آنالیز پروتئوم برگ پرچم گندم در پاسخ به تنش خشکی

نوع مقاله: علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده کشاورزی دانشگاه تهران، گروه زراعت و اصلاح نباتات، کرج، ایران

2 دانشیار، بخش ژنومیکش، پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی ایران، کرج، ایران

چکیده

کمبود آب و دمای بالا مهم‌ترین عوامل محیطی محدودکننده تولید گیاهان در بسیاری از مناطق دنیا است. خشکی با ممانعت از بیان پتانسیل ژنتیکی گیاهان زراعی، تولید را محدود می‌کند. ژن‌های زیادی در شرایط خشکی تحریک می‌شوند که برای مطالعه نحوه بیان این ژن‌ها از ابزارهای گوناگونی نظیر الگوی تظاهر بیان ژنی و آنالیز پروتئوم بافت‌های مختلف گیاهی (پروتئومیکس) استفاده شده است. در این آزمایش با استفاده از راهکار پروتئومیکس، مطالعه جامعی برای بیان ‌ژن‌های پاسخ‌دهنده به تنش خشکی و تغییرات ملکولی ایجاد شده در اثر این تنش در سطح پروتئین‌های برگ پرچم انجام شد. این آزمایش بصورت فاکتوریل 2×2 انجام گردید. فاکتورهای آزمایشی شامل (رقم مقاوم  Babexو رقم حساس Seri) و آبیاری با دو سطح (آبیاری نرمال و اعمال تنش) بودند. اعمال تنش قبل از شروع مرحله گل شکفتگی و میزان آن 50% ظرفیت مزرعه‌ای در نظر گرفته شد. با آنالیز پروتئوم، آنزیم‌ها و پروتئین‌هایی که در اثر اعمال تنش تغییر بیان نشان دادند، در گروه‌های پروتئینی مختلف طبقه‌بندی شدند. نتایج نشان داد که رقم مقاوم مکانیسم‌های متفاوتی را برای تحمل خشکی مورد استفاده قرار می‌دهد، اما بیشترین پروتئین‌های شناسایی شده در گروه پروتئین‌های دخیل در تنش اکسیداتیو قرار داشتند. پروتئین‌هایی که در دفاع اکسیداتیو نقش دارند با سم‌زدایی و زدودن رادیکال‌های آزاد، از مرگ سلولی جلوگیری کرده و با کمک به بقای سلول‌های برگ، آنها را در انجام فعالیت هایفیزیولوژیک و به ویژه فتوسنتز پویا و فعال نگه می‌دارد. این موضوع با توجه به ماهیت بافت قابل توجیه می‌باشد، زیرا تراکم رادیکال‌های آزاد در برگ بیشتر بوده ولی با فعالیت آنزیم‌های دفاعی، رقم مقاوم توانسته است به خشکی مقاومت نشان دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Proteome Analysis of Wheat Flag Leaf Response to Drought Stress

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Azimi 1
  • Ghasem Hosseini Salekdeh 2
1 Department of Agronomy and Plant Breeding, University of Tehran, Karaj, Iran.
2 َAssociate Professor, Department of Genomics, Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran (ABRII), Karaj, Iran.
چکیده [English]

Water shortage is one of the most important environmental factors in limiting plant production worldwide. Molecular breeding may help to develop drought tolerant plants. Proteomics approach can help in comprehensive analysis of stress responsive genes and identification of drought signaling pathways. These drought tolerance candidate genes or their regulatory genes may be further analyzed for their possible implication in increase plant tolerance to drought stress. In this studied we analyzed the changes in proteome of wheat flag leaf in response to drought. We compared a drought tolerant with drought susceptible genotypes under normal and stress well-watered and stress conditions. Stressed plants were exposed to 50% field capacity before anthesis. Out of 900 proteins analyzed across two dimensional gels, 57 protein spots showed significant differences in response to stress. Of these, 42 protein spots could be identified using mass spectrometry analysis. Differentially expressed proteins and enzymes could be grouped in different functional groups. Our results showed that tolerant genotype may use various mechanisms particularly the up-regulation of genes involved in oxidative stress defense in flag leaf. This may help the tolerant genotypes to better remove reactive oxygen species generate by stress in flag leaf and maintain its physiological and photosynthetic activities.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Wheat
  • proteomics
  • Drought stress
  • flag leaf

Araus JL, Slafer GA, Reynolds MP, Royo C (2002) Plant breeding and drought in C3 cereals: what should we breed for? Ann. Bot. 89: 925-940.##Ashraf M, Harris PJC (2005) Abiotic stresses: Plant resistance through breeding and molecular approaches. Haworth Press Inc. New York.##Bajji M, Bertin P, Lutts S, Kinet JM (2004) Evaluation of drought resistance-related traits in durum wheat somaclonal lines selected in vitro. Australian J. Experimental Agricultura. 44: 27-35.##Bartholomew DM, Bartley GE, Scolnik PA (1991), Abscisicacidcontrol of rbcS and cab transcription in tomato leaves, Plant Physiol., 96: 291-296.##Bevan M, Bancroft I, Bent E (1998) Analysis of 1.9 Mb of contiguous sequence from chromosome 4 of Arabidopsis thaliana. Nature. 391: 485-493##Blum A (1996) Crop responses to drought and the interpretation of adaptation. Plan Growth. Regul. 20: 135-148.##Bowler C, Van Montagu M, Inze D (1992) Superoxide dismutase and stress tolerance. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol, 43: 83-116.##Boyer JS (1982) Plant  productivity and environment. Science. 218: 443-448.##Bray E (1997) Plant response to water-deficit. Trends in plant Science. 2: 48-54.##Caruso G, Cavaliere C, Foglia P, Gubbiotti R, Samperi R, Lagana A (2009) Analysis of drought responsive proteins in wheat (Triticum durum) by 2D-PAGE and MALDI-TOF mass spectrometry. Plant Science##Chaves M (2002) Water stress in the regulation of photosynthesis in the field. Annals of Botany. 89: 907-916.##Chaves MM, Maroco JP, Periera S (2003) Understanding Plant responses to drought – From genes to the whole plant. Functional Plant Biology. 30: 239-264.##Chaves MM, Oliveira MM (2004) Mechanisms underlying plant resistance to water deficits: prospects for water-saving agriculture, J. Exp. Bot. 55: 2356-2348.##Damerval C, Le Guilloux M (1998) Characterization of novel proteins affected by the o2 mutation and expressed during maize endosperm development. Molecular and General Genetis. 257: 354–361.##Dubey H, Grover A (2001) Current initiatives in proteomics research: The plant   perspective, Current Sci. 80(2): 262-269.##Guttieri MJ, Stark JC, Obrien K, Souza E (2001) Relative sensitivity of spring wheat grain yield and quality parameters to moisture deficit. Crop Sci. 44: 327-335.##Ingram J, Bartles D (1996) The molecular basis of dehydration tolerance in plant. Annual Review of Plant Physiol. Plant Mol. Bio. 47: 377-403.##Ishiyama K, Inoue E, Watanabe-Takahashi A, Obara M, Yamaya T, Takahashi H (2004) Kinetic properties and ammonium-dependent regulation of cytosolic isoenzymes of glutamine synthetase in Arabidopsis. J. biol. Chem. 279: 16598-16605.##Kumar D (2004). Breeding for drought resistance. In: Abiotic stress: Plant resistance through breeding and molecular approaches. Ashraf, M., and P.J.C. Harris, (eds.). pp: 145–175. Food Products Press.##Levitt J (1980) Responses of plants to environmental stress: Water, Radiation, Salt and Other Stresses, Vol. II, Academic Press, New York, pp: 3-211.##Mitra J (2001) Genetics and genetic improvement of drought resistance in crop plants. Curr. Sci.  80: 758-763.##Moral LFG, Rharrabti Y, Villegas D, Royo C  (2003) Evaluation of grain yield and its components in durum wheat under Mediterranean conditions: An ontogenic approach. Agron. J. 95: 266–274.##Parry MA, Andralojc PJ, Khan S, Lea PJ, Keys AJ )2002) Rubisco activity: effects of drought stress, Annals of Botany, 89: 833-839.##Passioura JB (2002) Environmental biology and crop improvement. Funct. Plant Biol. 29: 537-546.##Penington SR, Dunn MJ (2001) Proteomics from protein sequence to function. Bios. 313 pp.##Rana NK, Mohanpuria P, Yadav SK (2008) Expression of tea cytosolic glutamine synthesize is tissue specific and induced by cadmium and salt stress. Biologia Plantarum. 52(2): 361-364##Reynolds MPS, Rajaram S, Sayre KD (1999) Physiological and enetic changes of irrigated wheat in the post-green revolution period and approaches for meeting projected global demand. Crop Sci. 39: 1611-1621.##Sakakibara H, Shimizu H, Hase T, Yamazaki Y, Takao T, Shimonishi Y, Sugiyama T (1996) Molecular identification and characterization of cytosolic isoforms of glutamine synthesize in maize roots. J. biol. Chem. 271: 29561- 29568.##Salekdeh Gh. H, Siopongco J, Wade LJ, Ghareyazie B, Bennett J (2002) Proteomics approach to analyzing drought and salt responsiveness in rice. Field Crop Research. 76: 199-219.##Sattar A, Chowdhry MA, Kashif M (2003) Estimation of heritabilityand genetic gain of some metric traits in six hybrid population of spring wheat. Asian J. Plant Sci. 2: 495-497.##Scandalios J (1997)  Molecular genetics of superoxide dismutases in plants, in: J. Scandalios (Ed.), Oxidative Stress and the Molecular Biology of Antioxidant Defences. Cold Spring Harbor Laboratory Press. pp. 527–568.##Schulze SD (1986) Whole-plant responses to drought, Aust. J. Plant Physiol. Vol 13, 127-141.##Skovmand B, Reynolds MP, Delacy IH (2001) Searching genetic resources for physiological traits with potential for increasing yield. In: Application of physiology in wheat breeding. (eds.) Reynolds, M.P., J.I.Ortiz-Monasterio, and A. McNab. pp: 17-28. Mexico, D.F.: CIMMYT.##Turner LB (1991) The effect of water stress on the vegetative growth of white clover (Trifolium repens L.) comparative of long-term water deficit and short-term developing water stress. J. Exp. Bot. 42: 311-316.##Vu JCV, Gesch RW, Allen LHJr, Boote KJ, Bowes G (1999) CO2 enrichment delays a rapid, drought-induced decrease in rubisco small subunit transcript abundance, J.of Plant Physiol.  155: 139-142.##Williams J, Bulman MP, Neill SJ (1994) Wilt-induced ABA biosynthesis, gene expression and down-regulation of rbcS mRNA levels in Arabidopsis thaliana, Physiologia Plantarum, 91(2): 177-182.##Yordanov I, Tsonko T, Velikova V, Georgieva K, Ivanov P, Tsenov N,  Petrova T (2001) Changes in Co2 assimilation, transpiration and stomatal resistance to different wheat cultivars expressing drought under field conditions. BULG. J. Plant Physiol. 27: 20-33.##Zivy M, De Vienne D (2000) Proteomics: a link between genomics, genetics and physiology. Plant Molecular Biology. 44: 575-580.##