فهرست مطالب

بیوتکنولوژی و بیوشیمی غلات - سال دوم شماره 3 (پیاپی 7، پاییز 1402)

نشریه بیوتکنولوژی و بیوشیمی غلات
سال دوم شماره 3 (پیاپی 7، پاییز 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/07/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • محمدجواد زارع * صفحات 269-287
    مقدمه

    رخداد تنش خشکی و حرارتی در طول دوره رشد و به ویژه در مرحله پرشدن دانه جزو مهمترین عامل‎های محدود کننده محیطی رشد و تولید ‏گندم به خصوص در مناطق خشک و نیمه خشک جهان محسوب می گردد. علاوه بر این، جمعیت جهانی و مخصوصا آن بخشی که ساکن کشورهای در حال ‏توسعه هستند و غلات جزو رژیم غذایی اصلی آن‎ها محسوب می شود، در معرض بیماری‎های مختلف ناشی از کمبود روی قرار دارند و اگر محصولات ‏تولیدی غلات این کشورها ماحصل اراضی زراعی با خاک‎های فقیر از روی باشد، این مسیله حادتر است. مطالعات انجام گرفته نشان داده که مصرف روی نه ‏تنها موجب افزایش محتوای روی و عملکرد دانه در گندم گردیده، بلکه تحمل تنش خشکی را نیز بهبود بخشیده است. پژوهش حاضر به جهت فهم بهتر ‏و کسب اطلاعات بیشتر در خصوص نقش عنصر روی در گیاه گندم طراحی گردید. ‏

    مواد و روش ها

    پژوهش حاضر در قالب دو آزمایش انجام شد.‏‎ ‎آزمایش اول با هدف بررسی مقدماتی تاثیر کاربرد روی به روش پرایم بذر و محلول پاشی ‏برگی بر ویژگی های بیوشیمیایی و مولکولی مرتبط با تحمل خشکی در گندم و تحت شرایط اتاقک رشد انجام شد و در آزمایش دوم تاثیر محلول پاشی ‏روی در غلظت های مختلف (صفر، 1/0، 2/0 و 3/0 درصد وزن حجمی) در تلفیق با پرولین (عدم کاربرد و کاربرد 15 میکرومولار) تحت شرایط مزرعه ‏مورد ارزیابی قرار گرفت. چهار روز پس از اعمال تنش، میزان تغییرات در بیان ژن مرتبط با سنتز آنزیم پرولین ‏‎[Δ1-pyrroline-5-‎carboxylate ‎reductase (P5CS)]‎، محتوای پرولین و نیز میزان مالون دی آلدهید مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش مزرعه‎ای در بخش سیروان استان ایلام و در ‏مزرعه گندم انجام گرفت. محلول پاشی‎ها در مرحله گرده‎افشانی (گلدهی) انجام و سپس گیاهان با قطع آبیاری به مدت 21 روز تحت تنش خشکی قرار ‏گرفتند. در هر دو آزمایش از رقم ساجی استفاده گردید.

    ‏یافته‎ ها: 

    در مقایسه با گیاهان شاهد، کاربرد روی به ویژه از طریق محلول پاشی برگی آن، موجب افزایش میزان بیان ژن ‏P5CS، افزایش محتوای پرولین ‏و کاهش میزان مالون دی آلدهید در برگ گردید. نتایج مزرعه ای نشان‎دهنده تاثیر معنی دار محلول‎پاشی روی بر افزایش محتوای روی دانه بود. تلفیق ‏روی با پرولین و نیز کاربرد به تنهایی پرولین تاثیری معنی‎دار بر محتوای روی دانه نداشت. اثر روی بر میزان عملکرد دانه معنی دار گردید. تیمار با ‏غلظت‎های مختلف 1/0، 2/0 و 3/0 درصد (نسبت وزنی به حجمی) سولفات روی به ترتیب عملکرد دانه را به‎ ترتیب به میزان 7/1، 24/7، و 62/3 درصد در ‏مقایسه با تیمار شاهد بهبود بخشید. نتایج بیشتر این بررسی نشان داد که کاربرد توامان پرولین و روی در غلظت 2/0 درصد بر افزایش عملکرد دانه ‏موثرتر از سایر تیمارها بود. محلول‎پاشی با روی میزان محتوای فسفر دانه را به صورت معنی داری تغییر داد به گونه ای که غلظت‎های 1/0، 2/0 و 3/0 ‏درصد سولفات روی به ترتیب فسفر دانه را به میزان 3/8، 7/14 و 1/18 درصد در مقایسه با گیاهان شاهد کاهش داد. تاثیر محلول پاشی با روی بر ‏محتوای روی دانه نیز معنی دار گردید. محلول‎پاشی با غلظت‏های مختلف روی (1/0، 2/0 و 3/0 درصد) محتوای روی دانه را بین 3/6 تا 1/19 درصد ‏افزایش داد.

    ‏نتیجه‎ گیری:

     با لحاظ نمودن جنبه های اقتصادی و نیز در نظر داشتن افزایش محتوای روی و عملکرد دانه، استفاده از غلظت 3/0 درصد روی به صورت ‏محلول پاشی در مرحله گرده‎افشانی ضمن افزایش محتوای روی دانه، می تواند موجب حصول عملکرد بالاتری در گندم گردد.‏

    کلیدواژگان: بیان ژن، تنش، کاربرد روی، مالون دی آلدهید
  • فاطمه سهرابی، آرمین ساعدموچشی * صفحات 288-300
    مقدمه

    تغییرات آب و هوایی و افزایش شدت و مدت تنش های محیطی بر عملکرد و تولید جهانی اکثر گیاهان زراعی و از جمله گندم تاثیر گذاشته است. بر این اساس بررسی اثر تنش های محیطی بر تغییرات سلولی و در سطح ملکولی جهت تشخیص مکانیسم های تنظیمی و استفاده از آنها برای افزایش تحمل و مقاومت در گیاهان اهمیت ویژه ای پیدا کرده است. گیاهان جهت مقابله با تنشهای محیطی راهکارهای مختلفی از جمله تولید سریع گونه های فعال اکسیژن (ROS) که به عنوان انفجار اکسیدی معروف است، بهره می گیرند. گونه های فعال در مقدار اندک به عنوان پیام رسان های ثانویه در جریان فرایندهای دفاعی گیاه و سازگاری در مقابل استرسهای مختلف نقش اساسی را بر عهده دارند اما تداوم تنش و تجمع بیش از حد گونه های فعال، تعادل اکسایش-کاهش در گیاه را بر هم زده و موجب تنش اکسیدی میشود. گونه های فعال اکسیژن در کلروپلاست، میتوکندری، پراکسیزوم در سیتوپلاسم، پراکسیداز و آمین اکسیداز موجود در دیواره سلولی و آنزیمهای خانواده NADP (H) oxidase (NOX) غشای سلولی تولید میشوند. در این میان ژن های NAD (P)H oxidase با تحریک ژن های مرتبط با ایجاد گونه های فعال اکسیژن نقش بسیار مهمی در پاسخ گیاه به تغییرات محیطی ایفا می کنند. این خانواده ژنی همچنین با انتقال الکترون از NAD (P)H به اکسیژن مولکولی یون سوپراکسید را تولید کرده و در ادامهقادر به تولید انواع گونه های فعال اکسیژن هستند. این پژوهش با هدف بررسی ناحیه راه انداز ژن رمزکننده NAD (P)H oxidase در ژنوم گندم جهت شناسایی عناصر تنظیمی تاثیرگذار بر بیان آن در گیاه گندم انجام گردید.

    مواد و روش ها

    راه انداز ژن ها و عناصر تنظیمی مهمی که در آن قرار دارد نقش مهمی در تنظیم بیان ژن در شرایط مختلف و در در نتیحه در ایجاد سازگاری گیاهان با تغییرات محیطی را بر عهده دارد. جهت بررسی چگونگی تنظیم بیان ژن NAD (P) H oxidase با استفاده از پایگاه داده های بیوانفورماتیک و نرم افزارهای تحلیلی ، بررسی ناحیه راه انداز ژن انجام شد. ابتدا با استفاده از سایت NCBI توالی مربوط به ژن رمزکننده این آنزیم در گیاه گندم شناسایی شد. جهت شناسایی عناصر تنظیمی در بالادست این ژن در ناحیه راه انداز ژنی 1500 جفت باز از ناحیه آغاز رونویسی جدا گردید و سپس این توالی ها با استفاده از سایت PlantEnsemble مورد بررسی قرار گرفت. توالی راه انداز توسط سایت PlantCare برای شناسایی عناصر تنظیمی مهم در بیان ژن که هر کدام نقش مشخصی در تنش های متفاوت ایفا می کنند، بررسی شد.

    یافته ها

    نتایج نشان داد که عناصر تنظیمی مختلفی که در مسیرهای بیوشیمیایی مختلف دخالت دارند می توانند بر میزان بیان ژن های NAD(P)H oxidase در گندم تاثیر گذار باشند. از جمله عناصر تنظیمی که به وسیله آنالیز راه انداز شناسایی شدند می توان ABRE, TCA motif, TGACG motif, ARE, CCAAT-Box, skn-1-motif, circadian را نام برد که هر کدام به وسیله هورمون ها و فاکتورهای رونویسی مختلف شناسایی می شوند.

    نتیجه گیری

    تحلیل ها نشان داد تغییرات شرایط محیطی توانایی ایجاد تغییر بیان ژن آنزیم NAD(P)H oxidase را دارند. هورمون ها و فاکتورهای رونویسی هر کدام عناصر تنظیمی خاصی را در راه انداز ژن مورد هدف قرار می دهند و از این طریق موجب تغییر میزان بیان آنزیم می شوند. آنزیم در ابتدا با ایجاد یون سوپراکسید و در ادامه تولید انواع گونه های فعال اکسیژن که نقش پیام رسان ثانویه در گیاه را دارند موجب سازگاری گیاه با شرایط محیطی می شود. از جمله عناصر تنظیمی که به وسیله آنالیز راه انداز شناسایی شدند می توان ABRE, TCA motif, TGACG motif, ARE, CCAAT-Box, skn-1-motif, circadian را نام برد. این عناصر به ترتیب در مسیرهای پاسخ به هورمون های آبسیزیک اسید، سالیسیلیک اسید و جاسمونیک اسید، مسیرهای واکنش های غیر هوازی، پاسخ به خشکی از طریق فاکتورهای رونویسی MYB، مسیر آندوسپرم گیاه و واکنش های نوری نقش دارند که همگی موجب پاسخ بهتر گیاه در مراحل مختلف رشدی و سازگاری با شرایط متغیر محیطی می شوند.

    کلیدواژگان: آنزیم NAD(P)H oxidase، گونه های فعال اکسیژن، راه انداز، فاکتورهای رونویسی
  • مهستی عباسی، رضا محمدی * صفحات 301-310
    مقدمه

    مهم ترین و موثرترین شاخص در کشت درون شیشه ای باززایی گیاه از کالوس القاء شده است که تحت تاثیر ژنوتیپ و ریزنمونه اولیه قرار می گیرند.

    مواد و روش ها

    این بررسی پنج ژنوتیپ مختلف گندم دوروم به باززایی کالوس تحت تاثیر تنظیم کننده های رشد با استفاده از کشت جنین بالغ در آزمایشگاه کشت بافت دانشکده کشاورزی دانشگاه رازی مورد بررسی قرار گرفت. بدین ترتیب که جنین های بالغ ژنوتیپ های مورد مطالعه جدا و در محیط MS تحت تاثیر تنظیم کننده رشد BAP (6-benzylaminopurine) و IAA (Indole-3-acetic acid) کشت داده شدند. کالوس های حاصل از جنین های بالغ در ژنوتیپ های مورد بررسی تحت تاثیر چهار سطح تیمار هورمون BAP (5/0، 1، 2 و 5/2 میلی گرم در لیتر) و 1 میلی گرم در لیتر IAA قرار داده شدند. این آزمایش بصورت فاکتوریل 5×4 در قالب طرح کاملا تصادفی، با نمونه برداری در 3 تکرار و با 4 نمونه در هر تکرار اجرا شد. 4-2 هفته بعد از انتقال به اتاقک رشد درصد کالوس های باززایی شده در هر ژنوتیپ یادداشت برداری شد.

    یافته ها

    نتایج تجزیه واریانس نشان داد که بین ژنوتیپ های مورد مطالعه از نظر باززایی اختلاف بسیار معنی داری در سطح احتمال یک درصد و بین سطوح مختلف هورمون BAPدر سطح پنج درصد اختلاف اختلاف آماری معنی-داری وجود داشت. بررسی اثر هورمون BAP در مرحله باززایی بر روی کالوس حاصل از جنین بالغ گندم دوروم نشان داده شد که اثر متقابل بین ژنوتیپ و سطوح مختلف هورمون معنی دار نگردیده است. این می تواند نشان دهد که سطوح مختلف هورمون در تمامی ژنوتیپ ها دارای رفتار مشابهی بوده است. نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل آماری نشان داد که در بین ژنوتیپ های مورد مطالعه از نظر درصد باززایی گیاهچه، ژنوتیپ 37-24-2-3 از بیشترین درصد باززایی برخوردار بوده و ژنوتیپ 240 دارای کمترین میزان باززایی بود. مقایسه میانگین بین سطوح مختلف هورمون BAP نشان داد که سطح هورمون 5/0 میلی گرم در لیتر بیشترین باززایی و سطح هورمون 5/2 میلی گرم در لیتر کمترین باززایی را نشان داد و اثر متقابل ژنوتیپ در سطح هورمون معنی دار نبود. تنوع قابل توجهی بین ژنوتیپ های گندم دوروم از لحاظ درصد باززایی مشاهده گردید که نشان دهنده وابستگی معنی دار این صفت به ژنوتیپ می باشد. بین درصد باززایی و سطوح مختلف هورمون رابطه خطی معنی دار مشاهده گردید، که بیانگر کاهش میزان باززایی با افزایش سطح هورمون تا 5/2 میلی گرم بر لیتر بود.

    نتیجه گیری

    پاسخ متفاوت ژنوتیپ های گندم دوروم به القاء کالوس و باززایی گیاهچه می تواند حاکی از متفاوت بودن ظرفیت ژنوتیپ ها در استفاده از آن ها در برنامه های به نژادی از طریق کشت جنین باشد.

    کلیدواژگان: باززایی گیاهچه، گندم دوروم، کشت جنین بالغ
  • علی رسائی*، ولی فیضی اصل صفحات 311-325
    مقدمه

    در میان عناصر غذایی پرمصرف برای گیاه، پتاسیم دارای نقش اساسی و مهمی مانند تنظیم اسمزی، حفظ فشار تورژسانس، عملکرد روزنه ای، فعالیت آنزیم ها، سنتز پروتیین ها، متابولیسم اکسیدانت ها، فتوسنتز و مقاومت به تنش های محیطی (رطوبتی و گرمایی) در اواخر دوره رشد گندم دیم می باشد. اگرچه حدود 80 درصد پتاسیم مورد نیاز گیاه از طریق انتشار در محلول خاک تامین می شود اما با توجه به اینکه انتشار یون های پتاسیم در خاک خشک 100 مرتبه نسبت به خاک مرطوب کاهش می یابد لذا با محدودیت آب و شرایط تنش رطوبتی جذب این عنصر توسط گیاه به شدت کاهش می یابد. بنابراین برای رفع محدودیت های جذب این عنصر از طریق ریشه در شرایط تنش رطوبتی و گرمای آخر فصل آزمایش حاضر با هدف محلول پاشی ترکیبات پتاسیمی بر روی گندم دیم در مراحل مختلف نمو اجرا شد.

    مواد و روش ها

    آزمایش روی گندم دیم (رقم ریژاو) به صورت اسپلیت پلات در قالب طرح بلوک های کامل تصادفی با سه تکرار در معاونت موسسه تحقیقات کشاورزی دیم سرارود کرمانشاه در سال زراعی 1401-1400 اجرا شد. عامل مرحله نموی محلول پاشی شامل آبستنی (چکمه ای شدن) و شروع گلدهی در کرت های اصلی و تیمار محلول پاشی با چهار سطح شامل شاهد (بدون محلول پاشی)، محلول پاشی سولفات پتاسیم با غلظت یک درصد، فسفات دی هیدروژن پتاسیم (KH2PO4) با غلظت یک درصد و سولفات پتاسیم با غلظت یک درصد + اوره یک درصد در کرت های فرعی بودند. حجم محلول پاشی برای هر تیمار آزمایشی در کرت فرعی با مساحت 100 مترمربع برای 500 لیتر در هکتار محاسبه و پس از افزودن سورفکتانت در هوای خنک و آرام (سرعت باد کمتر از هشت کیلومتر بر ساعت) قبل از ساعت نه صبح انجام گرفت.

    یافته ها

    اثر اصلی زمان محلول پاشی بر روی عملکرد بیولوژیک، عملکرد دانه، اجزای عملکرد، عملکرد کاه، درصد پروتیین و پتاسیم دانه گندم ریژاو معنی دار نبود. اما اثر محلول پاشی بر عملکرد بیولوژیک، عملکرد دانه، وزن هزار دانه، تعداد دانه در سنبله و درصد پروتیین دانه معنی دار شد. در این شرایط بیشترین عملکرد بیولوژیک و دانه به ترتیب با مقادیر 4495 و 1604 کیلوگرم در هکتار از محلول پاشی سولفات پتاسیم یک درصد به دست آمد که با وجود اختلاف 365 و 248 کیلوگرم در هکتار تفاوت معنی داری با عملکرد بیولوژیک و دانه تیمار محلول پاشی پتاسیم دی هیدروژن فسفات نداشتند. کمترین عملکرد بیولوژیک و دانه نیز به ترتیب با مقادیر 3588 و 1175 کیلوگرم در هکتار مربوط به تیمار شاهد بود. محلول پاشی ترکیبات مختلف پتاسیمی توانست وزن هزار دانه و تعداد دانه در سنبله را به ترتیب 4/5 گرم و 6 عدد افزایش دهد. بیشترین وزن هزار دانه با 40 گرم در تیمار محلول پاشی سولفات پتاسیم + اوره و بیشترین تعداد دانه در سنبله با 32/5 عدد در تیمار محلول پاشی سولفات پتاسیم دیده شد، که با محلول پاشی سولفات پتاسیم + اوره تفاوت معنی داری نشان نداد. اثر متقابل زمان محلول پاشی در تیمارهای مختلف محلول پاشی نیز فقط بر درصد پتاسیم دانه معنی دار بود. بیشترین افزایش درصد پروتیین دانه با 4/8 واحد مربوط به تیمار سولفات پتاسیم بود که با دو تیمار دیگر سولفات پتاسیم + اوره و پتاسیم دی هیدروژن فسفات تفاوت معنی داری نداشت.

    نتیجه گیری

    در مجموع اعمال تیمارهای محلول پاشی ترکیبات پتاسیمی باعث افزایش 211 کیلوگرم در هکتار عملکرد دانه شد که از لحاظ افزایش عملکرد و درصد پروتیین دانه در میان تیمارهای مورد آزمایش، محلول پاشی سولفات پتاسیم قابل توصیه می باشد.

    کلیدواژگان: پروتئین، تعداد دانه در سنبله، عملکرد دانه، عملکرد زیست توده، عملکرد کاه، وزن هزار دانه
  • محمدحسن وفائی*، حسین رضا روحی صفحات 326-339
    مقدمه

    اهمیت گندم به عنوان یک محصول استراتژیک در میان سایر گیاهان زراعی به حدی است که بیشترین سطح زیر کشت را در جهان و همچنین ایران به خود اختصاص داده است. از سوی دیگر زوال بذر پدیده ای طبیعی است که بذرها قوه نامیه و کیفیت خود را حتی در شرایط مطلوب نگهداری از دست می دهند. در برخی از محصولات زراعی خسارت ناشی از زوال تا 50 درصد نیز گزارش شده است. بخشی از این خسارت مربوط به کاهش سرعت و درصد سبز شدن بذرها بوده که منجر به کاهش تراکم بوته، عدم دستیابی به تراکم مطلوب به ویژه در شرایط نامساعد مزرعه شده در نتیجه عملکرد محصول کاهش می یابد. در این آزمایش توانایی هیدروپرایمینگ بذر در بهبود خسارت ناشی از زوال بذر گندم (رقم الوند) مورد بررسی قرار گرفت.

    مواد و روش ها

    این پژوهش در آزمایشگاه تکنولوژی بذر دانشکده کشاورزی دانشگاه بوعلی سینای همدان در قالب طرح پایه کاملا تصادفی در چهار تکرار انجام شد. بذر مورد استفاده جهت انجام آزمایش مربوط به رقم الوند بود. بذرهای گندم به روش پیری تسریع شده به مدت 48 ساعت در دمای 40 درجه سانتی گراد زوال یافتند. سپس بذور زوال یافته در دمای 20 درجه سانتی گراد به مدت 4، 8 و 12 ساعت با آب مقطر پرایم شدند. صفات مورد بررسی شامل: درصدجوانه زنی، متوسط زمان جوانه زنی، سرعت جوانه زنی، طول گیاهچه، نشت الکترولیتی، محتوای مالون دی-آلدهید، قندهای محلول، پروتیین های محلول و فعالیت آنزیم های کاتالاز، سوپراکسید دیسموتاز و آسکوربات پراکسیداز بود.

    یافته ها

    نتایج نشان داد، هیدروپرایمینگ بذر در هر سه بازه زمانی مورد استفاده، به طور معنی داری موجب بهبود صفات درصدجوانه زنی، سرعت جوانه زنی، طول گیاهچه، فعالیت آنزیم های آنتی اکسیدانی (کاتالاز، سوپراکسید دیسموتاز و آسکوربات پراکسیداز)، قندها و پروتیین های محلول بذرهای زوال یافته گردید. در بین صفات مورد بررسی، متوسط زمان جوانه زنی، نشت الکترولیتی و محتوای مالون دی آلدهید بذرهای پرایم شده در مقایسه با بذرهای پرایم نشده کاهش یافت. هیدروپرایمینگ به مدت 4، 8 و 12 ساعت درصد جوانه زنی بذرها را 9/15، 3/32، 3/58، سرعت جوانه زنی را به ترتیب 5/17، 1/85، 7/201 درصد در مقایسه با بذرهای پرایم نشده افزایش داد. در خصوص فعالیت آنزیم های آنتی اکسیدانی، هیدروپرایمینگ بذر در زمان های 4، 8 و 12 ساعت فعالیت آنزیم کاتالاز را 4/12، 2/27، 2/39 درصد، فعالیت آنزیم سوپراکسید دیسموتاز را 8/15، 9/31، 4/35 و فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز را به ترتیب 3/38، 4/40، 9/44 درصد نسبت به بذرهای پرایم نشده افزایش داد.

    نتیجه گیری

    بر اساس نتایج بدست آمده از این آزمایش می توان گفت کاربرد آب مقطر به مدت 12 ساعت به عنوان بهترین زمان پرایمینگ، جهت بازیابی کیفیت از دست رفته بذرهای زوال یافته گندم و بهبود خصوصیات جوانه زنی رقم الوند قابل توصیه باشد.

    کلیدواژگان: پروتئین های محلول، سوپراکسید دیسموتاز، قندهای محلول
  • مونا بردبار، رضا درویش زاده *، مراد جعفری، دانیال کهریزی صفحات 340-390
    مقدمه

    واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) یک فناوری بسیار مهم و کاربردی در زمینه های مختلف علوم زیستی و پزشکی می باشد. با استفاده از این تکنیک می توان در شرایط درون شیشه ای (in vitro) با حداقل مقدار DNA، میلیون ها نسخه از یک الگوی مشخص را تکثیر نمود. این امر پیشرفت های عمده ای در زیست شناسی مولکولی و پزشکی رقم زده است. این تکنیک کاربرد های بسیار متنوعی در علوم زیستی دارد. آغازگرهای PCR جزء جدایی ناپذیر PCR هستند. آغازگرهایی که به خوبی طراحی شوند به سیستم PCR اجازه می دهند تا با دقت کار کند. برای ایجاد یک جفت آغازگر خوب PCR، عوامل متعددی از جمله طول جفت باز، دمای ذوب و اتصال، تکرار جفت باز، و غیره باید در نظر گرفته شوند. آغازگرهای PCR که با دقت طراحی می شوند نه تنها حساسیت و اختصاصیت را افزایش می دهند، بلکه تلاش صرف شده برای بهینه سازی تجربی را نیز کاهش می دهند، در حالیکه طراحی ضعیف آغازگر همراه با عدم بهینه سازی شرایط واکنش احتمالا منجر به کاهش دقت فنی و تشخیص مثبت یا منفی کاذب در تکثیر قطعات DNA هدف می شود. بیوانفورماتیک نه تنها برای تحقیقات پایه بلکه برای تحقیقات کاربردی در علوم زیستی به ابزاری اساسی تبدیل شده است. ابزارهای طراحی آغازگر با خودکارسازی محاسبات پیچیده و دقیق در کمترین زمان ممکن طراحی بهینه و کارآمد آغازگر ها را فرآهم می کنند.

    مواد و روش ها

    مقاله حاضر یک مقاله مروری می باشد که به شیوه تحلیل محتوا (Content analysis) با جستجوی کلید واژه های واکنش زنجیره ای پلی مراز (PCR)، انواع PCR، طراحی آغازگر برای PCR در مقاله های مرتبط در پایگاه های اینترنتیGoogle scholar ،Web of science ،PubMed و Scopus بدست آمده است.

    یافته ها

    این مقاله قصد دارد با مروری بر روش PCR، انواع و کاربردهای آن و با استفاده از پیوندها و خدمات موجود در وب، راهنمایی تقریبا کامل به منظور طراحی آغازگر های کارآمد و بهینه برای آنالیز های PCR و qPCR ارایه نماید. در این راستا، در قسمت اول مقاله انواع روش ها از قبیل PCR استاندارد، PCR رونویسی معکوس (RT- PCR)، PCR کمی (qPCR)، RT-PCR/qPCR ترکیبی،... با ارایه اشکال مناسب توضیح داده شده است. در ادامه کاربرد انواع PCRها با تاکید بر تحقیقات غلات خلاصه شده است. در انتها روش های طراحی آغازگر خصوصا برای qPCR، طبقه بندی و بررسی نرم افزارهای موجود و قابلیت های آنها، روش ها و نرم افزارهای بررسی خصوصیات آغازگرها برای کسب حداکثر اختصاصیت و کارایی PCR، نحوه استخراج توالی ژن در طراحی آغازگر برای PCR با ارایه مثال های عملی ارایه شده است.

    نتیجه گیری

    یک PCR با آغازگرهای ضعیف به دلیل تکثیر غیر اختصاصی و یا تشکیل دیمر آغازگر، می تواند محصول کمی داشته باشد یا اصلا محصولی به دنبال نداشته باشد. ابزار های آنلاین متعددی معرفی شدند که برای تهیه آغازگرهای موثر برای PCR در زمینه زیست مولکولی استفاده می شوند.

    کلیدواژگان: بیوانفورماتیک، PCR استاندارد، PCR در زمان واقعی، طراحی پرایمر
|
  • MohammadJavad Zarae* Pages 269-287

    Introduction:

      Heat and dry stress events during the wheat-growing season, particularly during wheat grain filling, are among the prevalent environmental constraints that adversely affect wheat growth and productivity worldwide. Because people in developing countries are highly dependent on cereal-based diets, they are prone to Zn-related diseases. The situation becomes worse when the crop is grown in soil with low Zn content. Studies have shown that the application of Zinc (Zn) successfully increased wheat grain yield and grain Zn content and improved wheat tolerance to drought. The present studies are designed to provide a better understanding and further information on the response of wheat to Zn application under drought conditions. 

    Material and methods

     The present study included two experiments: a preliminary experiment that aimed to elucidate the effect of the application of Zn via foliar or seed priming on wheat tolerance to drought stress and a field study that was designed to investigate the effect of exogenous proline and foliar application of Z on wheat yield and grain nutrient. A preliminary experiment detected the effects of the Zn application method on the biochemical and molecular characteristics of drought-stressed wheat. Proline-biosynthesis-related gene [Δ1-pyrroline-5-‎carboxylate reductase (P5CS)] expression, proline accumulation, and malondialdehyde content were determined four days after drought stress was imposed. A subsequent field experiment (Experiment 2) was also conducted to elucidate the effect of foliar application of Zn [0, 0.1, 0.2 and 0.3% (w/v)] individually and in all possible combinations with proline (0 and 15 µ mole) on wheat performance under post-anthesis drought stress condition. The foliar application was applied at anthesis. All plants were exposed to drought stress by withholding irrigation for 21 days. The field experiment was conducted in 2021/22 during the wheat-growing season at a commercial wheat-grown farm. The experiment site is located in Sirvan County, Ilam Province. A durum wheat cultivar, ‘Saji’, was used in both experiments. Result: Zn application, mainly when applied via foliar, increased P5CS mRNA accumulation and proline content and decreased malondialdehyde content in the leaf compared to the control treatment.

    Results:

     of the field experiment showed that the combined application of Zn and proline successfully biofortified field wheat with Zn and could ameliorate the adverse effect of post-anthesis drought stress. Under field conditions and compared with the control plant, treated plants with 0.1%, 0.2%, and 0.3% ‎(w/v‎)‎ of ZnSO4.7H2O solution significantly increased grain yield by 1.7%, 7.24%, and 3.62%, respectively. Compared with the control treatment, exogenously applied proline increased grain yield by up to 4.4%. Results showed that the foliar application of Zn at 0.2% (w/v) in combination with proline (15 mM) had a more significant effect on increased grain yield. Foliar-applied Zn at 0.1%, 0.2% and 0.3% ‎(w/v‎)‎ of ZnSO4 solution decreased grain P content by 8.3%, 14.7% and 18.1%, respectively, as compared with the control. Foliar Zn application of 0.1%, 0.2%, and 0.3% ‎(w/v‎)‎ of ZnSO4.7H2O solution increased Zn content in grain by 6.3%, 11.9%, and 19.1%, respectively, to control plants.

    Conclusion

     Regarding the cost for farmers, foliar application of Zn at a concentration of 0.3% at the anthesis stage can be suggested as the best treatment to improve both the quantity and quality of wheat.

    Keywords: Gene expression, malondialdehyde, Plant stress, Zn application‎
  • Fatemeh Sohrabi, Armin Saed-Moucheshi * Pages 288-300
    Introduction

     Climate changes and increased severity and duration of abiotic stresses have considerably affected the crops’ productivity, e.g., wheat. Accordingly, evaluating the influences of environmental stresses at the cellular and molecular levels to distinguish regulatory and tolerance mechanisms in plants has become a priority worldwide. In response to stress conditions, plants employ altered mechanisms, including a rapid induction in producing reactive oxygen species (ROS) known as oxidative burst. ROS are helpful in a small amount and they are primarily used in cell signaling and as secondary messengers, but excessive accumulation of ROS under environmental stress disturbs the oxidation-reduction balance in the plant and causes oxidative stress. ROSs are usually produced in chloroplasts, mitochondria, peroxisomes in the cytoplasm, peroxidase and amine-oxidase in the plants’ cell walls along with NADP(H) oxidase (NOX) family enzymes available in plants’ cell membrane. NAD(P)H oxidase genes play a vital role in plant response to environmental changes by regulating the transportation of electrons from NAD(P)H molecules to molecular oxygen and producing superoxide ions, which further leads to the creation of various types of ROS. This research aimed to investigate the promoter region of the gene encoding NAD(P)H oxidase enzyme in the wheat genome in order to find the effect of important regulatory elements on expression.

    Materials and methods

     The promoter region of genes and regulatory elements located within this region play an important role in regulating gene expression in plants under different conditions. In order to recognize the regulation of gene expression for the NAD(P)H oxidase gene, the promoter region of the gene was investigated by using online tools. First, the sequence of the gene encoding this enzyme in wheat was downloaded using the NCBI site. Then, 1500 base pairs upstream from the transcription start point were assessed by using online tools on the PlantEnsemble site. The promoter sequence was finally analyzed by the PlantCare website to identify important regulatory elements with specific roles in gene expression.

    Results

     The results showed that a diverse set of regulatory elements involved in different biochemical pathways can affect the expression level of the NAD(P)H oxidase gene in wheat. The most effective elements identified by promoter analysis were ABRE, TCA motif, TGACG motif, ARE, CCAAT-Box, skn-1-motif, and circadian, whose activities are regulated by specific hormones and transcription factors. 

    Conclusion

     The analysis showed that changes in environmental conditions could change NAD(P)H oxidase gene expression. Hormones and transcription factors each target specific regulatory elements in the gene promoter, leading to changes in the level of enzyme expression. NADPH oxidase enzyme manages the production of superoxide ions, leading to the production of other types of ROS in the plant. ABRE, TCA motif, TGACG motif, ARE, CCAAT-Box, skn-1-motif, and circadian can be mentioned among the regulatory elements that were identified by promoter analysis. They are involved in the response pathways to abscisic acid, salicylic acid, and jasmonic acid hormones, anaerobic reaction pathways, response to drought through MYB transcription factors, plant endosperm pathway, and light reactions, respectively. According to scientific contexts, the expression of these elements can improve the plant's response to harsh conditions and environmental stresses in different growth stages and play an important role in plants' adaptation to changed environments.

    Keywords: NAD(P)H oxidase, reactive oxygen species, initiator, transcription factors
  • Mahasti Abbasi, Reza Mohammadi * Pages 301-310
    Introduction

     The most important and effective index in in vitro</em> culture is plant regeneration from induced callus, which are influenced by genotype and initial explant. 

    Materials and methods

     In this study, the response of five different durum wheat genotypes to callus regeneration under the influence of growth regulators was investigated using adult embryo culture in the tissue culture laboratory of the Faculty of Agriculture, Razi University, Iran. In this method, mature embryos of studied genotypes were isolated and cultured in an MS environment under the influence of BAP (6-benzylaminopurine) and IAA (Indole-3-acetic acid) growth regulators. Calluses obtained from mature embryos in the studied genotypes were subjected to four treatment levels of BAP hormone (0.5, 1, 2 and 2.5 mg/liter) and 1 mg/liter IAA. This experiment was carried out as a factorial 5×4 in the form of a completely randomized design in three replicates and with four samples in each replication. The percentage of regenerated calli was recorded in each genotype two to four weeks after transfer to the growth chamber. 

    Results

     The analysis of variance showed a very significant difference between the studied genotypes in terms of regeneration at the 1% probability level, and there was a significant difference between the different levels of BAP hormone at the 5% probability level. Investigating the effect of BAP hormone in the regeneration stage on the callus obtained from mature durum wheat embryos showed that the interaction between genotype and different hormone levels was insignificant. This shows that different hormone levels had similar behavior in all genotypes. The results of the statistical analysis showed that among the studied genotypes in terms of seedling regeneration percentage, Genotype "24-3-37" had the highest percentage of regeneration, and Genotype "240" had the lowest percentage of regeneration. The average comparison between different BAP hormone levels showed that the hormone level of 0.5 mg/liter showed the highest regeneration and the hormone level of 2.5 mg/liter showed the least regeneration, and the interaction effect of genotype on the hormone level was insignificant. Significant variation was observed between durum wheat genotypes in terms of regeneration percentage, indicating this trait's significant dependence on the genotype effect. A significant linear relationship was observed between the percentage of regeneration and different levels of hormones, which indicated a decrease in regeneration with increasing levels of hormones up to 2.5 mg/liter. 

    Conclusion

     The different responses of durum wheat genotypes to callus induction and seedling regeneration can indicate the different capacities of genotypes when using them in breeding programs through embryo culture.

    Keywords: Durum wheat, embryo culture, plant regeneration
  • Ali Rasaei *, Vali Feiziasl Pages 311-325
    Introduction

     Among the macro-elements needed for plants, potassium has a fundamental role, such as osmotic adjustment, maintaining turgor pressure, stomatal function, enzyme activity, protein synthesis, oxidant metabolism, photosynthesis, and resistance to environmental stresses (humidity and heat) at the end of the dryland wheat growth period. Although about 80% of the potassium required by the plant is provided by diffusion, because the diffusion of potassium ions in dry soil is reduced 100 times compared to wet soil, therefore, with water limitation and moisture stress conditions, the absorption of this element by the plant is significantly reduced. Therefore, to solve the limitations of the absorption of this element through the roots in the conditions of moisture stress and heat at the end of the season, the present experiment was carried out by spraying potassium compounds on dryland wheat at different stages of growth.        

    Materials and methods

     The experiment was conducted on dryland wheat (Rijaw cultivar) as a split plot based on a randomized complete block design with three replications in the Dryland Agricultural Research Sub-Institute during the 2021-2022 cropping seasons. The factor of the growth stage in the main plots included pregnancy (booting stage), the beginning of flowering, and the spraying factor with four levels in the sub-plots included the control treatment (without spraying), potassium sulfate solution spraying at a concentration of 1%, potassium dihydrogen phosphate (KH2PO4) at a concentration of 1% and potassium sulfate at a concentration of 1% + 1% urea. The volume of spraying solution for each experimental treatment in a sub-plot with an area of 100 square meters was calculated for 500 liters per hectare. It was performed after adding the spraying soap (surfactant) in cool and calm weather (wind speed less than 8 km/h) before 9 am. 

    Results

     The main effect of foliar application time on biological yield, grain yield, yield components, straw yield, and percentage of protein and potassium of Rijaw wheat grain was insignificant. However, the main effect of foliar spraying on biological yield, grain yield, the thousand seeds' weight, the number of seeds per spike, and seed protein percentage were significant. The highest biological and grain yield were obtained from foliar application of 1% potassium sulfate with values of 4495 and 1604 kg/ha, respectively, which, despite the difference of 365 and 248 kg/ha, had not significantly different from the biological and grain yield of potassium dihydrogen phosphate as foliar application. The lowest biological yield and grain yield were also related to the control treatment with values of 3588 and 1175 kg/ha, respectively. Foliar spraying of different potassium compounds could increase the thousand seed weight and the number of seeds per spike by 4.5 grams and six seeds, respectively. The highest increase for thousand seeds weight with 40 grams was attributed to potassium sulfate + urea foliar spraying and the highest number of seeds per spike with 32.5 seeds was allocated to potassium sulfate foliar application, which did not show a significant difference with potassium sulfate + urea foliar application. The interaction effect of foliar application time with different foliar application treatments was also significant only on seed potassium percentage. The highest increase in seed protein percentage of 4.8 units was related to potassium sulfate treatment, which was not significantly different from the other two treatments of potassium sulfate + urea and potassium dihydrogen phosphate. 

    Conclusion

     Overall, the foliar application of potassium compounds increased the grain yield by 211 kg per hectare. As grain yield and protein percentage among the tested treatments have increased, foliar application of potassium sulfate is recommended. 

    Keywords: Protein, Number of Grains per Spike, Grain Yield, Biological Yield, Straw Yield, Thousand Kernel Weight
  • MohammadHasan Vafaei*, Hossein Reza Rouhi Pages 326-339
    Introduction

     The importance of wheat as a strategic product among other crops is that it has the largest cultivated area in the world and Iran. On the other hand, seed deterioration is a natural phenomenon in which seeds lose their viability and quality even under optimal storage conditions. In some crops, damage due to deterioration has been reported to be up to 50%. Part of this damage is related to the decrease in the speed and percentage of seed germination, which leads to a decrease in the plant density and the failure to achieve the desired density, especially in unfavorable conditions, resulting in crop yield decreases. In this experiment, the subject of the study was the ability of seed hydropriming to improve damage caused by the deterioration of wheat seeds (var. Alvand).

    Materials and methods

    This experiment was carried out in the Laboratory of Seed Science and Technology, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, as a factorial in a completely randomized design with four replications. The seed used for the experiment was the Alvand variety. Wheat seeds deteriorated by accelerated aging method for 48 hours at 40 °C. Then, the deteriorated seeds were primed with distilled water at 20 °C for 4, 8 and 12 hours. The examined traits include germination percentage, mean germination time, germination rate, seedling length, electrolyte leakage, malondialdehyde content, soluble sugars, soluble proteins, and activity of catalase, superoxide dismutase, and ascorbate peroxidase enzymes. 

    Results

    The results showed that seed hydropriming in all three time periods used significantly improved the characteristics of germination percentage, germination rate, seedling length, antioxidant enzymes activity (catalase, superoxide dismutase, and ascorbate peroxidase), the soluble sugars and proteins of the seeds were found to deteriorate. Among the examined traits, the mean germination time, electrolyte leakage and malondialdehyde content of primed seeds decreased compared to non-primed seeds. Hydropriming for 4, 8, and 12 hours increased final germination to 15.9, 32.3, and 58.3 %, with germination rates of 7.7, 53.8, and 84.6 % compared to non-primed seeds, respectively. Regarding the activity of antioxidant enzymes, seed hydropriming at 4, 8, and 12 hours increased catalase activity by 12.4, 27.2, and 39.2%, superoxide dismutase activity by 15.9, 31.9, 35.4% and increased ascorbate peroxidase enzyme activity by 38.3, 40.4, and 44.9%, respectively, compared to non-primed.

    Conclusion

    Based on the results of this experiment, it can be concluded that the application of distilled water for 12 hours as the best priming time is recommended to recover the lost quality of deteriorated wheat seeds and improve the germination characteristics of the Alvand variety

    Keywords: soluble proteins, superoxide dismutase, soluble sugars
  • Mona Bordbar, Reza Darvishzadeh *, Morad Jafari, Danial Kahrizi Pages 340-390
    Introduction

     Polymerase chain reaction (PCR) is a critical and practical technology in various biological and medical sciences fields. Using this technique, millions of copies of a specific pattern can be reproduced in vitro with a minimal amount of DNA. This has made significant advances in molecular biology and medicine. This technique has many applications in biological sciences. PCR primers are an integral part of PCR. Well-designed primers allow the PCR system to work accurately. To create a good PCR primer pair, several factors must be considered, including base pair length, melting and annealing temperature, base pair repeats, etc. Carefully designed PCR primers increase sensitivity and specificity and reduce the effort spent on experimental optimization. The poorly designed primer and the lack of optimization of the reaction conditions probably lead to decreased technical accuracy and false positive or negative detection in the amplification of the target DNA fragments. Bioinformatics has become an essential tool for basic research and applied research in life sciences. Primer designing tools provide optimal and efficient design of primers by automating complex and accurate calculations in the shortest possible time.

    Materials and methods

     This review article is a content analysis study performed by searching Polymerase Chain Reaction (PCR), PCR type, and primer design for PCR in related articles on Google Scholar, Web of Science, PubMed and Scopus.

    Results

     This article aims to provide an almost complete guide for designing efficient and optimal primers for PCR and qPCR analyses by reviewing the PCR method, its types and applications and using the links and web-based services. In this regard, in the first part of the article, various methods, such as standard PCR, reverse transcription PCR (RT-PCR), quantitative PCR (qPCR), combined RT-PCR/qPCR, etc., will be explained with suitable figures. The following summarizes the use of PCR types, emphasizing cereal research. In the end, primer design methods, especially for qPCR, classification and review of existing software and their capabilities, methods and software for testing the features of primers to obtain maximum specificity and PCR efficiency, extracting the gene sequence for PCR primer designing is presented with practical examples.

    Conclusion

     A PCR with weak primers can produce little or no product due to non-specific amplification or primer dimer formation. Several online tools were introduced that are used to prepare effective primers for PCR in the field of molecular biology. 

    Keywords: Bioinformatics, Conventional PCR, Real-Time PCR, Primer design