بررسی بیان ژن های osHTAS و HSP70 در ارقام رایج برنج و لاین های امیدبخش متحمل به گرما در خورستان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی ، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

2 مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان خوزستان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، اهواز، ایران

چکیده

مقدمه: گرما و اثرات ناشی از آن یکی از تهدیدها و خسارت­های جدی در مسیر تولید محصولات زراعی و باغی در بسیاری از مناطق جهان محسوب می­شود. تنش حرارتی، تغییرات بسیار گسترده موروفولوژیکی، فیزیولوژیکی، آناتومی و مولکولی را منجر شده که سبب کاهش شدید عملکرد اقتصادی محصولات کشاورزی می­شود. امروزه جهت کاهش این اثرات بازدارنده علاوه بر روش­های اصلاحی کلاسیک و مرسوم می­توان از شیوه­های نوین و مولکولی، جهت شناسایی ژن­های متحمل به گرما بهره جسته و از آن­ها در برنامه­های به نژادی به منظور بهبود تحمل گیاهان به تنش­های محیطی استفاده نمود.
مواد و روش‌ها: به منظور ارزیابی مقاومت به گرما چهار رقم محلی هویزه، حمر، عنبوری قرمز، چمپا و سه لاین امیدبخش متحمل به گرما V1، V2 و V3 که از برنامه­های به­نژادی بین­المللی مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان بدست آمده بود با استفاده از واکنش زنجیره­ای پلیمراز در زمان واقعی در دو تاریخ کشت آزمایشی 20 اردیبهشت ماه (نامطلوب) و 20 خرداد ماه (مطلوب) 1401 توسط ژن­های osHTAS و HSP70 در اهواز مورد بررسی قرار گرفتند.
یافته‌ها: نتایج بدست آمده از آنالیز بیان ژن توسط qPCR در تاریخ کشت اول حضور ژن osHTAS در ارقام و لاین­های برنج را تائید نمود به طوری که رقم محلی چمپا، هویزه و لاین V2 بیان نسبی بالایی را نسبت به سایر ارقام و لاین­های مورد مطالعه داشت و به‌طور معنی­داری با یکدیگر اختلاف داشتند. آنالیز بیان ژن osHTAS در تاریخ کاشت دوم (خرداد ماه) در اهواز نیز حضور ژن تحمل به درجه حرارت بالا در رقم هویزه، حمر و لاین V2 به خوبی نشان از این دارد که ارقام مذکور می­توانند به عنوان لاین­های والدی جهت انتقال ژن تحمل به گرما در برنامه­های به­نژادی مورد استفاده قرار گیرند و از نظر میزان بیان نسبی ژن با یکدیگر از نظر آماری اختلاف معنی­داری را نشان دادند. نتایج بیان نسبی ژن HSP70 در تاریخ کشت اردیبهشت ماه نشان داد که ارقام محلی چمپا، عنبوری قرمز و هویزه نسبت به بقیه برتری ویژه­ای داشتند. نتایج حاصل از بررسی الگوی بیان ژن HSP70 ارقام و لاین­های برنج در تاریخ کاشت دوّم نیز مشخص نمود که ارقام محلی عنبوری قرمز، چمپا، هویزه و حمر برتری را نشان دادند. تحمل ارقام محلی به تنش گرمایی به دلیل رشد سریع و ایجاد پوشش سبزینگی زیاد در مراحل اولیه رشد و سازگاری زیادی که نسبت به شرایط محیطی منطقه داشته­اند، می­باشد.
نتیجه‌گیری: به دلیل حضور ژن­های تحمل به تنش حرارتی و سازگاری بالا نسبت به شرایط محیطی در ارقام محلی به دمای بالا و همچنین رشد سریع، پنجه­زنی بالا و ایجاد پوشش گیاهی زیاد می­توانند در انتقال ژن تحمل به گرما در برنامه­های به­نژادی به عنوان لاین والدی در تلاقی استفاده نمود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluating the expression of osHTAS and HSP70 genes in local cultivars and promising heat-tolerant lines of rice in Khuzestan

نویسندگان [English]

  • Karim Sorkheh 1
  • Abdolali Gilani 2
  • Sami Jalali 2
1 Department of Production Engineering and Plant Genetics, Faculty of Agriculture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.
2 Department of Crop and Horticultural Science Research, Khuzestan Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, AREEO, Ahwaz, Iran
چکیده [English]

Introduction: Heat and its effects are considered one of the serious threats and damages to the production of agricultural and horticultural crops in many regions of the world. Therefore, it has led to pervasive changes in terms of morphological, physiological, anatomical, and molecular, which causes a sharp decrease in the economic performance of agricultural products. Nowadays, in order to reduce these inhibitory effects, in addition to classical and conventional breeding methods, modern and molecular methods can be used to identify heat-tolerant genes and use them in breeding programs to improve plant tolerance to environmental stresses.
Materials and methods: The selection for heat tolerance among four local cultivars Hovyzeh, Hamar, Red-Anbori, Champa and three promising heat tolerant lines V1, V2 and V3 obtained from the international breeding programs of Khuzestan Agricultural Research and Training Center and Natural Resources were evaluated by osHATS and HSP70 genes qPCR on two experimental cultivation dates: May 20 (unfavorable) and June 20 (favorable) 2022 in Ahvaz.
Results: The results obtained from the analysis of gene expression by qPCR on the date of the first cultivation confirmed the presence of the osHTAS gene in rice varieties and lines so that the local variety Champa, Hovyzeh, and line V2 has a high relative gene expression compared to other varieties and lines studied and they were significantly different from each other. The analysis of the osHTAS gene expression on the second planting date (June) in Ahvaz also shows the presence of the high-temperature tolerance gene in Hovyzeh, Hamar and V2 lines; therefore, the mentioned varieties could be used as parental lines for transfer heat tolerance gene to be used in multi-breeding programs and terms of the relative expression level of the gene, they showed a statistically significant difference with each other. The results of the relative gene expression of the HSP70 gene in the cultivation date of May showed that the local cultivars Champa, Red-Anbori and Hovyzeh had a remarkable superiority over the others. Examining the HSP70 gene expression pattern of rice cultivars and lines on the second planting date also revealed that the local cultivars Red-Anbori, Champa, Hovyzeh, and Hamar showed superiority. The tolerance of local cultivars to heat stress is due to their rapid growth and the creation of a large green cover in the early stages of growth, and their great adaptation to the region's environmental conditions.
Conclusion: Local cultivars can withstand heat stress well with rapid growth and creating much vegetation due to their high adaptability to environmental conditions and the presence of heat stress tolerance genes. They could be used as parental lines in breeding programs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Heat stress
  • selection for heat tolerance
  • rice
  • qPCR

مراجع

Arentzen, H. G. 2000. Comprehensive encyclopedia of agricultural sciences. Translation. Alavi, A. The first volume, publications of the Ministry of Jihad and Agriculture. 725 p. [in Persian].
Chen, Q., Yu, S., Li, C., & Mou, T. 2008. Identification of QTLs for heat tolerance at flowering stage in rice. Scientia Agricultura Sinica, 41, 315-321. https://agris.fao.org/agris-search/search.do?recordID=CN2009000375 (accessed on 12 May 2009).
Driedonks, N., Rieu, I., & Vriezen, W. H. 2016. Breeding for plant heat tolerance at vegetative and reproductive stages. Plant Reproduction, 29, 67–79. https://doi.org/10.1007/s00497-016-0275-9.
Gilani, A. 2008. Determination of tolerance mechanisms and physiological effects of heat stress in Khuzestan rice cultivars. Doctoral thesis of the Department of Production Engineering and Plant Genetics, Faculty of Agriculture, Ramin University of Agricultural Sciences and Natural Resources [in Persian].
Heidarvand, L., & Maali Amiri, R. 2010. What Happens in Plant Molecular Responses to Cold Stress? Acta Physiologiae Plantarum, 32(3), 419-431. http://dx.doi.org/10.1007/s11738-009-0451-8.
Hu, W., Hu, G., & Han, B. 2009. Genome-wide survey and expression profiling of heat shock proteins and heat shock factors revealed overlapped and stress specific response under abiotic stresses in rice. Plant Science, 176,583–590. doi: 10.1016/j.plantsci.2009.01.016.
Jan, M., Shah, G., Yuqing, H., Xuejiao, L., Peng, Z., Hao, D., Hao, C., & Jumin, T. 2021. Development of heat tolerant two-line hybrid rice restorer line carrying dominant locus of OsHTAS. Rice Science, 28(1), 99-108. https://doi.org/10.1016/j.rsci.2020.11.011.
Lei, D. Y., Tan, L. B., Liu, F. X., Chen, L. Y., & Sun, C. Q. 2013. Identification of heat-sensitive QTL derived from common wild rice (Oryza rufipogon Griff.). Plant Science, (201) 202, 121–127. 10.1016/j.plantsci.2012.12.001
Lesk, C., Rowhani, P., & Ramankutty, N. 2016. Influence of extreme weather disasters on global crop production. Nature, 529, 84–87.
Li, X., Lawas, L. M. F., Malo, R., Glaubitz, U., Erban, A., Mauleon, R., Heuer, S., Zuther, E., Kopka, J., Hincha, D. K., & Jagadish, K. S. V. 2015. Metabolic and transcriptomic signatures of rice floral organs reveal sugar starvation as a factor in reproductive failure under heat and drought stress. Plant Cell Environmental 38: 2171–2192
Lindquist, S. 1986. The heat-shock response. Annual Review Biochemistry, 55, 1151–1191. doi: 10.1038/nature16467.
Liu, J., Zhang, C., Wei, C., Liu, X., Wang, M., Yu, F., Xie, Q., & Tu, J. 2016. The RING finger ubiquitin E3 ligase OsHTAS enhances heat tolerance by promoting H2O2-induced stomatal closure in rice.  Plant Physiology, 170, 429–443. doi: 10.1104/pp.15.00879.
Mande, M. & Maali Amiri R. 2017. Heat shock proteins and their role in abiotic stress. Modern Genetics, (6) 1, 16-5 [in Persian].
Montero-Barrientos, M., Hermosa, R., Cardoza R.E., Gutiérrez, S., Nicolás, C., & Monte, E. 2010. Transgenic expression of the Trichoderma harzianum HSP70 gene increases Arabidopsis resistance to heat and other abiotic stresses. Journal of Plant Physiology, 167(8), 659-665. doi:10.1016/j.jplph.2009.11.012.
Moradi, F. 2015. Investigating the physiological effect of heat stress on 6 varieties of rice in Khuzestan. Master's thesis, Ramin Agricultural Research and Education Complex, Shahid Chamran University, Ahvaz. 138 p. [in Persian].
Nazari, M.R., Habibpour Mehraban, F., Maali Amiri, R., & Zeinali Khaneghah, H. 2010. A preliminary evaluation of response in desi chickpea genotypes for low temperature stress. Iranian Journal of Field Crop Science, 41 (4), 669-706. 20.1001.1.20084811.1389.41.4.6.1
Peet, M. M. , & Willits, D. H. 1998. The effect of night temperature on green house grown tomato yields in warm climate. Agricutural and Forestery Meteorology, 92, 191-202.
Rezazadeh, M., khodarahmpour, Z., & Gilani, A. 2016. Study of rice (Oryza sativa L.) lines tolerant to heat stress of IRRI by using multivariate statistical methods. Journal of Crop Production, 9(2): 35-55. doi: 10.22069/ejcp.2016.3115.
Schmittgen, T., Livak, D., & Kenneth, J. 2008. Analyzing real-time PCR data by the comparative (CT) method, Nature Protocols 3:1101–1108.
Timperio A.M.,  Egidi, M., & Zolla, L. 2008. Proteomics applied on plant abiotic stresses: Role of Heat shock proteins (HSPs). Journal of Proteomics.71, 391-411. doi: 10.1016/j.jprot.2008.07.005.
Tompa, P., & Kovacs, D. 2010. Intrinsically disordered chaperones in plants and animals. Biochemistry and Cell Biology, 88, 167–174. https://doi.org/10.1139/O09-163
Usman, M.G., Rafii, M.Y., Ismail, M.R., Martini, M.Y., Yusuff, O.A., & Miah, G. 2017. Molecular analysis of HSP70 mechanisms in plants and their function in response to stress. Biotechnology and Genetic Engineering Review. 33(1), 26-39. doi:10. 1080/02648725.2017.1340546.
Wahid, A., Gelani, S., Ashraf, M., & Foolad, M. 2007. Heat tolerance in plants: an overview. Environmental and Experiment Botony, 61,199–223. http://dx.doi.org/10.1016/j.envexpbot.2007.05.011.
Willits, D. H., & Peet, M. M. 1998. The effect of night temperature on green house grown tomato yields in warm climate. Agricultural Forestry Meteorology, 92, 191-202. https://doi.org/10.1016/S0168-1923(98)00089-6.
Yazdansepas, A. 2014. Breeding for resistance to abiotc stresses. Ministry of Jihad Agriculture, Organization of Research, Education and Promotion of Agriculture, Research Institute of Seed and Seedling Breeding.p.323 [in Persian].
Young, J.C. 2010. Mechanisms of the Hsp70 chaperone system. Biochemical and Cell Biology, 88, 291–300. doi: 10.1139/o09-175.
Zhao, C., Liu, B., Piao, S. L., Wang, X. H., Lobell, D. B., Huang, Y., Huang, M. T., Yao, Y. T., Bassu, S., Ciais, P., Durand, J. L., Elliott, J., Ewert, F., Janssens, I. A., Li, T., Lin, E., Liu, Q., Martre, P., Muller, C., Peng, S. S., Penuelas, J., Ruane, A. C., Wallach, D., Wang, T., Wu, D. H., Lium Z,, Zhu, Y., Zhu, Z. C., & Asseng, S. 2017. Temperature increase reduces global yields of major crops in four independent estimates. Proceeding and Natural Academic Science USA, 114, 9326–9331. doi: 10.1073/pnas.1701762114

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار