بررسی سینتنی بلوک‌های ژنی pizh و pigm عامل مقاومت به بیماری بلاست برنج در 11 گونه Oryza و سه گونه خویشاوند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه بیوتکنولوژی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 گروه شیمی، موسسه آموزش عالی جهاددانشگاهی استان کرمانشاه، کرمانشاه، ایران

چکیده

مقدمه: گیاه برنج یکی از اصلی ترین گیاهان زراعی دنیا محسوب می‌شود به طوری که قوت میلیون‌ها نفر در سراسر جهان را تامین می‌نماید. بلاست به عنوان یکی از بیماری‌های مهم برنج، هر ساله خسارت شدیدی به بسیاری از مزارع برنج در سراسر دنیا وارد می‌آورد. این بیماری توسط قارچ Magnaporthe oryzae ایجاد می‌شود که بافت‌های گیاه را آلوده کرده و باعث کاهش قابل توجه عملکرد می‌شود. جنسOryza  متعلق به خانواده‌یPoacea  است که دارای 24 گونه مختلف می‌باشد. گونه‌ها در این جنس از لحاظ ژنوم به دو دسته‌ی دیپلوئید و تتراپلوئید تقسیم می‎شوند. وجود سینتنی بین ژن‌های عامل ایجاد مقاومت در سایر گونه‌ها راهکار بسیار مناسبی برای شناسایی ژن‌های مقاومت محسوب می‌شود. در این پروژه وجود سینتنی در خوشه‌های ژنی pizh و pigm که در مقاومت به بیماری بلاست برنج نقش دارند در 11 گونه مختلفOryza  و سه گونه خویشاوند آن بررسی شده است.
مواد و روش‌ها: در این پروژه توالی ژنوم 14 گونه جنس Oryza از بانک اطلاعاتی NCBI  دریافت شد و توالی خوشه‌های ژنی عامل ایجاد مقاومت به بلاست در آنها با استفاده از ابزار BLASTN شناسایی شدند، به این‎صورت که در این جست‎وجو توالی‎های تقاضا مربوط به خوشه‌های ژنی‌ pigm و pizh گیاه برنج در پایگاه nr به منظور شناسایی ژن‌های مشابه مورد استفاده قرار گرفتند. جستجوی توالی‎های مشابه در  14 گونة Oryza انجام گرفت. توالی‎های رمزکنندة گونه‎های مختلف جنس Oryza نیز از پایگاه NCBI دریافت شدند. به‌منظور نقشه‎یابی ژن‌های مربوط به هر گونه با ژنوم همان‌گونه از نرم‌افزار Gmap استفاده گردید. سپس همه ژن‎ها در همه گونه‎ها با یکدیگر با استفاده از ابزار BLASTN همردیف شدند تا بتوان میزان تشابه آنها در همه گونه‎ها را بررسی کرد. در نهایت با استفاده از نرم‌افزار MCScanX بلوک‌های ژنی دارای سینتنی مشخص شدند.
یافته‌ها: نتایج بررسی سینتنی ژن‌های عامل مقاومت به بلاست در 14 گونه مورد مطالعه نشان داد که در پنج گونه‌ی O. meridionalis، O.sativa indica، O. glumipatula،  O. barthiiوO. glaberrima سینتنی مشاهده می‌شود و در سایر گونه‌ها از جمله O. sativa japonica   در مورد خوشه‌های ژنی مقاومت به بلاست سینتنی مشاهده نشد. نتایج تجزیه سینتنی نشان داد که خوشه‌های ژنی مورد مطالعه که روی کروموزوم‌های 6 و 9 برنج قرار داشتند در تعدادی از گونه‌های مورد مطالعه نیز روی همین کروموزوم‌ها و به صورت خوشه‌ای قرار دارند. طبق نتایج به دست آمده وجود سینتنی بین برنج و گونه‌ها‌ی O. meridionalis، O.sativa indica، O. glumipatula، O. barthii وO. glaberrima  برای خوشه‌های ژنی حامل ژن‌های مقاومت مورد بررسی در این پژوهش اثبات شد. اما سینتنی برای پنج گونه دیگر برنج و سه خویشاوند وحشی مشاهده نشد.
نتیجه‌گیری: وجود سینتنی در ژنهای مربوط به خوشه‌های ژنی عامل ایجاد مقاومت به بلاست در پنج گونه جنس Oryza نشان می‌دهد که می‌توان از گونه‌های مذکور برای شناسایی ژن‌های مقاومت به عنوان خزانه‌های ژنی مطلوب بهره‎برداری کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Synteny analysis of gene clusters for pizh and pigm as blast disease resistance in 11 Oryza and three related species

نویسندگان [English]

  • Sahand Sasani 1
  • Sajad Rashidi Monfared 1
  • Danial Kahrizi 1
  • Masoumeh Khanahmadi 2
1 Department of Biotechnology, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Department of Chemistry, Academic Center for Education, Culture & Research (ACECR), Kermanshah, Iran
چکیده [English]

Introduction: Rice, a key agricultural crop globally, is vital for feeding millions of people. Blast is one of the important diseases of rice and it causes severe damage to many rice fields every year. This disease is caused by the fungus Magnaporthe oryzae, which infects plant tissues and significantly reduces performance.The genus Oryza belongs to the Poaceae family and comprises 24 different species. Species within this genus are divided into two categories in terms of genome: diploid and tetraploid. The existence of synteny between genes specially those that cause resistance to plant diseases is considered a very suitable way to identify genes from other species. The pizh and pigm gene clusters play a role in rice blast disease resistance in rice. Synteny in pizh and pigm clusters was investigated in 11 species of Oryzaand three related species.
Materials and methods: The pizh and pigm gene clusters were identified in 13 other species using the BLASTN tool.  Subsequently, the genome sequences of these 13 species were obtained from the NCBI database then, all genes for all species were compared together by BLASN tool to construct the homology file (BLAST file). After, the genes were mapped to the respective species by Gmap software. Finally, gene blocks exhibiting synteny were identified through the utilization of the MCScanX software.
Results: The results of synteny analysis of blast resistance genes in 14 studied species showed synteny only in five species: O. meridionalis, O. sativa indica, O. glumipatula, O. barthii, and O. glaberrima. Synteny was not observed in other species, including O. sativa japonica, regarding these gene clusters for blast resistance. According to the results, it could be concluded that the gene cluster involved in blast disease resistance, has not been spread and preserved between different chromosomes of studied Oryza species during evolution. In fact, they are located mainly on chromosomes Number 6 and 9. Micro synteny for the species including O. meridionalis, O.sativa indica, O. glumipatula, O. barthii and O. glaberrima were observed, but no synteny was observed for other five Oryza species and three wild relatives. It is necessary to mention that these genes are clustered on chromosome Number 6 for O. sativa japonica, however, they have no synteny with other species.
Conclusion: Species including O. meridionalis, O.sativa indica, O. glumipatula, O. barthii and O. glaberrima may be used as a promising source of blast resistance for blast resistance breeding programs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bioinformatic
  • Gene clusters
  • Genome evolution
  • MCScanX

مراجع

Choi, J. Y., Platts, A. E., Fuller, D. Q., Hsing, Y. I., Wing, R. A., & Purugganan, M. D. (2017). The Rice Paradox: Multiple Origins but Single Domestication in Asian Rice. Mol Biol Evol, 34(4), 969-979. https: //doi.org/10.1093/molbev/msx049
Chung, H., Jeong, D. G., Lee, J. H., Kang, I. J., Shim, H. K., An, C. J., Kim, J. Y., & Yang, J. W. (2022). Outbreak of Rice Blast Disease at Yeoju of Korea in 2020. Plant Pathol J, 38(1), 46-51. https: //doi.org/10.5423/ppj.Nt.08.2021.0130
Deng, Y., Zhai, K., Xie, Z., Yang, D., Zhu, X., Liu, J., Wang, X., Qin, P., Yang, Y., Zhang, G., Li, Q., Zhang, J., Wu, S., Milazzo, J., Mao, B., Wang, E., Xie, H., Tharreau, D., & He, Z. (2017). Epigenetic regulation of antagonistic receptors confers rice blast resistance with yield balance. Science, 355(6328), 962-965. https: //doi.org/doi: 10.1126/science.aai8898
Duncan A Vaughan, H. M., K Kadowaki,. (2003). Diversity in the Oryza genus. Current Opinion in Plant Biology, 6(2), 139-146. https: //doi.org/https: //doi.org/10.1016/S1369-5266(03)00009-8
Duran, C., Edwards, D., & Batley, J. (2009). Genetic maps and the use of synteny. Methods Mol Biol, 513, 41-55. https: //doi.org/10.1007/978-1-59745-427-8_3
Guo, L., Qiu, J., Ye, C., Jin, G., Mao, L., Zhang, H., Yang, X., Peng, Q., Wang, Y., Jia, L., Lin, Z., Li, G., Fu, F., Liu, C., Chen, L., Shen, E., Wang, W., Chu, Q., Wu, D., . . . Fan, L. (2017). Echinochloa crus-galli genome analysis provides insight into its adaptation and invasiveness as a weed. Nat Commun, 8(1), 1031. https: //doi.org/10.1038/s41467-017-01067-5
Jung, S., Jiwan, D., Cho, I., Lee, T., Abbott, A., Sosinski, B., & Main, D. (2009). Synteny of Prunus and other model plant species. BMC Genomics, 10, 76. https: //doi.org/10.1186/1471-2164-10-76
Kim, H., Lee, K. K., Jeon, J., Harris, W. A., & Lee, Y.-H. (2020). Domestication of Oryza species eco-evolutionarily shapes bacterial and fungal communities in rice seed. Microbiome, 8(1), 20. https: //doi.org/10.1186/s40168-020-00805-0
Li, K.-L., Liang, Y.-M., Chen, Z., Zheng, P.-J., Zhang, G.-Q., Yan, B., Elshikh, M. S., Rizwana, H., Chen, B., & Xu, Q. (2024). Genome-wide identification of the alkaloid synthesis gene family CYP450, gives new insights into alkaloid resource utilization in medicinal Dendrobium. International Journal of Biological Macromolecules, 259, 129229. https: //doi.org/https: //doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.129229
Martin-Urdiroz, M., Oses-Ruiz, M., Ryder, L. S., & Talbot, N. J. (2016). Investigating the biology of plant infection by the rice blast fungus Magnaporthe oryzae. Fungal Genet Biol, 90, 61-68. https: //doi.org/10.1016/j.fgb.2015.12.009
McCouch, S. R. (2001). Genomics and Synteny. Plant Physiology, 152-155.
Meyer, R. S., & Purugganan, M. D. (2013). Evolution of crop species: genetics of domestication and diversification. Nat Rev Genet, 14(12), 840-852. https: //doi.org/10.1038/nrg3605
N.M.Nayar. (2014). Oryza Species and Their Interrelationships. academic press. https: //doi.org/https: //doi.org/10.1016/B978-0-12-417177-0.00004-8
Nalley, L., Tsiboe, F., Durand-Morat, A., Shew, A., & Thoma, G. (2016). Economic and Environmental Impact of Rice Blast Pathogen (Magnaporthe oryzae) Alleviation in the United States. PLoS One, 11(12), e0167295. https: //doi.org/10.1371/journal.pone.0167295
Ning, X., Yunyu, W., & Aihong, L. (2020). Strategy for Use of Rice Blast Resistance Genes in Rice Molecular Breeding. Rice Science, 27(4), 263-277. https: //doi.org/https: //doi.org/10.1016/j.rsci.2020.05.003
P.K.SinghK.VenkatesanT.P.Swarnam. (2018). Rice Genetic Resources in Tropical Islands. academic press, 355-384. https: //doi.org/https: //doi.org/10.1016/B978-0-12-813064-3.00012-0
Richter, T. E., & Ronald, P. C. (2000). The evolution of disease resistance genes. Plant Mol Biol, 42(1), 195-204.
Srivastava, D., Shamim, M., Kumar, M., Mishra, A., Pandey, P., Kumar, D., Yadav, P., Siddiqui, M. H., & Singh, K. N. (2017). Current Status of Conventional and Molecular Interventions for Blast Resistance in Rice. Rice Science, 24(6), 299-321. https: //doi.org/https: //doi.org/10.1016/j.rsci.2017.08.001
Stein, J. C., Yu, Y., Copetti, D., Zwickl, D. J., Zhang, L., Zhang, C., Chougule, K., Gao, D., Iwata, A., Goicoechea, J. L., Wei, S., Wang, J., Liao, Y., Wang, M., Jacquemin, J., Becker, C., Kudrna, D., Zhang, J., Londono, C. E. M., . . . Wing, R. A. (2018). Genomes of 13 domesticated and wild rice relatives highlight genetic conservation, turnover and innovation across the genus Oryza. Nat Genet, 50(2), 285-296. https: //doi.org/10.1038/s41588-018-0040-0
Stein, N. (2013). Synteny (Syntenic Genes). Brenner’s Encyclopedia of Genetics, 6. https: //doi.org/doi: 10.1016/B978-0-12-374984-0.01508-4
Tang, H., Bowers, J. E., Wang, X., Ming, R., Alam, M., & Paterson, A. H. (2008). Synteny and collinearity in plant genomes. Science, 320(5875), 486-488. https: //doi.org/10.1126/science.1153917
Tapan K. Mondal, R. J. H. (2018). The Wild Oryza Genomes. Springer Cham. https: //doi.org/https: //doi.org/10.1007/978-3-319-71997-9
Thornton, J. W., & DeSalle, R. (2000). Gene Family Evolution and Homology: Genomics Meets Phylogenetics. 1(1), 41-73. https: //doi.org/10.1146/annurev.genom.1.1.41
Wang, Y., Tang, H., Debarry, J. D., Tan, X., Li, J., Wang, X., Lee, T. H., Jin, H., Marler, B., Guo, H., Kissinger, J. C., & Paterson, A. H. (2012). MCScanX: a toolkit for detection and evolutionary analysis of gene synteny and collinearity. Nucleic Acids Res, 40(7), e49. https: //doi.org/10.1093/nar/gkr1293
Xie, Z., Yan, B., Shou, J., Tang, J., Wang, X., Zhai, K., Liu, J., Li, Q., Luo, M., Deng, Y., & He, Z. (2019). A nucleotide-binding site-leucine-rich repeat receptor pair confers broad-spectrum disease resistance through physical association in rice. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 374(1767), 20180308. https: //doi.org/10.1098/rstb.2018.0308
Yang Y, Z. K., Xia H, Chen L, Chen K. (2014). Comparative proteomic analysis of indica and japonica rice varieties. . Genet Mol Biol, 37(4), 652-661. https: //doi.org/doi: 10.1590/S1415-47572014005000015
Zhang, Z., Zhang, Z., Shan, M., Amjad, Z., Xue, J., Zhang, Z., Wang, J., & Guo, Y. (2024). Genome-Wide Studies of FH Family Members in Soybean (Glycine max) and Their Responses under Abiotic Stresses. Plants (Basel), 13(2). https: //doi.org/10.3390/plants13020276
Zhou, Z., Robards, K., Helliwell, S., & Blanchard, C. (2002). Composition and functional properties of rice. International Journal of Food Science & Technology, 37(8), 849-868. https: //doi.org/https: //doi.org/10.1046/j.1365-2621.2002.00625.x

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار