تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای الکتروفورز دو بعدی پروتئین‌های آندوسپرم و جنین برنج با استفاده از نرم افزار Image Master

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار اصلاح‌نباتات، دانشکده فنی مهندسی، گروه علوم کشاورزی، دانشگاه پیام‌نور، تهران-ایران.

2 استادیار بیوتکنولوژی، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده علوم و مهندسی کشاورزی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران.

چکیده

مقدمه: گیاه برنج (Oryza sativa L.) در تغذیه بیش از نیمی از جمعیت جهان نقش اساسی را ایفا می­کند. به دلیل کوچک بودن ژنوم این گیاه نسبت به سایر غلات در پژوهش­های زیستی به عنوان یک گیاه مدل و هم­چنین در عرصه زراعت یک گیاه اساسی  به شمار می­رود. پروتئین­های ذخیره­ای موجود لایه آلورون در دانه برنج شامل آلبومین و گلوبولین و در آندوسپرم آن شامل پروتئین­های پرولامین و گلوتلین می­باشد. با توجه به اهمیت مصرف برنج­های محلی در ایران و هم­چنین میزان تولید این گیاه مهم اقتصادی در کشور، در این مطالعه با هدف تعیین تنوع و تفاوت بیان لکه­های پروتئینی در بازه  اسیدیته خطی چهار تا هفت با استفاده از تکنیک الکتروفورز دو بعدی از برنج بومی گیلان استفاده گردید.
مواد و روش‌ها: جهت تعیین پروفایل پروتئین­های موجود در آندوسپرم و جنین دانه برنج از روش ایزوالکتریک فوکوسینگ (IEF) به همراه ژل پلی­اکریل­آمید (SDS-PAGE) استفاده گردید. جهت تعیین تعداد پروتئین­ها و هم­چنین شناسائی لکه­های پروتئینی بین بافت دو نمونه جنین و آندوسپرم برنج، تطبیق لکه­های پروتئینی با توجه به میزان بیان آن­ها در تصاویر حاصل از ژل الکتروفورز دو بعدی از نرم افزار Image master استفاده گردید. برای این منظور رقم حسن­سرایی از مرکز تحقیقات برنج گیلان تهیه گردید و اجرای بخشی از آزمایش، جداسازی نمونه­ها و استخراج پروتئین کل سال 1401 در آزمایشگاه دانشگاه پیام نور اسدآباد انجام شد. در نهایت نمونه­های پروتئینی استخراج شده جهت انجام مراحل الکتروفورز دوبعدی با استفاده از دستگاه ایزوالکتریک فوکوسینگ به پژوهشکده سلامت دانشکده داروسازی انتقال داده شدند.
یافته‌ها: بر اساس نتایج حاصل از آنالیز ژل­های دو بعدی، بخش وسیعی از لکه­های پروتئینی در بازه پی اچ چهار تا هفت حضور داشته­اند. در بررسی پروفایل پروتئینی نمونه­های بافت جنین و آندوسپرم  بر اساس نشانگرهای پروتئینی استاندارد با وزن مولکولی و نقطه ایزوالکتریک مشخص در مرحله دوم الکتروفورز دو بعدی 284 لکه پروتئینی در جنین و 123 لکه پروئینی در آندوسپرم بر اساس وزن مولکولی و نقطه ایزوالکتریک شناسائی شدند. از بین لکه­های شناسائی شده تعداد 57 لکه پروتئینی مشترک افزایش و کاهش بیان را بین دو نمونه نشان دادند. حضور لکه­های پروتئینی باقی مانده در دو نمونه اختلاف معنی­داری بین محتوای پروتئین در جنین و آندوسپرم را نشان دادند.
نتیجه‌گیری: جهت تعیین احتمالی نوع پروتئین بر اساس نقطه ایزوالکتریک و وزن مولکولی لکه­های پروتئینی و تغییرات بیان بین لکه­ها با استفاده از نرم افزار، جستجو در بانک­های اطلاعاتی پروتئینی انجام شد و پروتئین­های احتمالی تولید شده در بافت جنین و آندوسپرم شناسایی شدند. پروتئین­هایی که در بافت آندوسپرم و جنین برنج در الکتروفورز دو بعدی شناسایی شدند شامل پروتئین­های ذخیره­ای دانه پیش سازهای گلوتلین، گلوتلین­های اسیدی و قلیایی، گلوبولین­ها، پرولامین­ها، HSPs و Hypothetical Proteins بودند.  بنابراین از این طریق می­توان میزان بیان پروتئین­ها و هم­چنین مسیرهای بیوسنتزی آن­ها را نیز شناسایی نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Comparative analysis of two-dimensional electrophoresis of rice endosperm and embryo proteins by using Image Master software

نویسندگان [English]

  • Mehdi Kakaei 1
  • leila akbari 2
1 Associate Professor of Plant Breeding, Faculty of Engineering, Department of Agricultural Sciences, Payame Noor University, Tehran-Iran.
2 Assistant Professor of Biotechnology, Department of Production Engineering and Plant Genetics, Faculty of Engineering Sciences, Razi University Agriculture and Natural Resources Campus, Kermanshah, Iran.
چکیده [English]

Introduction: Rice (Oryza sativa L.) feeds more than half of the world's population. Rice is considered a model plant in biological and agriculture field research due to its small genome compared with other plants. Storage proteins in the aleurone layer of rice seeds include albumin and globulin, as well as the endosperm, prolamin, and glutelin proteins. To determine the number of proteins and identify the protein spots between the tissues of two embryo samples and rice endosperm, the protein spots were matched according to their expression level in the images obtained from two-dimensional gel electrophoresis.
Materials and methods: The profile of proteins in the endosperm and embryo of rice seeds was determined using isoelectric focusing (IEF) and polyacrylamide gel electrophoresis(SDS-PAGE) methods. The Image Master software was utilized to analyze the two-dimensional gels. Considering the importance of local rice consumption in Iran and the significant production of this economically important crop in the country, this study aimed to determine the diversity and differences in the expression of protein spots within the linear pH range of 4 to 7. The two-dimensional electrophoresis method was employed on the Hasan-Sarai variety of rice indigenous to the region of Guilan. For this research, the cultivar being examined was procured from the Guilan Rice Research Center. Subsequent stages of the experiment, including sample separation and total protein extraction, were conducted at the Payame Noor University laboratory in Asadabad. Ultimately, the protein samples obtained were sent to the Health Research Institute at the Faculty of Pharmacy, where two-dimensional electrophoresis was carried out using an isoelectric focusing device. Finally, the extracted protein samples were transferred to the Health Research Institute of the Faculty of Pharmacy to perform two-dimensional electrophoresis using an isoelectric focusing device.
Results: Based on the results of the two-dimensional gel analysis, a large part of the protein spots are present in the pH range of 4 to 7. The analysis of protein profile based on standard proteins with specific molecular weight and isoelectric point indicates that embryo tissue and endosperm based on isoelectric point and molecular weight showed that 284 protein spots in the embryo and 123 protein spots in endosperm have been identified. Among the identified spots, 57 common protein spots showed increased and decreased expression between the two samples. The presence of remaining protein spots in the two samples showed a significant difference between protein content in the embryo and endosperm.
Conclusion: Image master software was used to determine the isoelectric point and molecular weight of protein spots and expression changes between common spots. Analysis was done in protein databases and possible proteins were identified in embryo tissue and endosperm. The proteins identified in rice endosperm and embryo tissue in two-dimensional electrophoresis included grain storage proteins, glutelin precursors, acidic and alkaline glutelins, globulins, prolamins, HSPs, and hypothetical proteins. Therefore, in this way, it is possible to identify the level of expression of proteins and also their biosynthetic pathways.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rice
  • Embryo
  • Endosperm
  • Isoelectric focusing
  • Protein

مراجع

Abu Hena, M. K., K, Kim., K, Shin., J, Choi., B, Baik., H, Tsujimoto., H, Young Heo., Ch, Park and S, Woo. 2010. Abiotic stress responsive proteins of wheat grain determined using proteomics technique. Australian Journal of Crop Science. 4, 3, 196-208.
Akbar, F., Y, Nahida., R, Malik., S, Zabta, M, Mehraj. 2012. Study of total seed proteins pattern of sesame (Sesamum indicum L.) landraces via sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE). Pakistan Journal of Botany. 44, 2009-2014.
Bradford, M. 1976. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein using the principles of protein dye-binding. Anal. Biochemistry. 72: 680-685.
Francais, E. 2007. The biology of (Triticum turgidum ssp. Durum). Biology document: 1-20.
Herbert, B. 1999. Advances in protein solubilization for two- dimensional electrophoresis. Electrophoresis. 2, 660-663. https://doi.org/10.1002/(SICI)1522-2683.
Jiang, C., Cheng, Z., Zhang, C., Yu, T., Zhong, Q., Shen, J. Q., & Huang, X. 2014. Proteomic analysis of seed storage proteins in wild rice species of the Oryza genus. Proteome Science, 12, 1, 51. https://doi.org/10.1186/s12953-014-0051-4.(a)
Jiang, L, L., H,W, Zhou., H, Y, Zhang., P,  A, Zhong., Y, J, Huang. 2014. Comparative proteomic analysis of differentially expressed proteins in the early milky stage of rice grains during high temperature stress. Journal of Experimental Botany, 65, 2, 655–671. https://doi.org/10.1093/jxb/ert435.
Kahrizi, D. 2016. New topics in biotechnology. Razi University Press. (In Persian)
Kakaei, M. 2023. Comparison of the Protein Profile of Rejaw Wheat based on Changes in the pH Range. Cereal Biotechnology and Biochemistry, 2 (1), 94-104. https://doi: 10.22126/cbb.2023.8928.1040.
Kakaei, M., & Kiani, S. 2019. Evaluation of Proteins Expression Differences of Royan Axes in Two Cultivar of Rice with Two-dimensional Electrophoresis., biannual journal of biotechnology in agriculture (scientific-research). 10, 1, 43-53. https://doi: 10.22084/ab.2020.18624.1404. 
Kaur, H., Petla, B. P., Kamble, N. U., Singh, A., Rao, V., Salvi, P., Ghosh, S., & Majee, M. 2015. Differentially expressed seed aging responsive heat shock protein OsHSP18.2 implicates in seed vigor, longevity and improves germination and seedling establishment under abiotic stress. Frontiers in plant science, 6, 713. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.00713.
Kawakatsu, T., Hirose, S., Yasuda, H. and Takaiwa, F. 2010. Reducing rice seed storage protein accumulation leads to changes in nutrient quality and storage organelle formation. Plant Physiol. 154: 4. 1842-1854.
Khan, S. A., Shinwari, Z. K., & Rabbani, M. A. 2013. Study of total seed protein pattern of rice (Oryza sativa L.) breeding lines of Pakistan through SDS-PAGE. Pakistan Journal of Botany, 45, 3, 871-876. http://www.pakbs.org/pjbot/PDFs/45(3)/20.pdf.
Kim, H., Lee, K., Hwang, H., Bhatnagar, N., Kim, D. Y., Yoon, I. S., Byun, M. O., Kim, S. T., Jung, K. H., & Kim, B. G. 2014. Overexpression of PYL5 in rice enhances drought tolerance, inhibits growth, and modulates gene expression. Journal of experimental botany. 65(2), 453–464. https://doi.org/10.1093/jxb/ert397.
Komatsu, S., Konishi, H., Shen, S., Yang, G. 2003. Rice Proteomics, A step toward functional analysis of the rice genome. Molecular & Cellular Proteomics. 2, 1, 1-10. https://doi: 10.1074/mcp. R200008-MCP200.
Koshino, L.L., Gomes, C.P., Silva, L.P. Eira, M.T.S., JR, C.R., Franco, O.L., Mehta, A.N. 2008. Comparative Proteomical Analysis of Zygotic Embryo and Endosperm from Coffea arabica Seeds. Journal of Agricultural Food Chemistry. 56, 10922–10926. https:// doi: 10.1021/jf801734m.
Mechin, V., L, Consoli., M, Guilloux and C, Damerval. 2003. An efficient solubilization buffer for plant proteins focused in immobilized pH gradients. Proteomics 3, 1299-1302. https://doi: 10.1002/pmic.200300450.
Mehrabi A M, Mostafaie A, Majidi Harvan A, Haghparast R, Kahrizi D.2013. The comparison of leaf protein patterns between two tolerant and susceptible varieties of wheat under drought stress. International Journal of Food. Agriculture & Environment 19, 935-946. https://doi: 10.4141/CJPS2013-155.
Milan, Ch., E, Palencarova., Z, Galova., Z, Balazova and M, Tomka. 2012. Proteomics Analysis of Wheat and Barely grain. Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Sciences. 1, 622-631.
Mohammadi Alagoz, S.M., Toorchi, M., & Bandehagh, A. 2016. Canola seedling response to NaCl stress – a proteomic approach. Notulae Botanicae Horti Agrobotanici Cluj-napoca, 44, 361-366. https://doi:10.15835/NBHA44210462.
Molloy M. P. (2000). Two-dimensional electrophoresis of membrane proteins using immobilized pH gradients. Analytical biochemistry, 280(1), 1–10. https://doi.org/10.1006/abio.2000.4514.
Mustafaei, A. 2012. Theoretical and practical guide for protein electrophoresis in gel. Kermanshah University of Medical Sciences - second edition, 178 pp. (In Persian)
O'Farrell. P.H., 1975. High resolution tow-dimensional electrophoresis of proteins.
Rachel, H., C. K. Tanaka., W. H. Vensel., W. J. Hurkman and Sh., McCormick. 2005. Proteome mapping of mature pollen of Arabidopsis Thaliana. Journal of Proteomics. 5, 4864–4884.
Sarkar, N. K., Kim, Y. K., and Grover, A. (2009). Rice HSPs genes: genomic organization and expression profiling under stress and development. BMC Genomics 10, 393. https://doi: 10.1186/1471-2164-10-393.
Skylas, D, J., D, Van Dyk., C.W. Wrigley. 2004. Proteomics of wheat grain. Journal of Cereal Science. 41: 165-179. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2004.08.010.
Shen, S., Matsubae, M., Takao, T., Tanaka, N. and Komatsu, S. 2002. A proteomic analysis of leaf sheats from rice. Journal of biochemistry. 132,4,613-20.
Toorchi, M. 2015. The response of rice root to time course water deficit stress-two dimensional electrophoresis approach. Journal of Crop Eco physiology, 9, 371-385. (In Persian).
Xu, H., Zhang, W., Gao, Y., Zhao, Y., Guo, L. and Wang, J. 2012. Proteomic analysis of embryo development in rice (Oryza sativa). Planta. 235, 4, 687-701.
Yamagata, H., Sugimoto, T., Tanaka, K., & Kasai, Z. 1982. Biosynthesis of storage proteins in developing rice seeds. Plant physiology.70, 4, 1094–1100. https://doi.org/10.1104/pp.70.4.1094.
Yang, P., Shen, S. and Kuang, T. 2006. Comparative Analysis of the Endosperm Proteins Separated by 2‐D Electrophoresis for Two Cultivars of Hybrid Rice (Oryza sativa L.). Journal of Integrative Plant Biology. 48, 9,1028-33.
Zada, M., Z.K. Shinwari, N. Zakir and M.A. Rabbani. 2013. Study of total seed storage proteins in Ethiopian mustard (Brassica carinata A. Braun) germplasm. Pakistan Journal of Botany, 45:443-448. https://doi: 10.14419/ijbasv3i2.2336.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار