فهرست مطالب

زیست فناوری گیاهان زراعی - پیاپی 29 (بهار 1399)

مجله زیست فناوری گیاهان زراعی
پیاپی 29 (بهار 1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/03/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • زینب شهاب زاده، رضا درویش زاده*، رضا محمدی، مراد جعفری، هادی علیپور صفحات 1-20

    گیاه فسکیوی پابلند (Festuca arundinacea) از خانواده Poaceae، یک گیاه آلوهگزاپلویید (2n=6x=42) دگربارور است که در سرتاسر دنیا به صورت گیاه علوفه ای استفاده می شود. اکثر صفات مورفولوژیک با ارزش اقتصادی بالا توارث کمی (پلی ژنیک) داشته و بیان ژن های کنترل کننده این صفات به طور وسیعی تحت تاثیر محیط قرار می گیرند از این رو اصلاح این گونه صفات با روش های اصلاح کلاسیک مشکل و زمان بر است. در 40 سال اخیر توسعه تکنولوژی نشانگرهای مولکولی و تلفیق آن با روش های بیومتری امکان شناسایی QTL و توسعه گزینش به کمک نشانگر را فراهم نموده است. این تحقیق با هدف مطالعه ژنتیکی و شناسایی QTLهای کنترل کننده صفات زراعی در ژرم پلاسم فسکیوی پابلند و با استفاده از تجزیه ارتباطی انجام شد. در آزمایش مولکولی، تنوع ژنتیکی نود جمعیت فسکیوی پابلند با 10 جفت آغازگر EST-SSR و 39 آغازگر ISSR بررسی شد. در ارزیابی های مزرعه ای، تنوع فنوتیپی نود جمعیت فسکیوی پابلند در رابطه با 10 صفت زراعی در قالب طرح بلوک-های کامل تصادفی با سه تکرار ارزیابی شد. از میان صفات زراعی مورد بررسی بیشترین تنوع در صفات تاریخ گرده افشانی و ارتفاع بوته مشاهده شد. در تجزیه به مولفه های اصلی براساس صفات زراعی مورد مطالعه جمعیت ها به دو گروه اصلی و چهار زیرگروه تقسیم بندی کنند. در گروه بندی جمعیت ها براساس کل نشانگرهای مولکولی به روش های UPGMA و بیزی، جمعیت های فسکیوی پابلند به دو گروه چمنی و علوفه ای تقسیم بندی شدند. نتایج نشان داد براساس هر دو نشانگر مورفولوژیکی و ژنتیکی مورد استفاده تنوع خوبی بین جمعیت ها وجود دارد. در تجزیه ارتباطی با دو روش GLM و MLM بیشترین تعداد نشانگر برای تاریخ گرده افشانی شناسایی شد. در روش GLM تعدادی نشانگر مشترک بین دو صفت تاریخ گرده افشانی و تاریخ گلدهی مشاهده شد که می توانند برای مطالعه همزمان هر دو صفت به کار روند.

    کلیدواژگان: تنوع ژنتیکی، تجزیه QTL، گیاهان علوفه ای، نشانگرهای مولکولی، نقشه یابی عدم تعادل پیوستگی
  • بهناز کرمی لاکه، محمد مهدی سوهانی، امین عابدی* صفحات 21-37

    پروتئین های خانواده آنتی پورتر یون کلسیم/کاتیون (CaCA) نقش حیاتی در هموستازی یون کلسیم دارند که یک رویداد مهم در طول نمو و پاسخ دفاعی گیاه است. در مطالعه حاضر با استفاده از داده های بانک های اطلاعاتی مرتبط، 14 ژن CaCAs در ژنوم ذرت شناسایی و براساس سازماندهی ساختاری و ارتباط تکاملی آن ها با پروتئین های شناسایی شده به سه گروه CAX، CCX و MHX طبقه بندی شدند. بیشتر پروتئین های ZmCaCA دارای دو دمین Na_Ca_ex بودند. تمامی ژن های شناسایی شده دارای حداقل یک موتیف کارکردی بوده و ساختار ژنی هر زیر گروه CaCA بسیار حفاظت شده است. در پیش بینی مولکول-های miRNA واکنش گر نسبت به ژن های CaCA در ذرت 33 نوع miRNA متفاوت شناسایی شد که در تنظیم بیان پس از رونویسی 13 ژن CaCAs از طریق برش mRNA یا ممانعت از ترجمه دخالت دارند. علاوه بر این، چندین عنصر تنظیمی cis پاسخ به تنش ها و هورمون ها در پیش بر این ژن ها شناسایی شد. بیان متغیر اکثر ژن های ZmCaCA در مراحل مختلف رشد و نمو، نقش مشخص آن ها در نمو ذرت را نشان می-دهد. همچنین القاء بیان این ژن ها در پاسخ به تنش های غیر زیستی (سرما، شوری، خشکی) کارکرد دفاعی ژن های ZmCaCA را مشخص نمود. بیشترین افزایش و کاهش بیان ژن مربوط به ژن های CAX است. نتایج این مطالعه اطلاعات پایه در مورد روابط فیلوژنی و کارکردهای احتمالی ژن های CaCA ذرت را برای پژوهش های آتی فراهم می سازد.

    کلیدواژگان: بررسی فیلوژنتیکی، بیوانفورماتیک، پیش بر، ریزآرایه
  • مریم شیرانی بیدآبادی، فرهاد نظریان فیروزآبادی*، کریم سرخه، احمد اسماعیلی صفحات 39-51

    سیب زمینی، چهارمین گیاه ارزشمند در تغذیه بشر است. غده سیب زمینی علاوه بر کربوهیدرات ها، دارای ویتامین ها و ریزمغذی های مهمی برای تامین سلامت بشر است. طی مراحل نموی غده سیب زمینی، تغییرات متعدد مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی و مولکولی رخ می دهند. مطالعه این اتفاق ها از منظر مولکولی، برای به نژادی ارزش غذایی و بهبود عملکرد سیب زمینی بسیار مهم است. روش های توالی یابی نوین، داده های ژنتیکی فراوان و سودمندی برای به نژادی مولکولی محصولات زراعی تولید می-کنند. در این مطالعه، از غده در حال نمو سیب زمینی در دو دوره نموی نمونه برداری صورت گرفت. توالی یابی cDNA و ساخت RNA پس از استخراج با دو تکرار برای هر Illumina انجام شد. آنالیزهای بیوانفورماتیکی، هستی شناسی ژن و غنی سازی گروه های ژنی صورت گرفت. در نهایت، از 1829 ژن افتراقی، 1186 ژن توسط پایگاه های معتبر شناسایی شدند. نتایج مقایسه های هستی شناسی ژن نشان داد که به ترتیب 393، 483 و 669 ژن در فرایندهای بیولوژیکی، اجزای سلولی و کارکردهای مولکولی نقش داشتند. بیشترین تعداد ژن در مسیرهای بیوسنتز فنیل پروپانوییدها، بیوسنتز متابولیت های ثانویه و مسیرهای متابولیکی حضور داشتند. ژن های کدکننده ی پراکسیدازها و ناقلین غشایی مهم ترین ژن ها در ابتدای دوره نموی تا شروع غده دهی بودند. نمو غده در سیب زمینی مسیرهای متابولیکی بسیاری را فعال می سازد، که نه تنها موجب رشد و نمو می گردند، بلکه باعث فعال شدن مسیرهای مقابله با تنش ها و همچنین مسیرهای ساخت مواد مورد نیاز می گردند. در مجموع تعداد ده ژن کلیدی برای بیوسنتز نشاسته در جریان نمو، شناسایی شدند که بیشتر آن ها افزایش بیان معنی داری نشان دادند، این موضوع نشان می دهد که فرایند بیوسنتز نشاسته از شروع نمو استولون تا بلوغ غده پیوسته ادامه دارد.

    کلیدواژگان: آنالیز غنی‌سازی گروه‌های ژنی، آنالیز هستی‌شناسی ژن، سیب‌زمینی، نمو، RNA-seq
  • سید حمیدرضا هاشمی پطرودی*، سمیرا محمدی صفحات 53-66

    تنش شوری یکی از تنش های غیرزیستی محدودکننده رشد و نمو گیاهان می باشد. عامل پاسخ دهنده به اتیلن (ERF) خانواده ای از عوامل رونویسی دخیل در رشد و نمو گیاهان و نیز پاسخ دهنده به تنش های زیستی و غیرزیستی بوده و با توجه به اهمیت این خانواده در پاسخ به تنش شوری، در این تحقیق شناسایی ژن های این خانواده در گیاه شورزیست چمن شور آلوروپوس لیتورالیس (Aeluropus littoralis) مدنظر قرار گرفت. در مجموع، 36 ژن غیر تکراری ERF در ژنوم آلوروپوس لیتورالیس شناسایی شد. ترسیم درخت فیلوژنتیک بر مبنای همولوژی با گیاه آرابیدوپسیس، خانواده ژنی AlERF را به شش گروه مشخص (B1 تا B6) طبقه بندی نمود. تجزیه و تحلیل ساختار ژنی نشان داد که تعداد اینترون در ژن های AlERF بین صفر تا دو متغیر بود. تجزیه و تحلیل موتیف های حفاظت شده و جستجوی دمین در توالی های پروتیینی AlERF نشان داد از ده موتیف شناسایی شده، تنها موتیف های یک و دو در ساختار دمین AP2/ERF مشارکت دارند. بر اساس داده های ترانسکریپتوم و نمودار Heatmap، ژن AlERF6.3 ببیشترین بیان را در شرایط تنش شوری در بافت ریشه نشان داد و بیشترین کاهش بیان نیز در ژن AlERF6.7 در شرایط بازیابی در بافت برگی مشاهده شد. این الگوی متفاوت بیان ژن ها در بافت های برگ و ریشه در مواجهه با تنش شوری، حاکی از وجود مکانیسم های تنظیمی متفاوت در بیان این ژن ها می باشد. نتایج این مطالعه به عنوان اولین گزارش در مورد خانواده ژنی ERF در آلوروپوس لیتورالیس، اطلاعات پایه ای را برای مطالعات بیشتر در مورد خصوصیات کارکردی ژن های AlERF فراهم می نماید.

    کلیدواژگان: آلوروپوس لیتورالیس، تنش شوری، خانواده ژنی، روابط فیلوژنتیکی، عوامل رونویسی ERF
  • سیده مهری جوادی، زهرا سادات شبر*، آسا ابراهیمی، مریم شهبازی صفحات 67-79

    خشکی مهم ترین تنش محیطی است که باعث کاهش عملکرد محصولات گیاهی می شود. تحقیقات در راستای ایجاد ارقام متحمل به تنش خشکی از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. در این تحقیق تلاش شده است تا با آنالیز داده های تولید شده از طریق فناوری ریزآرایه، ژن های مهم پاسخگو به تنش خشکی و ژن های هاب در مرحله زایشی جو شناسایی شده و آنالیز پروموتور انجام گیرد. به همین منظور با استفاده از نرم افزار FlexArray تمامی ژن های دارای بیان افتراقی 5/2 ≥ و 5/2- ≥ در بین دو سری از آزمایشات ریزآرایه انجام شده در جو شناسایی شدند. نتیجه این تجزیه و تحلیل، شناسایی 559 ژن پاسخ دهنده به تنش خشکی در مرحله زایشی بود. ژن های هاب با استفاده از سه الگوریتم محاسباتی Cyto-Hubba در نرم-افزار Cytoscape مشخص شدند. این امر منجر به شناسایی 10 ژن غیر تکراری شد که به عنوان موثرترین ژن ها در پاسخ به تنش خشکی در نظر گرفته شدند. براساس بررسی هستی شناسی ژن های دارای بیان افتراقی و ژن های هاب، تنظیم رونویسی از گروه های اصلی بود که نشان دهنده اهمیت عوامل رونویسی در مکانیسم تحمل به خشکی می باشد. در میان عوامل رونویسی می توان به HvCBF6، HvDRF1.3، LFL1، VP1، WRKY71 و ABI5 (متعلق به خانواده های AP2، WRKY و bZIP) اشاره کرد. آنالیز پرموتر نشان داد که برخی از خانواده های عوامل رونویسی از جمله AP2، AT-hook family، bHLH، NAC، bZIP و MYB قابلیت اتصال به 85 درصد از پرموترهای شناسایی شده را دارند. مطالعه این عوامل رونویسی، می تواند به شناخت هر چه بیشتر سازوکار تحمل به تنش خشکی در جو کمک کند.

    کلیدواژگان: جو، تنش خشکی، ژن هاب، آنالیز پروموتر، هستی شناسی
  • مهرانه تسلیمی، عاطفه صبوری *، امین عابدی صفحات 81-98

    خشکی از مهم ترین عوامل محدود کننده برای تولید اقتصادی محصولات زراعی به خصوص برنج در دنیا است. به منظور شناسایی نشانگرهای مرتبط با عملکرد و صفات زراعی برنج تحت تنش خشکی، تعداد 40 رگه خویش آمیخته برنج از نسل نهم (F9) حاصل از تلاقی ارقام شاه-پسند×IR28 در مزرعه تحقیقاتی موسسه تحقیقات برنج کشور (رشت) در بهار و تابستان 1397 در قالب طرح بلوک های کامل تصادفی با سه تکرار مورد بررسی قرار گرفتند. در این راستا، چندشکلی110 نشانگر SSR و EST-SSR بین والدین جمعیت ارزیابی و 41 نشانگر، چندشکل مناسبی نشان دادند. نتایج به دست آمده از تجزیه رگرسیونی تحت شرایط بدون تنش و تنش به ترتیب 24 و 22 نشانگر معنی دار شناسایی نمود. بیش ترین ضریب تبیین (R2) در شرایط بدون تنش مربوط به نشانگر RM3496 برای تعداد روز تا گلدهی (8/24 درصد) و در شرایط تنش، مربوط به نشانگر RMES6-1 برای صفت میزان خروج خوشه از غلاف (1/28 درصد) بود. نشانگرهای RM211 و RM6697 به ترتیب در شرایط بدون تنش و تنش خشکی، بیشترین ارتباط معنی دار را با صفات مختلف از جمله طول خوشه، طول برگ پرچم، تعداد دانه بارور درخوشه، تعداد دانه کل درخوشه و وزن دانه بارور درخوشه داشتند. بر اساس جستجوهای بیوانفورماتیکی، بیش ترین الگوی بیان در شرایط تنش خشکی مربوط به ژن با کد دسترسی LOC_Os01g43370 بود. از نشانگرهای آگاهی بخش و ژن های شناسایی شده توسط روش های بیوانفورماتیکی، می توان پس از تآیید اعتبار، برای انتخاب به کمک نشانگر، جهت انتقال ژن و بهبود عملکرد برنج در شرایط تنش خشکی مورد استفاده قرار داد.

    کلیدواژگان: رگرسیون، تنش غیر زیستی، SSR، QTL
|
  • Zeinab Shahabzadeh, Reza Darvishzadeh *, Reza Mohammadi, Morad Jafari, Hadi Alipour Pages 1-20

    Tall fescue (Festuca arundinacea) from Poaceae family is an aloehexaploid (2n= 6x= 42) and cross pollinated plant that is used throughout the world as a forage plant. Most of economically important morphological traits have quantitative (polygenic) inheritance, and the expression of genes controlling these traits are widely influencedby the environment. So improving these traits with classical breeding methods is difficult and time consuming. In the last 40 years, the development of molecular markerstechnology and its integration with biometric methods has made possible identificationof QTL and developing marker assisted selection. This research was aimed to study the genetic control and identification of genomic regions controlling agro-morphological traits in tall fescue germplasm using association analysis approach. In the molecular experiment, the genetic diversity of ninety tall fescue populations was assessed by 10 EST-SSR and 39 ISSR primers. In the phenotypic assessment, the phenotypic variability of ninety tall fescue populations for 10 agro-biological traits was assessed using randomized complete block design with three replications. Among studied agro-biological traits, the highest variation was observed for plant heightanddate to pollination. In principal component analysis based on agro-biological traits the studied tallfescue population subdivided into two main groups and four subgroups. In grouping population based on all studied molecular markers via UPGMA and Bayesian methods, the population divided into two main groups including grass and forage groups. The results showed that based on both morphological and molecularmarkers there are valuable genetic diversity among studied population. In association analysis with both GLM and MLM methods the highest number of markers was identified for data to pollination trait. In the GLM method, some common markers were identified for date to pollination and flowering date traits that could be used to study both traits simultaneously

    Keywords: Genetic Diversity, QTL analysis, forage crops, Molecular markers, linkage disequilibrium mapping
  • Behnaz Karami Lake, Mohammad Sohani, Amin Abedi * Pages 21-37

    The Ca2+/cation antiporters (CaCA) superfamily proteins play vital function in Ca2+ ion homeostasis, which is an important event during development and defense response. In the present study, using related database, 14 CaCA genes were identified in the maize genome and classified according to their structural organization and evolutionary association with the identified CAX, CCX and MHX proteins. Most of the ZmCaCA proteins had two Na_Ca_ex domains. All of the identified genes had at least one functional motif and gene structure of each CaCA subgroup is highly conserved. In the prediction of reactive miRNAs relative to CaCA genes in maize, 33 different miRNA variants were identified that regulate the expression of 13 CaCA genes through cleavage or inhibition of translation. In addition, several cis-acting regulatory elements in ZmCaCA genes were found to be related to hormones stress responses. The variable expression of most ZmCaCA genes at different stages of development indicates their distinct role in development. Expression of these genes in abiotic stresses (cold, salt, and drought) indicates their role in stress response. The greatest high expression and down regulation of gene expression is related to CAX genes. The results of this study provide basic data about phylogeny and putative function of these genes for future studies on the role of CaCA genes in maize.

    Keywords: Bioinformatics, Microarray, Phylogenetic Analysis, promoter
  • Maryam Shirani Bidabadi, Farhad Nazarian Firouzabadi *, Karim Sorkheh, Ahmad Ismaili Pages 39-51

    Potato is the fourth most valuable plant for human nutrition. In addition to carbohydrates, potato tuber contains important vitamins and micronutrients for human health. During developmental stages of Potato; morphological, physiological and molecular changes occur. From the genetic point of view, studying these events is crucial for breeding potatoes with nutritional values and a higher yield. The next-generation sequencing methods generate abundant and useful genetic data for molecular breeding of crop plants. In this study, two different potato tuber developmental stages (S1 and S2) were chosen and sampled. Following RNA extraction and cDNA synthesis, Illumina RNA sequencing was performed in two replications for each stage. Bioinformatics analysis, gene ontology, and gene set enrichment analysis were performed. Finally, out of 1829 differential expression genes, 1186 genes were identified and valided by bioinformatics resources. The result of gene ontology comparison showed that 393, 483 and 669 genes were involved in biological processes, cellular components, and molecular functions, respectively. Most genes were present in the phenylpropanoid biosynthesis, biosynthesis of secondary metabolites and metabolic pathways. Peroxidase and membrane transporters coding genes were the most important genes at the beginning of tuber onset to tuberization. These results suggested that development in potato tuber activates metabolic pathways, which not only promotes growth and development but also activates the pathways involved in stress responses and synthesis of different compounds. Ten key genes were identified involved in starch biosynthesis, most of which showed a significant up-regulation, suggesting that the starch biosynthesis pathway starts from the onset of stolon development to tuber maturation.

    Keywords: Development, Gene ontology analysis, Gene set enrichment analysis, Potato, RNA-seq
  • Seyyed Hamidreza Hashemi Petroudi *, Samira Mohammadi Pages 53-66

    Salt stress is one of the abiotic stresses limiting plant growth and development. The ethylene response factor (ERF) is one of the transcription factor family that involved in plant development and responses to biotic and abiotic stresses. Regarding to importance role of genes belonging to ERF gene family in plant responses to salt stress, identification of these genes in the Aeluropus littoralis, halophyte plant, was considered in this study. In total, 36 non-redundant ERF genes were identified in A. littoralis genome. The phylogenetic tree classified the AlERF gene family into six distinct groups (B1 to B6) based on hemology with the Araboidopsis thaliana. Gene structure analysis revealed that AlERF genes contained zero to two introns. Domain search and conserved motif analyses in AlERF protein sequences determined that 2 motifs (1 and 2) out of the identified 10 motifs participate in the AP2/ERF domain structure. Based on transcriptome data and heatmap diagram, AlERF6.3 gene was expressed more in root tissue under salinity stress, and the least expression level was observed in AlERF6.7 gene in leaf tissue under recovery conditions. The different expression patterns of genes in leaf and root tissues under salt stress suggested different regulatory mechanisms in the gene expression. The results of this study, as the first report on the ERF gene family in A. littoralis, provides basic information for further studies of the functional characteristics of AlERF genes.

    Keywords: Aeluropus littoralis, ERF transcription factor, Gene family, Phylogenetic relationships, Salt stress
  • Seyede Mehri Javadi, Zahra Sadat Shobbar *, Asa Ebrahimi, Maryam Shahbazi Pages 67-79

    Drought is the most important environmental stress that reduces crop yield. Therefore, research toward developing tolerant varieties is of great importance. In this study, microarray data analysis was used for identification of drought stress responsive genes and relevant hub genes in the reproductive stage of barley, and then their promoter analysis was performed. To achieve the goal, all the differentially expressed genes (DEGs) at drought conditions with fold changes ≥+2.5 and ≤-2.5 were identified between two microarray data-series in barley using FlexArray software. Bioinformatics analysis indicated that 559 genes were drought responsive at reproductive stage. The hub genes were distinguished using three Cyto-Hubba computational algorithms by Cytoscape software. Based on the hub analysis results, 10 unique (non-redundant) genes were identified as the most effective genes in response to drought stress. According to the gene ontology analysis of DEGs and hub genes, regulation of transcription were among the major groups indicating the importance of transcription factors (TFs) at drought tolerance mechanism. Amongst the hubs, several TFs such as HvCBF6, HvDRF1.3, LFL1, VP1, ABI5 and WRKY71 genes (belonged to AP2, WRKY and bZIP families) were observed. Promoter analysis was also revealed that some TF families including AP2, AT-hook family, bHLH, NAC, bZIP and MYB had binding site in 85% of promoters of the drought responsive genes and the hub genes in barley. Studying these transcription factors can help in better identification of drought tolerance mechanism in barley.

    Keywords: Barley (Hordeum vulgare), Drought stress, Hub gene, Gene Ontology, Promoter analysis
  • Mehraneh Taslimi, Atefeh Sabouri *, Amin Abedi Pages 81-98

    Drought is one of the most important limiting factors for economic produce crops especially rice in the world. In order to identify related markers to yield and agronomic traits under drought stress condition, 40 recombinant inbred lines F9 (RILs) derived from IR28 and Shah-Pasand varieties evaluated at Rice Research Institute of Iran (Rasht) in the spring and summer 2018, as randomized block design with three replications. In this regard, 110 SSR and EST-SSR markers were assessed on parents of population and identified 41 markers had proper polymorphism between two parents. According to the regression analysis results, 24 and 22 significant markers identified under normal and drought stress conditions respectively. The maximum adjusted (R2) under normal and drought stress conditions were assigned to RM3496 linked to days to flowering (24.8%) and RMES6-1 linked to panicle exsertion (28.1%), respectively. Two markers RM211 and RM6697 had the most number of significant relationship with different traits including panicle length, flag leaf length, number of filled grains per panicle, the total number of grain per panicle, and weight of filled grain per panicle under non-stress and drought stress conditions respectively. According to the bioinformatics searches, the maximum gene expression pattern under drought stress condition was related to gene with accession code LOC_Os01g43370. The identified informative markers and the detected genes by bioinformatics approaches after validation can be utilized in marker assisted-selection (MAS) or gene transfer approaches for improving rice yield and tolerance to drought stress.

    Keywords: regression, Abiotic Stress, SSR marker, QTL