نقش بیوانفورماتیک در به‌نژادی گیاهان برای تنش‌های غیرزیستی

نوع مقاله : مروری

نویسندگان

1 گروه تولید و ژنتیک گیاهی دانشکده کشاورزی دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 گروه ژنتیک و به‌نژادی گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 گروه تولید و ژنتیک گیاهی دانشکده کشاورزی دانشگاه ارومیه. ارومیه، ایران.

4 انستیتو علوم اعصاب تولوز، فرانسه.

5 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی دانشکده کشاورزی دانشگاه مراغه، مراغه، ایران

6 گروه بیوتکنولوژی کشاورزی دانشکده کشاورزی دانشگاه تربیت مدرس. تهران، ایران.

چکیده

مقدمه: تنش‌های غیرزیستی به‌عنوان عوامل اصلی محدودکننده بهره‌وری در کشاورزی شناخته می‌شوند. در عصر حاضر، با توجه به تغییرات مداوم اقلیمی، درک جنبه‌های مولکولی مرتبط با پاسخ گیاهان به این تنش‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. ظهور رویکردهای امیکس، راهبردهای کلیدی را برای ارتقای تحقیقات مؤثر در این حوزه ارائه می‌دهد و تحقیقات را از مدل‌های مرجع به سمت گونه‌ها و ژنوتیپ‌های متنوع مقاوم و حساس گسترش می‌دهد. رویکردهای چند سطحی یکپارچه، که مبتنی بر تحقیقات مولکولی در سطوح ژنومیکس، ترانسکریپتومیکس، پروتئومیکس و متابولومیکس هستند، اکنون به‌طور فزاینده‌ای امکان‌پذیر شده‌اند و فرصت‌هایی را برای روشن‌سازی جنبه‌های کلیدی مولکولی دخیل در پاسخ به تنش‌های غیرزیستی فراهم می‌آورند. در این راستا، بیوانفورماتیک به‌عنوان ابزاری اساسی برای تولید، استخراج و یکپارچه‌سازی داده‌ها عمل کرده و برای استخراج اطلاعات ارزشمند و انجام تحلیل‌های مقایسه‌ای ضروری است. این فرآیندها، زمینه را برای مدل‌سازی دقیق‌تر فرآیندهای دخیل هموار می‌سازند.
مواد و روش‌ها: مقاله حاضر به‌عنوان یک مقاله مروری، با استفاده از روش تحلیل محتوا (Content analysis) تهیه شده است. این مطالعه بر اساس جستجوی سیستماتیک در پایگاه‌های داده معتبر علمی شامل PubMed، Web of Science، Google Scholar و Scopus انجام گرفته است.
یافته‌ها: در این مطالعه به بررسی نقش فناوری‌های امیکس و بیوانفورماتیک در بهبود تحمل گیاهان نسبت به تنش‌های غیرزیستی پرداخته شد. در ابتدا، فناوری‌های اصلی تولید داده‌های مولکولی عظیم و منابع عمومی بیوانفورماتیک مرور شده است. سپس، پایگاه‌های داده بیوانفورماتیکی مرتبط با تنش‌های غیرزیستی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. همچنین، یافته‌های مطالعات بیوانفورماتیکی که به شناسایی ژن‌های کلیدی و مسیرهای متابولیکی مرتبط با تحمل به تنش‌های غیرزیستی پرداخته‌اند، به دقت تحلیل شده‌اند.
نتیجه‌گیری: منابع بیوانفورماتیکی به محققان این امکان را می‌دهند که به اطلاعات ژنومی، ترانسکریپتومی و پروتئومیکی دسترسی پیدا کنند و یافته‌های بیوانفورماتیکی را با داده‌های تجربی ترکیب نمایند. این فرآیندها زمینه را برای مدل‌سازی دقیق‌تر فرآیندهای دخیل فراهم می‌سازند و نتایج مطالعات بیوانفورماتیکی می‌توانند به شناسایی ژن‌ها و مسیرهای متابولیکی مؤثر در تحمل به تنش‌های غیرزیستی منجر شوند. در نهایت، این رویکردهای یکپارچه می‌توانند به توسعه استراتژی‌های به‌نژادی هدفمند برای ایجاد گیاهان مقاوم به تنش‌های غیرزیستی کمک کنند و بدین ترتیب بهره‌وری کشاورزی را افزایش دهند.


مقدمه: تنش‌های غیرزیستی به‌عنوان عوامل اصلی محدودکننده بهره‌وری در کشاورزی شناخته می‌شوند. در عصر حاضر، با توجه به تغییرات مداوم اقلیمی، درک جنبه‌های مولکولی مرتبط با پاسخ گیاهان به این تنش‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. ظهور رویکردهای امیکس، راهبردهای کلیدی را برای ارتقای تحقیقات مؤثر در این حوزه ارائه می‌دهد و تحقیقات را از مدل‌های مرجع به سمت گونه‌ها و ژنوتیپ‌های متنوع مقاوم و حساس گسترش می‌دهد. رویکردهای چند سطحی یکپارچه، که مبتنی بر تحقیقات مولکولی در سطوح ژنومیکس، ترانسکریپتومیکس، پروتئومیکس و متابولومیکس هستند، اکنون به‌طور فزاینده‌ای امکان‌پذیر شده‌اند و فرصت‌هایی را برای روشن‌سازی جنبه‌های کلیدی مولکولی دخیل در پاسخ به تنش‌های غیرزیستی فراهم می‌آورند. در این راستا، بیوانفورماتیک به‌عنوان ابزاری اساسی برای تولید، استخراج و یکپارچه‌سازی داده‌ها عمل کرده و برای استخراج اطلاعات ارزشمند و انجام تحلیل‌های مقایسه‌ای ضروری است. این فرآیندها، زمینه را برای مدل‌سازی دقیق‌تر فرآیندهای دخیل هموار می‌سازند.
مواد و روش‌ها: مقاله حاضر به‌عنوان یک مقاله مروری، با استفاده از روش تحلیل محتوا (Content analysis) تهیه شده است. این مطالعه بر اساس جستجوی سیستماتیک در پایگاه‌های داده معتبر علمی شامل PubMed، Web of Science، Google Scholar و Scopus انجام گرفته است.
یافته‌ها: در این مطالعه به بررسی نقش فناوری‌های امیکس و بیوانفورماتیک در بهبود تحمل گیاهان نسبت به تنش‌های غیرزیستی پرداخته شد. در ابتدا، فناوری‌های اصلی تولید داده‌های مولکولی عظیم و منابع عمومی بیوانفورماتیک مرور شده است. سپس، پایگاه‌های داده بیوانفورماتیکی مرتبط با تنش‌های غیرزیستی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. همچنین، یافته‌های مطالعات بیوانفورماتیکی که به شناسایی ژن‌های کلیدی و مسیرهای متابولیکی مرتبط با تحمل به تنش‌های غیرزیستی پرداخته‌اند، به دقت تحلیل شده‌اند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The Role of Bioinformatics in Plant Breeding for Abiotic Stresses

نویسندگان [English]

  • Maryam Kholghi 1
  • Parviz Radmanesh 2
  • Reza Darvishzadeh 3
  • Ghasem Karizmadeh 2
  • Hadi Alipour 1
  • Somaieh Soufimaleky 4
  • Hamid Hatami Maleki 5
  • Danial Kahrizi 6
1 Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran.
2 Department of Genetics and Plant Breeding, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.
3 Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran.
4 Institut des Sciences du Cerveau de Toulouse, France
5 Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, University of Maragheh, Maragheh, Iran.
6 Department of Agricultural Biotechnology, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modarres University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Abstract
Introduction: Abiotic stresses are recognized as the primary limiting factors for productivity in agriculture. In the current era of continuous climate changes, the understanding of the molecular aspects involved in abiotic stress response in plants is a priority.The emergence of -omics approaches provides key strategies to promote effective research in the field, facilitating the investigations from reference models to an increasing number of species, tolerant and sensitive genotypes. Integrated multilevel approaches, based on molecular investigations at genomics, transcriptomics, proteomics and metabolomics levels, are now feasible, expanding the opportunities to clarify key molecular mechanisms involved in responses to abiotic stresses. To this aim, bioinformatics has become fundamental for data production, mining and integration, and necessary for extracting valuable information and for comparative efforts, paving the way to the modeling of the involved processes. Materials and methods: This article is a review that utilizes content analysis methodology. The research involved a systematic search across reputable scientific databases such as PubMed, Web of Science, Google Scholar, and Scopus.
Results: The focus of the study is on the role of omics technologies and bioinformatics in enhancing plant tolerance to abiotic stresses. Initially, it provides an overview of the main technologies for generating large-scale molecular data and public bioinformatics resources. Subsequently, bioinformatics databases related to abiotic stresses were explored. Additionally, it provides a detailed analysis of findings from bioinformatics studies that have identified key genes and metabolic pathways linked to abiotic stress tolerance.
Conclusion: Bioinformatics tools provide researchers with access to genomic, transcriptomic, and proteomic data, allowing them to combine bioinformatics findings with experimental data. These processes facilitate more accurate modeling of the involved mechanisms, and the results of bioinformatics studies can lead to the identification of genes and metabolic pathways that are effective in conferring tolerance to abiotic stresses. Ultimately, these integrated approaches support the development of targeted breeding strategies aimed at producing stress-resistant plants, thereby improving agricultural productivity.

Abstract
Introduction: Abiotic stresses are recognized as the primary limiting factors for productivity in agriculture. In the current era of continuous climate changes, the understanding of the molecular aspects involved in abiotic stress response in plants is a priority.The emergence of -omics approaches provides key strategies to promote effective research in the field, facilitating the investigations from reference models to an increasing number of species, tolerant and sensitive genotypes. Integrated multilevel approaches, based on molecular investigations at genomics, transcriptomics, proteomics and metabolomics levels, are now feasible, expanding the opportunities to clarify key molecular mechanisms involved in responses to abiotic stresses. To this aim, bioinformatics has become fundamental for data production, mining and integration, and necessary for extracting valuable information and for comparative efforts, paving the way to the modeling of the involved processes. Materials and methods: This article is a review that utilizes content analysis methodology. The research involved a systematic search across reputable scientific databases such as PubMed, Web of Science, Google Scholar, and Scopus.
Results: The focus of the study is on the role of omics technologies and bioinformatics in enhancing plant tolerance to abiotic stresses. Initially, it provides an overview of the main technologies for generating large-scale molecular data and public bioinformatics resources. Subsequently, bioinformatics databases related to abiotic stresses were explored. Additionally, it provides a detailed analysis of findings from bioinformatics studies that have identified key genes and metabolic pathways linked to abiotic stress tolerance.
Conclusion: Bioinformatics tools provide researchers with access to genomic, transcriptomic, and proteomic data, allowing them to combine bioinformatics findings with experimental data. These processes facilitate more accurate modeling of the involved mechanisms, and the results of bioinformatics studies can lead to the identification of genes and metabolic pathways that are effective in conferring tolerance to abiotic stresses. Ultimately, these integrated approaches support the development of targeted breeding strategies aimed at producing stress-resistant plants, thereby improving agricultural productivity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Genomics
  • Transcriptomics
  • Proteomics
  • Metabolomics
  • Database
  • Stress