNA. Molecular Biology Reports, 49(6), 5041-5055. doi: 10.1007/s11033-022-07179-6.##Gill, S. S., Chahar, P., Macovei, A., Yadav, S., Ansari, A. A., Tuteja, N., & Gill, R. (2021). Comparative genomic analysis reveals evolutionary and structural attributes of MCM gene family in Arabidopsis thaliana and Oryza sativa. Journal of Biotechnology, 327, 117-132. doi: 10.1016/j.jbiotec.2020.12.010.##Gong, Z., Xiong, L., Shi, H., Yang, S., Herrera-Estrella, L. R., Xu, G., Chao, D.-Y., Li, J., Wang, P. -Y., Qin, F., Li, J., Ding, Y., Shi, Y., Wang, Y., Yang, Y., Guo, Y., & Zhu, J. -K. (2020). Plant abiotic stress response and nutrient use efficiency. Science China Life Sciences, 63, 635-674. doi: 10.1007/s11427-020-1683-x.##Ha, M., & Kim, V. N. (2014). Regulation of microRNA biogenesis. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 15(8), 509-524. doi: 10.1038/nrm3838.##Huang, Q., Wang, Y., Li, B., Chang, J., Chen, M., Li, K., Yang, G., & He, G. (2015). TaNAC29, a NAC transcription factor from wheat, enhances salt and drought tolerance in transgenic Arabidopsis. BMC Plant Biology, 15, 268. doi: 10.1186/s12870-015-0644-9.##Jia, X., Zeng, Z., Lyu, Y., & Zhao, S. (2022). Drought-responsive NAC transcription factor RcNAC72 is recognized by RcABF4, interacts with RcDREB2A to enhance drought tolerance in Arabidopsis. International Journal of Molecular Sciences, 23(3), 1755. doi: 10.3390/ijms23031755.##Kamrava, S., Babaeian Jelodar, N. A., Bagheri, N. A., & Nazarian-Firouzabadi, F. (2024). Investigating the expression pattern of SAPK1 gene from protein kinase gene group (SNF1-Type) in rice plants under salt stress. Journal of Crop Production, 17(1), 169-186. [In Persian]. doi: 10.22069/ejcp.2024.21425.2582.##Khorrami Moghadam, M., Khoshhal Sarmast, M., Ghasemnajad, A., & Savchenko, T. (2024). Mitigation of root and shoot proline content in response to jasmonic and salicylic acid in Rosa damacena subjected to short drought stress. Journal of Plant Production Research, 30(4), 171-190. [In Persian]. doi: 10.22069/JOPP.2024.21547.3063.##Kohli, S. K., Handa, N., Sharma, A., Gautam, V., Arora, S., Bhardwaj, R., Wijaya, L., Alyemeni, M. N., & Ahmad, P. (2018). Interaction of 24-epibrassinolide and salicylic acid regulates pigment contents, antioxidative defense responses, and gene expression in Brassica juncea L. seedlings under Pb stress. Environmental Science & Pollution Research, 25, 15159-15173. doi: 10.1007/s11356-018-1742-7.##Li, C., Nong, W., Zhao, S., Lin, X., Xie, Y., Cheung, M.-Y., Xiao, Z., Wong, A. Y., Chan, T. F., & Hui, J. H. (2022). Differential microRNA expression, microRNA arm switching, and microRNA:long noncoding RNA interaction in response to salinity stress in soybean. BMC Genomics, 23(1), 65. doi: 10.1186/s12864-022-08308-y.##Li, M., & Yu, B. (2021). Recent advances in the regulation of plant miRNA biogenesis. RNA Biology, 18(12), 2087-2096. doi: 10.1080/15476286.2021.1899491.##Li, C. Y., Cai, J.-H., Tsai, J. J., & Wang, C. C. (2020). Identification of hub genes associated with development of head and neck squamous cell carcinoma by integrated bioinformatics analysis. Frontiers in Oncology, 10, 681. doi: 10.3389/fonc.2020.00681.##Ma, Y., Tang, M., Wang, M., Yu, Y., & Ruan, B. (2024). Advances in understanding drought stress responses in rice: Molecular mechanisms of ABA signaling and breeding prospects. Genes, 15(12), 1529. doi: 10.3390/genes15121529.##Mahmoudi, A., Aalami, A., Hasani Komleh, H., Esfehani, M., & Shirzadian, R. (2018). Assessment of NAC2, MYB and CBF14 genes expression in susceptible and resistant Aegilops genotypes to salinity. Iranian Journal of Rangelands & Forests Plant Breeding & Genetic Research, 26(2), 244-253. [In Persian]. doi: 10.22092/ijrfpbgr.2018.117963.##Noman, A., & Aqeel, M. (2017). miRNA-based heavy metal homeostasis and plant growth. Environmental Science & Pollution Research, 24, 10068-10082. doi: 10.1007/s11356-017-8593-5.##Pasandideh Arjmand, M., Farrokhi, N., Samizadeh Lahiji, H., & Mohsenzadeh Golfazani, M. (2024). Deciphering the regulatory network of some key drought-responsive genes and microRNAs in canola. Journal of Genetic Resources, 10(1), 29-39. doi: 10.22080/jgr.2024.26535.1380.##Patel, P., Yadav, K., Ganapathi, T., & Penna, S. (2019). Plant miRNAome: Cross talk in abiotic stressful times. In: Rajpal, V. R., Sehgal, D., Kumar, A., & Raina, S. N. (Eds.). Genetic Enhancement of Crops for Tolerance to Abiotic Stress: Mechanisms and Approaches, Vol. I. Springer Cham. pp. 25-52. doi: 10.1007/978-3-319-91956-0_2.##Poursharifi, M. S., & Zarei, M. A. (2016). Alpha-glucosidase inhibitory activity in hexane extracts of some plants from Kurdistan province. Journal of Medicinal Plants, 15(58), 120-133. dor: 20.1001.1.2717204.2016.15.58.3.1.##Sasi, J. M., VijayaKumar, C., Kukreja, B., Budhwar, R., Shukla, R. N., Agarwal, M., & Katiyar-Agarwal, S. (2022). Integrated transcriptomics and miRNAomics provide insights into the complex multi-tiered regulatory networks associated with coleoptile senescence in rice. Frontiers in Plant Science, 13, 985402. doi: 10.3389/fpls.2022.985402.##Seleiman, M. F., Al-Suhaibani, N., Ali, N., Akmal, M., Alotaibi, M., Refay, Y., Dindaroglu, T., Abdul-Wajid, H. H., & Battaglia, M. L. (2021). Drought stress impacts on plants and different approaches to alleviate its adverse effects. Plants, 10(2), 259. doi: 10.3390/plants10020259.##Shojaee, S., Ravash, R., Shiran, B., & Ebrahimie, E. (2020). Identification of a number of genes with different expression patterns between resistant and susceptible wheat cultivars in response to drought stress by using meta-analysis method. Agricultural Biotechnology Journal, 12(3), 157-176. [In Persian]. doi: 10.22103/JAB.2020.15218.1194.##Shojaee, S., Ravash, R., Shiran, B., & Ebrahimie, E. (2022). Meta-analysis highlights the key drought responsive genes in genes: PEPC and TaSAG7 are hubs response networks. Journal of Genetic Engineering & Biotechnology, 20(1), 127. doi: 10.1186/s43141-022-00395-4.##Silva Filho, J. L. B. D., Pestana, R. K. N., Silva Júnior, W. J. D., Coelho Filho, M. A., Ferreira, C. F., de Oliveira, E. J., & Kido, E. A. (2024). Exploiting DNA methylation in cassava under water deficit for crop improvement. PLoS One, 19(2), e0296254. doi: 10.1371/journal.pone.0296254.##Tuteja, N., Tran, N. Q., Dang, H. Q., & Tuteja, R. (2011). Plant MCM proteins: Role in DNA replication and beyond. Plant Molecular Biology, 77, 537-545. doi: 10.1007/s11103-011-9836-3.##Asefpour Vakilian, K. (2019). Gold nanoparticles-based biosensor can detect drought stress in tomato by ultrasensitive and specific determination of miRNAs. Plant Physiology & Biochemistry, 145, 195-204. doi: 10.1016/j.plaphy.2019.10.042.##Yin, J., Liu, Y., Lu, L., Zhang, J., Chen, S., & Wang, B. (2022). Comparison of tolerant and susceptible cultivars revealed the roles of circular RNAs in rice responding to salt stress. Plant Growth Regulation, 96, 243-254. doi: 10.1007/s10725-021-00772-y.##Yousfi, S., Márquez, A. J., Betti, M., Araus, J. L., & Serret, M. D. (2016). Gene expression and physiological responses to salinity and water stress of contrasting durum wheat genotypes. Journal of Integrative Plant Biology, 58(1), 48-66. doi: 10.1111/jipb.12359.##Zhang, B., & Chen, X. (2021). Secrets of the MIR172 family in plant development and flowering unveiled. PLOS Biology, 19(2), e3001099. doi: 10.1371/journal.pbio.3001099.##Zhang, C., Yang, H., Wu, W., & Li, W. (2017). Effect of drought stress on physiological changes and leaf surface morphology in the blackberry. Brazilian Journal of Botany, 40, 625-634. doi: 10.1007/s40415-017-0377-0.##Zhang, F., Yang, J., Zhang, N., Wu, J., & Si, H. (2022a). Roles of microRNAs in abiotic stress response and characteristics regulation of plant. Frontiers in Plant Science, 13, 919243. doi: 10.3389/fpls.2022.919243.##Zhang, X., Li, W., Liu, Y., Li, Y., Li, Y., Yang, W., Chen, X., Pi, L., & Yang, H. (2022b). Replication protein RPA2A regulates floral transition by cooperating with PRC2 in Arabidopsis. New Phytologist, 235(6), 2439-2453. doi: 10.1111/nph.18279.##Zhang, Y., Chen, Q., Zhu, G., Zhang, D., & Liang, W. (2022c). Chromatin-remodeling factor CHR721 with non-canonical PIP-box interacts with OsPCNA in Rice. BMC Plant Biology, 22(1), 164. doi: 10.1186/s12870-022-03532-w.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار