بررسی الگوی بیان ژن‌ SAPK1 از گروه ژنی پروتئین کیناز (SNF1-Type) در گیاه برنج تحت تنش شوری

نوع مقاله : مقاله کامل علمی- پژوهشی

نویسندگان

1 دکتری اصلاح نباتات، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری،

2 استاد، گروه اصلاح نباتات، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری،

3 دانشیار، گروه اصلاح نباتات، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری

4 استاد، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه لرستان،

چکیده

سابقه و هدف: تنش شوری تهدید بسیار جدی برای اکثر محصولات کشاورزی در سطح جهان است. برنج در جهان در رتبه دوم بعد از گندم قرار دارد و گیاهی نسبتا حساس به تنش شوری است. پروتئین کینازها یک گروه مهم از آنزیم‌های کینازی هستند که پروتئین-های هدف را با افزودن گروه‌های فسفات فسفریله می‌کنند. این آنزیم‌ها با القای پیام رشد و تکثیر در ارتباطات سلولی نقش مهمی ایفا می‌کنند. بیان ژن فرآیندی است که طی آن به وسیله اطلاعات به‌دست آمده از یک ژن، محصول کاربردی ژن سنتز می‌شود. هدف این تحقیق بررسی سطح بیان ژن SAPK1 از گروه ژنی پروتئین کیناز در گیاه برنج تحت تنش شوری سدیم کلراید با بررسی سه زمان مختلف بعد از اعمال تنش بود.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق الگوی بیان ژن SAPK1 در دو رقم متحمل (شصتک محمدی) و حساس ( IR29) گیاه برنج تحت تنش شوری با آزمایش فاکتوریل در قالب طرح کاملا تصادفی با سه تکرار بررسی شد. ارقام در گلخانه تحقیقاتی دانشکده کشاورزی دانشگاه لرستان کاشته شدند و در مرحله گیاهچه‌ای (5 الی 6 برگی) به گیاه تنش شوری در سه سطح 3، 6 و9 دسی‌زیمنس بر متر و تیمار شاهد (بدون تنش شوری) اعمال شد. سپس در سه زمان مختلف (6، 12 و 24 ساعت بعد از اعمال تنش ) نمونه برداری از برگ گیاه جهت بررسی بیان ژن صورت گرفت. نمونه‌های برگ در فریزر منفی 80 درجه سانتی‌گراد نگهداری شدند. سپس استخراج RNA و سنتز cDNA توسط کیت‌های مخصوص هر مرحله صورت گرفت و در نهایت بررسی بیان ژن با تکنیک qPCR و توسط فرمول لیواک انجام شد.
یافته‌ها: نتایج بررسی الگوی بیان ژن SAPK1 نشان داد که در هر دو رقم متحمل و حساس در سطح شوری 9 دسی‌زیمنس بر متر 24 ساعت بعد از اعمال تنش بیشترین میزان بیان ژن مشاهده گردید. در زمان‌های مختلف بعد از اعمال تنش در تیمار شاهد و سطح شوری 3 دسیزیمنس بر متر میزان بیان ژن در هر دو رقم متحمل و حساس هیچ تفاوتی با همدیگر نشان نداد و بسیار ناچیز بود. اما در سطح شوری 6 دسی‌زیمنس بر متر 6 ساعت بعد از اعمال تنش میزان بیان ژن در رقم متحمل نسبت به رقم حساس و تیمار شاهد 3 برابر افزایش داشت. در این سطح بررسی بیان ژن 12 و 24 ساعت بعد از اعمال تنش میزان بیان ژن را در رقم متحمل نسبت به رقم حساس و تیمار شاهد حدود 7 برابر بیشتر شد. در سطح شوری 9 دسی‌زیمنس بر متر 6 ساعت بعد از اعمال تنش میزان بیان ژن در رقم متحمل نسبت به رقم حساس دو برابر و نسبت به تیمار شاهد 4 برابر بیشتر شد. در حالیکه 12 ساعت بعد از اعمال تنش میزان بیان ژن در رقم متحمل نسبت به رقم حساس حدود 5/5 برابر و نسبت به تیمار شاهد حدود 10 برابر بیشتر شد. همچنین 24 ساعت بعد از اعمال تنش نیز بیان ژن در رقم متحمل نسبت به رقم حساس 5/3 برابر بیشتر و نسبت به تیمار شاهد 11 برابر بود.
نتیجه‌گیری:این نتایج نشان داد با افزایش سطوح شوری تا 9 دسیزیمنس برمتر بیان ژن SAPK1 در گیاه برنج افزایش می‌یابد. همچنین با بررسی اثر زمان بعد از اعمال تنش بر میزان بیان ژن SAPK1 مشخص شد که در ساعات اولیه بعد از اعمال تنش، میزان بیان ژن کم اما با افزایش زمان تا 24 ساعت بیان ژن در رقم متحمل افزایش یافت. از این نتایج می‌توان در بررسی‌های مولکولی ارقام برنج جهت انتخاب متحمل‌ترین ارقام برنج به تنش شوری برای کشت در مناطق مستعد شوری استفاده نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigating the expression pattern of SAPK1 gene from protein kinase gene group (SNF1-Type) in rice plants under salt stress

نویسندگان [English]

  • Somayeh Kamrava 1
  • Nad ali Babaeian jelodar 2
  • NadAli Bagheri 3
  • Farhad Nazarian-Firouzabadi 4
1 PhD in Plant Breeding, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources,
2 Professor, Department of Plant Breeding, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources,
3 Associate Professor, Department of Plant Breeding, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources
4 Professor, Department of Production Engineering and Plant Genetics, Faculty of Agriculture, Lorestan University,
چکیده [English]

Background and Objectives: Salinity stress is a very serious threat to most agricultural products in the world. In the world, rice ranks second after wheat and is a relatively sensitive plant to salt stress. Protein kinases are an important group of kinase enzymes that phosphorylate target proteins by adding phosphate groups. These enzymes play an important role in cell communication by inducing the message of growth and reproduction. Gene expression is a process during which a useful gene product is synthesized by the information obtained from a gene. The purpose of this research was to investigate the expression level of SAPK1 gene from the protein kinase gene group in rice plants under sodium chloride salt stress by examining three different times after the stress was applied
Materials and methods: In this study, the expression pattern of SAPK1 gene in two Cultivars tolerant (Shastak Mohammadi) and sensitive (IR29) of rice plant under salt stress was investigated by factorial experiment in the form of a completely randomized design with three replications. Cultivars were planted in the research greenhouse of the Faculty of Agriculture of Lorestan University and at the seedling stage (5 to 6 leaves), salinity stress was applied to the plant at three levels of 3, 6, and 9 dS/m and the control treatment (without salt stress). Then, at three different times (6, 12, and 24 hours after applying stress), plant leaves were sampled to investigate gene expression. The leaf samples were stored in a freezer at minus 80 degrees Celsius. Then, RNA extraction and cDNA synthesis were done by special kits for each stage, and finally,
Results: The results of the analysis of SAPK1 gene expression pattern showed that in both tolerant and sensitive cultivars, the highest level of gene expression was observed at the salinity level of 9 ds/m 24 hours after applying the stress. At different times after applying the stress in the control treatment and the salinity level of 3 ds/m, the gene expression level in both tolerant and sensitive cultivars did not show any difference and was very insignificant. However, at the salinity level of 6 ds/m, 6 hours after applying the stress, the gene expression level in the tolerant cultivar increased 3 fold compared to the sensitive cultivar and control treatment. At this level, examining gene expression 12 and 24 hours after applying the stress, the amount of gene expression in the tolerant cultivar was about 7 fold higher than the sensitive cultivar and the control treatment. At the salinity level of 9 ds/m, 6 hours after applying the stress, the gene expression level in the tolerant cultivar was doubled compared to the sensitive cultivar and 4 fold higher than the control treatment. While 12 hours after applying the stress, the gene expression level in the tolerant cultivar increased by 5.5 fold compared to the sensitive cultivar and by 10 fold compared to the control treatment. Also, 24 hours after applying the stress, gene expression in tolerant cultivar was 3.5 fold higher than the sensitive cultivar and 11 fold higher than the control treatment.
Conclusion: These results showed that the expression of SAPK1 gene increases in rice plants with increasing salinity levels. nvestigating the effect of time after applying stress on SAPK1 gene expression, it was found that in the early hours after applying stress, the amount of gene expression was low, but with increasing time up to 24 hours, gene expression in tolerant cultivar increased These results can be used in molecular studies of rice cultivars to select the most tolerant rice cultivars to salinity stress for cultivation in areas prone to salinity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rice
  • Protein kinase
  • Salinity stress. Sensitive. Gene
  1. Duning, X., Lix, Y., Song, D. & Yang, G. (2007). Temporal and Spatial dynamical simulation of groundwater characteristics in mining oasis. Science China Earth Sciences, 2, 261-273.
  2. Munns, R. and Tester, M. (2008). Mechanisms of salinity tolerance. Annual Review of Plant Biology, 59, 651-681.
  3. Mirdar Mansoori, Sh., Babaian Jolodar, N. & Bagheri, N. A. (2014). Investigating the effectiveness of yield and yield components of a number of Iranian rice cultivars and lines under salt stress. Crop Breeding Research Journal, 14, 67-83. [In Persian]
  4. Oleary, J. (2016). Adaptive Components of Salt Tolerance, Handbook of Plant and Crop physiology, Marcel Inc. 26, 78-96.
  5. Shannon, M. C. & Grieve, C. M. (2018). Tolerance of vegetable crops to salinity. Scientia Horticulturae, 78, 5-38.
  6. Lunde, C., Drew, P. D., Jacobs, A.K. & Tester, M. (2009). Exclusion of Na Via Sodium Atpase (Ppena) Ensures normal growth of physcomitrella patens under moderate salt stress. Plant Physiology, 144, 1786–1796.
  7. Marin, G., Zhang, L., Kato, M., Yamawaki, K., Asai, T., Nishikawa, F., Ikoma, Y.I. & Matsumoto, H. (2010). Effects of 1-Methylcyclopropene (1-MCP) and Ethylene on Postharvest Lignification of Common Beans (Phaseolus vulgarisL). Postharvest Biology and Technology, 58(2), 121-128.
  8. Kovach, M. , Sweeney, M.T. & Mccouch, S. R. (2017). New insights into the history of rice domestication. Tends in Genetics, 23, 578-587.
  9. Tai, S., Liu, G. S., Sun, Y. & Chen, J. (2015). Cloning and expression of calcium – dependent protein kinase (CDPK) gene family in common tobacco (Nicotiana tabacum). Agricultural Sciences in China, 12, 1448-1457.
  10. Shuai, CH., Liu, G. , Sun, Y. & Chen, J. (2015). Cloning of a Calcium-Dependent Protein Kinase Gene NtCDPK12, and Its Induced Expression by High-Salt and Drought in Nicotiana tabacum. Journal of Integrative Agriculture, 12, 1448-1457.
  11. Azad, A., Kazemi Tabar, S. K., Alamzadeh, A. & Kazemini, A. (2013). Identification and statistical analysis of cis-acting elements of female serine/threonine protein kinase initiators in maize. The first international congress and the 13th Iran genetics congress. 14, 87-103. (In Persian)
  12. Yousfi, S., Márquez, A. J., Betti, M., Araus, J. L. & Serret, M. D. (2016). Gene Expression and Physiological Responses To Salinity And Water Stress of Contrasting Durum Wheat Genotypes. Journal of Integrative Plant Biology, 54, 114-129.
  13. Telci, , Bayram, E., Yilmaz, G. & Avc, B. (2014). Variability in essential oil composition of Turkish basil (Ocimum basilicum L.). Biochemical Systematics and Ecology, 34, 489-497.
  14. Wang, W.X., Vinocur, B. & Altman, A. (2013). Plant responses to drought, salinity and extreme temperatures towards genetic engineering for stress tolerance. Planta, 218, 1-19.
  15. Dengji, L., Houping, V. & Diqiu, Y. (2018). The sucrose non-fermenting-1-related protein kinases SAPK1 and SAPK2 function collaboratively as positive regulators of salt stress tolerance in rice. BMC Plant Biology, 18, 203-221.
  16. Mirdar Mansoori, Sh., Babaian Jolodar, N. & Bagheri, N. A. (2014). Investigating the effectiveness of yield and yield components of a number of Iranian rice cultivars and lines under salt stress. Crop Breeding Research Journal, 14, 67-83. [In Persian]
  17. Saidipour, S. (2017). The effect of salinity stress on yield, concentration and distribution of some elements in different organs of two rice cultivars. Crop Physiology Journal, 9, 27-40.
  18. Livak, K. & Thomas, D. (2001). Analysis of Relative Gene Expression Data Using RealTime Quantitative PCR and the 2-ΔΔct Applied Bio systems, 25, 402-409.
  19. Roy, S. J., Negrao, S. & Tester, M. 2014. Salt resistant crop plants. Current Opinion in Chemical Biology, 26, 115-24.
  20. Lunde, C., Drew, P. D., Jacobs, A. K. & Tester, M. (2009). ״Exclusion Of Na Via Sodium Atpase (Ppena) Ensures Normal Growth Of Physcomitrella Patens Under Moderate Salt Stress. Plant Physiology Journal, 144, 1786–1796.
  21. Ohsugi, R., Hirochika, H., Ichikawa, H., Komatsu, S., Aoki, N., Nakamura, H., Hakata, M. & Asano, T. (2011). Functional characterization of os CPK21 a calcium dependent protein kinase that confers salt tolerance in rice. Plant Molecular Biology, 75,179-191.
  22. Azad, A., Kazemi Tabar, S. , Alamzadeh, A. & Kazemini, A. (2013). Identification and statistical analysis of cis-acting elements of female serine/threonine protein kinase initiators in maize. The first international congress and the 13th Iran genetics congress. 14, 87-103. [In Persian]
  23. Vijayata, S., Ajit Pal, S., Jyoti, B., Jitender, G., Jogendra, S., Vineeth, T. V. & Sharma, P. (2018). Differential expression of salt-responsive genes to salinity stress in salt-tolerant and salt-sensitive rice (Oryza Sativa L.) at seedling stage. Protoplasma, 255, 1667–1681.
  24. Calliste, D., Olga, V., Karl-Josef, D. & Dortje, G. (2014). The SNF1-type serine-threonine protein kinase SAPK4 regulates stress-responsive gene expression in rice. BMC Plant Biology, 89, 998-118.
  25. Dengji, L., Houping, V. & Diqiu, Y. (2018). The sucrose non-fermenting-1-related protein kinases SAPK1 and SAPK2 function collaboratively as positive regulators of salt stress tolerance in rice. PMC Plant Biology, 18, 203-221.
  26. Liu, X., Li, Z., Hou, Y., Wang, Y., Wang, H., Tong, X. & Zhang, J. (2019). Protein interatomic analysis of SAPKs and ABA-Inducible bZIPs revealed key roles of SAPK10 in rice flowering. Internatinoal Molecular Science Journal, 58, 875-892.
  27. Obaidul Islam, M., Hideki, K., Shuhei, S. H., Daisuke, T., Hirokazu, M. & Ryozo, I. (2019). Functional identification of a rice trehalase gene involved in salt stress tolerance. Genetics, 685, 42–49.