ارزیابی بیان افتراقی برخی ژن ها و صفات بیوشیمیایی تحت تاثیر تنش نیترات نقره در سه رقم گندم نان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی دانشگاه منابع طبیعی و علوم کشاورزی گرگان، گرگان، ایران.

2 دانشجوی دکتری ژنتیک و به نژادی گیاهی ، گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی دانشگاه منابع طبیعی و علوم کشاورزی گرگان ، گرگان، ایران.

3 دانش آموخته دکتری، گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی دانشگاه منابع طبیعی و علوم کشاورزی گرگان، گرگان، ایران.

4 دانش آموخته زیست شناسی سلولی مولکولی دانشگاه فردوسی مشهد، خراسان رضوی، ایران.

چکیده

مقدمه: تنش ناشی از عناصر فلزی یکی از مشکلات جدی بازدارنده تولید محصول در سراسر جهان است. تنش فلزی باعث تغییرات فنوتیپی، آنزیمی (اکسیداسیون سلولی) و بیان ژن در گیاهان می‌شود، به همین منظور آزمایشی جهت  بررسی اثر نیترات نقره در سطح مولکولی و بیوشیمیایی در سه رقم گندم نان (کلاته، گنبد و احسان)  انجام شد.
مواد و روش‌ها: آزمایش به صورت فاکتوریل و در قالب طرح پایه کاملا تصادفی با سه تکرار در شرایط گلخانه اجرا گردید. آزمایش مجزا مشتمل بر بررسی سطوح نیترات نقره (در سه سطح 0، 2 و 4 میلی مولار) به عنوان عامل اکسیداتیو و اسید آسکوربیک (در سه سطح 0، 10 و 20 میلی مولار) به عنوان عامل پاداکسیدان و ارقام گندم (احسان وکلاته ، گنبد) انجام شد. اعمال تمام تیمارها با انجام محلول­پاشی (مه پاش) بر روی برگ در محدوده مرحله 60 زادکس (8برگی) انجام گرفت. علاوه بر مه­پاش تیمار نمک نقره و آسکوربیک اسید به­تنهایی، تیمار ترکیبی با اعمال تیمار پاداکسیدان یک ساعت قبل از تیمار اکسیداتیو نیترات نقره انجام شد. صفات بیوشیمیایی شامل میزان اکسیداسیون سلولی و همچنین ارزیابی بیان برخی ژن ها شامل MAPK3 و MAPK6 انجام گرفت.
یافته‌ها: نتایج نشان داد محتوای هر دو نوع کلروفیلa  و b در رقم احسان، به دلیل مقاومت نسبتا بالای آن نسبت به سایر ارقام، با افزایش آنتی‌اکسیدان آسکوربیک اسید بیشتر حفظ و احیا شد. بیان نسبی ژن‌های MAPK3 و MAPK6 همبستگی مثبتی با افزایش میزان پیش تیمار آسکوربیک اسید در رقم احسان نشان داد.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که تحت تنش نیترات نقره، برخی از ارقام گندم نان قادر به نشان‌دادن واکنش‌های مثبت و افزایش بیان ژن‌هایی هستند که با تحمل به تنش‌های محیطی مرتبط‌اند همچنین نتایج این تحقیق می‌تواند به درک بهتر مکانیسم‌های مولکولی و بیوشیمیایی مرتبط با تحمل به تنش در گندم نان کمک کند و راهکارهایی برای بهبود روش‌های کشت و مدیریت منابع ژنتیکی ارائه دهد. در نهایت، شناسایی ارقام مقاوم به تنش می‌تواند به بهبود سازگاری گیاهان در شرایط محیطی نامساعد کمک کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Assessment of Differential Gene Expression and Biochemical Traits in Bread Wheat Cultivars in response to Silver Nitrate Stress

نویسندگان [English]

  • Saeid Navabpour 1
  • Hourieh Najafi 2
  • Mernesa Gharehkhani 3
  • Rehaneh Navabpour 4
1 Professor, Department of Plant Breeding and Biotechnology, Gorgan University of Natural Resources and Agricultural Sciences, Gorgan, Iran.
2 PhD student in Plant Genetics and Breeding, Department of Plant Breeding and Biotechnology, Gorgan University of Natural Resources and Agricultural Sciences, Gorgan, Iran.
3 PhD graduate, Department of Plant Breeding and Biotechnology, Gorgan University of Natural Resources and Agricultural Sciences, Gorgan, Iran.
4 Graduate in Molecular Cell Biology, Ferdowsi University of Mashhad, Razavi Khorasan, Iran.
چکیده [English]

Introduction: Metal stress poses a significant challenge to crop production globally. This type of stress induces phenotypic, enzymatic (cellular oxidation), and gene expression alterations in plants. Therefore, an experiment was conducted to explore the impact of silver nitrate at the molecular and biochemical levels in three bread wheat cultivars (Khalete, Gonbad, and Ehsan).
Materials and methods: The experiment was conducted as a factorial experiment in a completely randomized basic design with three replications under greenhouse conditions. A separate experiment was carried out to examine the effects of silver nitrate (at levels of 0, 2, and 4 mM) as an oxidative agent, as well as ascorbic acid (at levels of 0, 10, and 20 mM) as an antioxidant agent, on wheat cultivars (Ehsan, Kelate, Gonbad). All treatments were administered through foliar spraying on the leaves at the 60 Zadex stage (8 leaves). In addition to individual applications of silver salt and ascorbic acid, a combined treatment was applied by administering the antioxidant treatment one hour before the oxidative silver nitrate treatment. Biochemical traits, including the rate of cellular oxidation and the expression of genes such as MAPK3, and MAPK6, were assessed.
Results: The results indicated that chlorophyll a and b content in the Ehsan cultivar, which exhibited relatively higher resistance compared to other cultivars, was better preserved and restored with increasing levels of antioxidant ascorbic acid. The relative expression of MAPK3 and MAPK6 genes positively correlated with increased ascorbic acid pretreatment in the Ehsan cultivar.
Conclusion: The results showed that under silver nitrate stress, some bread wheat cultivars are able to exhibit positive responses and increase the expression of genes related to tolerance to environmental stresses. The findings of this study can also aid in a better understanding of the molecular and biochemical mechanisms associated with stress tolerance in bread wheat, offering solutions for enhancing cultivation methods and genetic resource management. Ultimately, identifying stress-resistant cultivars can enhance plant adaptation to adverse environmental conditions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Stress
  • Gene Expression
  • Silver Nitrate
  • Wheat

مراجع

Ahn, J., Ambrosone, C. B., Kanetsky, P. A., Tian, C., Lehman, T. A., Kropp, S., Helmbold, I., von fournier, D., Haase, W., Sautter-Bihl, M. L., Wenz, F., & Chang-Claude, J. 2006. Polymorphisms in genes related to oxidative stress (CAT, MnSOD, MPO and eNOS) and acute toxicities from radiation therapy following lumpectomy for breast cancer. Clinical Cancer Research , 12(23), 7063-7070. https://doi.org/10.1158/1078-0432.CCR-06-0039.
Catav, S.S., Genc, T.O., Kesik Oktay, M., & Kucukakyuz, K. 2018. Effect of boron toxicity on oxidative stress and genotoxicity in wheat (Triticum aestivum L.). Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 100(4), 502-508. https://doi.org/10.1007/s00128-018-2292-x.
Dudziak, K., Zapalska, M., Borner, A., Szczerba, H., Kowalczyk, K., & Nowak, M. 2019. Analysis of wheat gene expression related to the oxidative stress response and signal transduction under short-term osmotic stress. Scientific Reports, 9(1), 2743. https://doi.org/10.1038/s41598-019-39154-w.
Hafez, E.M., & Gharib H.S.G. 2016. Effect of exogenous application of ascorbic acid on physiological and biochemical characteristics of wheat under water stress. international journal of Plant Production, 10(4), 18. https://doi.org/ 10.22069/IJPP.2016.3051.
Fang, S., Sun, S., Cai, H., Zou, X., Wang, S., Hao, X., Wan, X., Tian, J., Li, Z., He, Z., Huang, W., Liang, C., Zhang, Z., Yang, L., Tian, J., Yu, B., & Sun, B. 2021. IRGM/Irgm1 facilitates macrophage apoptosis through ROS generation and MAPK signal transduction: Irgm1 (+/-) mice display increases atherosclerotic plaque stability. Theranostics, 11(19), 9358-9375. https://doi.org/10.7150/thno.62797.
Farooq, A., Bukhari, S.A., Akram, N. A., Ashraf, M., Wijaya, L., Alyemeni, M. N., & Ahmad, P. 2020. Exogenously applied ascorbic acid-mediated changes in osmoprotection and oxidative defense system enhanced water stress tolerance in different cultivars of safflower (Carthamus tinctorious L.). Plants, 9(1), 104. https://doi.org/10.3390/plants9010104.
Hagege, D., Nouvelot, A., Boucard, J., & Gaspar, T .1990. Malondialdehyde titration with thiobarbiturate in plant extracts: avoidance of pigment interference. Phytochemical Analysis, 1, 86-89. https://doi.org/10.1002/pca.2800010208.
Karimi, J., Mohsenzadeh, S., Niazi, A., & Moghadam, A. 2017. Diffrential expression of mitochondrial manganese Superoxide Dismutase (SOD) in triticum aestivum exposed to silver nitrate and silver nanoparticles. Iranian Journal of Biotechnology, 15(4), 284-288. https://doi.org/10.15171/ijb.1311.
Rashid, M., Sajid, M.A., Elahi, N.N., Noreen, S.,& Shah, K.H. 2021. Antioxidant defense system is a key mechanism for drought stress tolerance in wheat (Triticum aestivum L.). Sarhad Journal of Agriculture, 37(2), 348-358. http://dx.doi.org/10.17582/journal.sja/2021/37.2.348.358
.‏ Naeem, M., Ansari, A.A., Gill, S.S. (Eds.). 2020. Contaminants in agriculture: sources, impacts and management. Springer International Publishing: Cham, Switzerland, ISBN 978-3-030-41551-8.
Pandey, N., Pathak, G.C.., Pandey, D.K., & Pandey, R. 2009. Heavy metals, Co, Ni, Cu, Zn and Cd, produce oxidative damage and evoke differential antioxidant responses in spinach. Brazilian Journal of Plant Physiology, 21(2),103-111. https://doi.org/10.1590/S1677-04202009000200003.
Navabpour, S., & Mazandarani, A. 2017. Molecular and biochemical evaluation of two bread wheat cultivars under oxidative stress. Cereal Research, 7(3), 357-367.https://doi.org/10.22124/c.2018.5178.1202. [In Persian]
Navabpour, S., Yamchi, A., Bagherikia, S., & Kafi, H. 2020. Lead-induced oxidative stress and role of antioxidant defense in wheat (Triticum aestivum L.). Physiology and Molecular Biology of Plants, 26(4), 793-802. https://doi.org/10.1007/s12298-020-00777-3.
Aro, C.E.P., Guzman, J. A.R., Munoz, M.E.S., & Gonzalez, B.E.V. 2015. Effect of high intensity interval training versus moderate intensity continuous training on the reduction of oxidative stress in type 2 diabetic adult patients: CAT. Medwave, 13, 15(7), e6212. https://doi.org/10.5867/medwave.2015.07.6212 .
Pirzada, A.M., Anwar, T., Qureshi, W.A., Qureshi, H., Siddiqi, E.H., Zaman, W., & Soufan, W. 2024. Salinity stress mitigation in wheat through synergistic application of ascorbic acid, nanoparticles and Salvadora oleoides extract. Scientific Reports, 28,14(1), 30687.‏ https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39730357/.
Porra, R.J., Thompson , W.A., & Kriedmann, P.E. 1989. Determination of accurate extinction coefficients and simultaneous equations for assaying chlorophylls a and b extracted with four different solvents: vertification of the concentration of chlorophyll standards by atomic absorption spectroscopy. Biochimica et Biophysica Acta, 975, 384-394. https://doi.org/10.1016/S0005-2728(89)80347-0.
Juknys, R., Vitkauskaitė, G., Račaitė, M., Venclovienė, J. 2012. The impacts of heavy metals on oxidative stress and growth of spring barley. Central European Journal of Biology, 7, 299-306. https://doi.org/10.2478/s11535-012-0012-9 Mohammadkhani, N., & Sharifi, P. 2016. Anti-oxidative response of different wheat genotypes to drought during anthesis. Iranian Journal of Plant Physiology, 6 (4), 1845-1854. https://doi.org/10.30495/ijpp.2016.532655
Singh, R., & Rathore, D. 2018. Oxidative stress defence responses of wheat (Triticum aestivum L.) and chilli (Capsicum annum L.) cultivars grown under textile effluent fertilization. Plant Physiology and Biochemistry, 123, 342-358. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2017.12.027.
 Shu, P., Li, Y., Li, Z., Sheng, J., & Shen, L. 2022. SlMAPK3 enhances tolerance to salt stress in tomato plants by scavenging ROS accumulation and up-regulating the expression of ethylene signaling related genes. Environmental and Experimental Botany, 193, 104698.‏ https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2021.104698
Suzuki, H., Frank, G.D., Utsunomiya, H., Higuchi, S., & Eguchi, S. 2006. Current understanding of the mechanism and role of ROS in angiotensin II signal transduction. Current Pharmaceutical Biotechnology, 7(2), 81-86. https://doi.org/10.2174/13892010677659766.
Wang, J., chatzidimitriou, E., Wood, L., Hasanalieva, G., Markellou, E., Iversen, P,O., Seal, C., Baranski, M, Vigar, V., Ernst, L., Willson, A., Thapa, M., Barkla, B., Leifert, C., & Rempelos, L. 2020. Effect of wheat species (Triticum aestivum vsT.spelta), farming system (organic vs conventional) and flour type (whole grain vs white) on composition of wheat flour Results of a retail survey in the UK and Germany 2. Antioxidantactivity, and phenolic and mineral content. Food chemistry, 6(30): 91-101. https://doi.org/10.1016/j.fochx.2020.100091.
Xie, C., Yang, L., & Gai, Y. 2023. MAPKKKs in plants: multidimensional regulators of plant growth and stress responses. International Journal of Molecular Sciences, 24(4), 4117.‏ https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2021.104698.
Yao, Y., Zhao, H., Sun, L., Wu, W., Li, C., & Wu, Q. 2022. Genome-wide identification of MAPK gene family members in Fagopyrum tataricum and their expression during development and stress responses. BMC genomics, 23(1), 96.‏ https://doi.org/10.1186/s12864-022-08293-2

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار