بررسی عناصر تنظیم کننده ژن‌های NAD(P)H oxidase در گندم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 بخش بیوتکنولوژی گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

2 بخش تحقیقات زراعی و باغی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان کرمانشاه، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرمانشاه،

چکیده

مقدمه: تغییرات آب و هوایی و افزایش شدت و مدت تنش‌های محیطی بر عملکرد و تولید جهانی اکثر گیاهان زراعی و از جمله گندم تاثیر گذاشته است. بر این اساس بررسی اثر تنش‌های محیطی بر تغییرات سلولی و در سطح ملکولی جهت تشخیص مکانیسم‌های تنظیمی و استفاده از آنها برای افزایش تحمل و مقاومت در گیاهان اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده است. گیاهان ﺟﻬﺖ ﻣﻘﺎﺑﻠﻪ ﺑﺎ ﺗﻨﺶﻫﺎی محیطی راهﮐﺎرﻫﺎی ﻣﺨﺘﻠﻔﯽ از ﺟﻤﻠﻪ ﺗﻮﻟﯿﺪ ﺳﺮﯾﻊ ﮔﻮﻧﻪﻫﺎی ﻓﻌﺎل اﮐﺴﯿﮋن (ROS) ﮐﻪ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان اﻧﻔﺠﺎر اﮐﺴﯿﺪی ﻣﻌﺮوف اﺳﺖ، بهره می‌گیرند. گونه‌های ﻓﻌﺎل در ﻣﻘﺪار اﻧﺪک ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﭘﯿﺎم رﺳﺎن‌های ثانویه در ﺟﺮﯾﺎن ﻓﺮاﯾﻨﺪﻫﺎی دﻓﺎﻋﯽ ﮔﯿﺎه و ﺳﺎزﮔﺎری در ﻣﻘﺎﺑﻞ اﺳﺘﺮسﻫﺎی ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻧﻘﺶ اﺳﺎﺳﯽ را ﺑﺮ ﻋﻬﺪه دارﻧﺪ اما ﺗﺪاوم ﺗﻨﺶ و ﺗﺠﻤﻊ ﺑﯿﺶ از ﺣﺪ ﮔﻮﻧﻪﻫﺎی ﻓﻌﺎل، ﺗﻌﺎدل اﮐﺴﺎﯾﺶ-ﮐﺎﻫﺶ در ﮔﯿﺎه را ﺑﺮ ﻫﻢ زده و ﻣﻮﺟﺐ تنش اکسیدی ﻣﯽﺷﻮد. ﮔﻮﻧﻪﻫﺎی ﻓﻌﺎل اﮐﺴﯿﮋن در ﮐﻠﺮوﭘﻼﺳﺖ، ﻣﯿﺘﻮﮐﻨﺪری، ﭘﺮاﮐﺴﯽزوم در ﺳﯿﺘﻮﭘﻼﺳﻢ، ﭘﺮاﮐﺴﯿﺪاز و آﻣﯿﻦ‌اﮐﺴﯿﺪاز ﻣﻮﺟﻮد در دﯾﻮاره ﺳﻠﻮﻟﯽ و آﻧﺰﯾﻢﻫﺎی خانواده NADP(H) oxidase (NOX) ﻏﺸﺎی ﺳﻠﻮﻟﯽ ﺗﻮﻟﯿﺪ ﻣﯽﺷﻮﻧﺪ. در این میان ژن‌های NAD(P)H oxidase با تحریک ژن‌های مرتبط با ایجاد گونه‌های فعال اکسیژن نقش بسیار مهمی در پاسخ گیاه به تغییرات محیطی ایفا می‌کنند. این خانواده ژنی همچنین ﺑﺎ اﻧﺘﻘﺎل اﻟﮑﺘﺮون از NAD(P)H ﺑﻪ اﮐﺴﯿﮋن ﻣﻮﻟﮑﻮﻟﯽ ﯾﻮن ﺳﻮﭘﺮاﮐﺴﯿﺪ را ﺗﻮﻟﯿﺪ کرده و در ادامهقادر به تولید انواع گونه‌های فعال اکسیژن هستند. این پژوهش با هدف بررسی ناحیه راه‌انداز ژن رمزکننده NAD(P)H oxidase در ژنوم گندم جهت شناسایی عناصر تنظیمی تاثیرگذار بر بیان آن در گیاه گندم انجام گردید.
مواد و روش‌ها: راه انداز ژن‌ها و عناصر تنظیمی مهمی که در آن قرار دارد نقش مهمی در تنظیم بیان ژن در شرایط مختلف و در در نتیحه در ایجاد سازگاری گیاهان با تغییرات محیطی را بر عهده دارد. جهت بررسی چگونگی تنظیم بیان ژن NAD(P)H oxidase با استفاده از پایگاه داده‌های بیوانفورماتیک و نرم افزارهای تحلیلی ، بررسی ناحیه راه‌انداز ژن انجام شد. ابتدا با استفاده از سایت NCBI توالی مربوط به ژن رمزکننده این آنزیم در گیاه گندم شناسایی شد. جهت شناسایی عناصر تنظیمی در بالادست این ژن در ناحیه راه‌انداز ژنی 1500 جفت باز از ناحیه آغاز رونویسی جدا گردید و سپس این توالی‌ها با استفاده از سایت PlantEnsemble مورد بررسی قرار گرفت. توالی راه‌انداز توسط سایت PlantCare برای شناسایی عناصر تنظیمی مهم در بیان ژن که هر کدام نقش مشخصی در تنش‌های متفاوت ایفا می کنند، بررسی شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که عناصر تنظیمی مختلفی که در مسیرهای بیوشیمیایی مختلف دخالت دارند می‌توانند بر میزان بیان ژن های NAD(P)H oxidase در گندم تاثیر گذار باشند. از جمله عناصر تنظیمی که به وسیله آنالیز راه‌انداز شناسایی شدند می‌توان ABRE, TCA motif, TGACG motif, ARE, CCAAT-Box, skn-1-motif, circadian را نام برد که هر کدام به وسیله هورمون‌ها و فاکتورهای رونویسی مختلف شناسایی می شوند.
نتیجه‌گیری: تحلیل‌ها نشان داد تغییرات شرایط محیطی توانایی ایجاد تغییر بیان ژن آنزیم NAD(P)H oxidase را دارند. هورمون‌ها و فاکتورهای رونویسی هر کدام عناصر تنظیمی خاصی را در راه‌انداز ژن مورد هدف قرار می‌دهند و از این طریق موجب تغییر میزان بیان آنزیم می‌شوند. آنزیم در ابتدا با ایجاد یون سوپراکسید و در ادامه تولید انواع گونه‌های فعال اکسیژن که نقش پیام‌رسان ثانویه در گیاه را دارند موجب سازگاری گیاه با شرایط محیطی می‌شود. از جمله عناصر تنظیمی که به وسیله آنالیز راه‌انداز شناسایی شدند می‌توان ABRE, TCA motif, TGACG motif, ARE, CCAAT-Box, skn-1-motif, circadian را نام برد. این عناصر به ترتیب در مسیرهای پاسخ به هورمون‌های آبسیزیک اسید، ﺳﺎﻟﯿﺴﯿﻠﯿﮏ اﺳﯿد و جاسمونیک اسید، مسیرهای واکنش‌های غیر هوازی، پاسخ به خشکی از طریق فاکتورهای رونویسی MYB، مسیر آندوسپرم گیاه و واکنش‌های نوری نقش دارند که همگی موجب پاسخ بهتر گیاه در مراحل مختلف رشدی و سازگاری با شرایط متغیر محیطی می‌شوند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of NAD(P)H oxidase genes regulatory elements in wheat

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Sohrabi 1
  • Armin Saed-Moucheshi 2
1 Depratment of Plant Biotechnology, College of Agriculture, Shiraz University, Shiraz, Iran
2 Department of Crop and Horticulture Reseach, Kermanshah Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, AREEO, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

Introduction: Climate changes and increased severity and duration of abiotic stresses have considerably affected the crops’ productivity, e.g., wheat. Accordingly, evaluating the influences of environmental stresses at the cellular and molecular levels to distinguish regulatory and tolerance mechanisms in plants has become a priority worldwide. In response to stress conditions, plants employ altered mechanisms, including a rapid induction in producing reactive oxygen species (ROS) known as oxidative burst. ROS are helpful in a small amount and they are primarily used in cell signaling and as secondary messengers, but excessive accumulation of ROS under environmental stress disturbs the oxidation-reduction balance in the plant and causes oxidative stress. ROSs are usually produced in chloroplasts, mitochondria, peroxisomes in the cytoplasm, peroxidase and amine-oxidase in the plants’ cell walls along with NADP(H) oxidase (NOX) family enzymes available in plants’ cell membrane. NAD(P)H oxidase genes play a vital role in plant response to environmental changes by regulating the transportation of electrons from NAD(P)H molecules to molecular oxygen and producing superoxide ions, which further leads to the creation of various types of ROS. This research aimed to investigate the promoter region of the gene encoding NAD(P)H oxidase enzyme in the wheat genome in order to find the effect of important regulatory elements on expression.
Materials and methods: The promoter region of genes and regulatory elements located within this region play an important role in regulating gene expression in plants under different conditions. In order to recognize the regulation of gene expression for the NAD(P)H oxidase gene, the promoter region of the gene was investigated by using online tools. First, the sequence of the gene encoding this enzyme in wheat was downloaded using the NCBI site. Then, 1500 base pairs upstream from the transcription start point were assessed by using online tools on the PlantEnsemble site. The promoter sequence was finally analyzed by the PlantCare website to identify important regulatory elements with specific roles in gene expression.
Results: The results showed that a diverse set of regulatory elements involved in different biochemical pathways can affect the expression level of the NAD(P)H oxidase gene in wheat. The most effective elements identified by promoter analysis were ABRE, TCA motif, TGACG motif, ARE, CCAAT-Box, skn-1-motif, and circadian, whose activities are regulated by specific hormones and transcription factors. 
Conclusion: The analysis showed that changes in environmental conditions could change NAD(P)H oxidase gene expression. Hormones and transcription factors each target specific regulatory elements in the gene promoter, leading to changes in the level of enzyme expression. NADPH oxidase enzyme manages the production of superoxide ions, leading to the production of other types of ROS in the plant. ABRE, TCA motif, TGACG motif, ARE, CCAAT-Box, skn-1-motif, and circadian can be mentioned among the regulatory elements that were identified by promoter analysis. They are involved in the response pathways to abscisic acid, salicylic acid, and jasmonic acid hormones, anaerobic reaction pathways, response to drought through MYB transcription factors, plant endosperm pathway, and light reactions, respectively. According to scientific contexts, the expression of these elements can improve the plant's response to harsh conditions and environmental stresses in different growth stages and play an important role in plants' adaptation to changed environments.

کلیدواژه‌ها [English]

  • NAD(P)H oxidase
  • reactive oxygen species
  • initiator
  • transcription factors