تشریح مکانیسم مولکولی ایجاد تحمل به تنش شوری در گیاه شورپسند Aeluropus littoralis توسط ژن‌های AlSOS

نوع مقاله: علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری بیوتکنولوژی کشاورزی، پژوهشکده ژنتیک و زیست‌فناوری کشاورزی طبرستان، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری

2 استادیار، موسسه تحقیقات برنج کشور، معاونت مازندران، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، آمل

3 استادیار، پژوهشکده ژنتیک و زیست فناوری کشاورزی طبرستان، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری

چکیده

تنش شوری از مهم‌ترین تنش‌های محیطی است که تولید گیاهان زراعی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. مسیر تنظیمی فوق حساس به نمک از جمله مسیرهای مهم در تنظیم هموستازی یون می‌باشد. در این مطالعه، الگوی بیان ژن‌های AlSOS1، AlSOS2 و AlSOS3 در گیاه متحمل به شوری Aeluropus littoralis تحت تأثیر سطوح مختلف سدیم کلرید شامل صفر، 200، 400 و 600 میلی‎مولار و در زمان‌های صفر، 8، 16، 24، 48 و 72 ساعت پس از اعمال تنش اندازه‎گیری شد. میزان بیان هر سه ژن با اعمال تنش شوری، نسبت به شاهد افزایش معنی‌داری یافت. در غلظت 200 میلی‎مولار نمک، میزان بیان ژن‌های AlSOS1 و AlSOS2 در 72 ساعت به حداکثر رسید. در حالی که ژن AlSOS1 در غلظت 400 و 600 میلی مولار، پس از 48 ساعت به حداکثر بیان رسید و ژن AlSOS2 در غلظت 400 میلی مولار، پس از 48 ساعت و در غلظت 600 میلی مولار، بعد از 24 ساعت بیشترین بیان را نشان دادند. بیشترین میزان نسخه‌برداری ژن AlSOS3 در غلظت 400 میلی مولار، 24 ساعت و در غلظت 600 میلی مولار، 16 ساعت پس از اعمال تنش بود. مکانیسم متفاوت اثر ژن AlSOS3 بر AlSOS2، اثر کمپلکس AlSOS2- AlSOS3 بر AlSOS1 و وجود تفاوت در عملکرد این ژن‎ها از دلایل این تغییرات می‎باشد. تغییرات بیان ژن‎ها نشان می‎دهد در تنش شدید، واکنش ژن‎ها با الگویی متفاوت می‎باشد. مقایسه روند تغییرات ژن‎ها نشان داد، رفتار ژن AlSOS3 نسبت به دو ژن دیگر در تنش شدید متفاوت بود که بیانگر تفاوت در مکانیسم عمل این ژن می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Dissection of the molecular mechanism of salinity stress tolerance in halophyte plant, Aeluropus littoralis using AlSOS genes.

نویسندگان [English]

  • Amin Mohammadi purfard 1
  • Mohammad- Zaman Nouri 2
  • Ali Dehestani Kolagar 3
1 Agricultural Biotechnology Ph.D. Candidate, Genetics and Agricultural Biotechnology Institute of Tabarestan, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran.
2 2. Assistant Professor, Rice Research Institute of Iran, Mazandaran Branch, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Amol, Iran
3 Assistant Professor, Genetics and Agricultural Biotechnology Institute of Tabarestan, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran.
چکیده [English]

Salinity stress is one of the most important environmental stresses that affects crop production. Salt Overly Sensitive regulation path is an important route in the regulation of ion homeostasis. In this study, the expression patterns of AlSOS1, AlSOS2 and AlSOS3 genes were evaluated in the salt tolerant plant, Aeluropus littoralis under 0, 200, 400 and 600 mM sodium chloride and after 0, 8, 16, 24, 48 and 72 h of the stress exposure. Salinity stress significantly increased the expression of all genes compared to the control. In 200 mM NaCl treatment, AlSOS1 and AlSOS2 expression increased in various time courses and peaked at 72 h after the stress exposure. In 400 and 600 mM NaCl treatment, however, the maximum expression of AlSOS1 was observed at 48 h after the stress. AlSOS2 was highly expressed at the salt concentrations of 400 and 600 mM after 48 h and 24 h, respectively. The maximum rate of AlSOS3 transcription was recorded in 400 and 600 mM NaCl after 24 h and 16 h, respectively. Different mechanism of the effect of AlSOS3 on AlSOS2, effect of AlSOS2- AlSOS3 complex on AlSOS1 and differences in the act of the genes are of the reasons for the variations in the gene expression. These results suggest that in severe stress conditions, the reaction of genes would be rapid and with different patterns. AlSOS3 showed a different pattern of the expression comparing to the two other genes which implies differences in the gene regulation mechanism.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sodium Chloride
  • Expression
  • Aeluropus littoralis
  • AlSOS
 Deinlein U, Stephan AB, Horie T, Luo W, Xu G, Schroeder JI (2014) Plant salt-tolerance mechanisms. Trends Plant Sci. 19: 371-379.

Fatemi F, Nematzadeh Gh, Askari H, Hashemi SH (2014) Identification and isolation of transcripts in response to KCl from Aeluropus littoralis. Crop Biotech. 6: 73-83.

Feron R, Mariani C, Vriezen WH (2004) Application of the mRNA capture kit in cDNA-AFLP. Biochemica. 3: 23-24.

Flowers TJ, Colmer TD (2008) Salinity tolerance in halophytes. New Phytol. 179: 945-963.

Ghasemi Omran V, Bagheri AR, Nematzadeh Gh, Mirshamsi A (2012) Evaluation of the expression pattern of AlSOS1and AlNHX genes under NaCl stress in halophyte grass Aeluropus littoralis Parl.  Crop Biotech. 2: 27-37.

Ghasemi Omran V, Bagheri AR, Nematzadeh Gh, Mirshamsi A. Babaiian Jelodar NA (2013) Isolation and expression analysis of Alsos1 gene under NaCl stress in halophyte grass Aeluropus littoralis Parl. Crop Breed. 7: 60-69.

Gulzar S, Khan MA, Ungar IA (2003) Effects of salinity on growth, ionic content, and plant–water status of Aeluropus lagopoides. Commun. Soil Sci. Plant Anal. 34: 1657-1668.

Hashemi SH, Nematzadeh G, Ahmadian G, Yamchi A, Kuhlmann M (2016) Identification and validation of Aeluropus littoralis reference genes for Quantitative Real-Time PCR normalization. Biol. Res. Thessaloniki. 23: 1-13.

Jannesar M, Razavi Kh, Saboora A (2014) Effects of salinity on expression of the salt overly sensitive genes in Aeluropus lagopoides. Aust. J. Crop Sci. 8:1-8.

Ji H, Pardo JM, Batelli G, Van Oosten MJ, Bressan RA, Li, X (2013) The Salt Overly Sensitive (SOS) pathway: established and emerging roles. Mol. Plant. 6: 275-286.

Li MY, Liu YJ (1994) Halophytes of yellow river delta in north Shandong province of China.  J.  Qufu.  Normal Univ. 125-133.

Parida AK, Das AB (2004) Salt tolerance and salinity effects on plants: a review. Ecotoxicol. Environ. Saf. 60: 324-349.

Qiu QS, Guo Y, Dietrich MA, Schumaker KS, Zhu JK (2002) Regulation of SOS1, a plasma membrane Na+/H+ exchanger in Arabidopsis thaliana, by SOS2 and SOS3. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99: 8436-8441.

Quintero FJ, Ohta M, Shi HZ, Zhu JK, Pardo JM (2002) Reconstitution in yeast of the Arabidopsis SOS signaling pathway for Na+ homeostasis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99: 9061-9066.

Ramezani A, Niazi A, Ebeli Moghaddam, AA, Zamani M (2011) Gene expression analysis of SOS1 in two Iranian wheat species under salinity stress using qRT-PCR. In proceeding of the 7th National Biotechnology Congress of Iran.  

Reddy AR, Chaitanya KV, Viekanadan MV (2004) Drought-induced responses of photosynthesis and antioxidant metabolism in higher plant. Plant Physiol. 161: 1189-1202.

Rezaei Moshaei M, Nematzadeh GA, Askari H, Nejad ASM (2014) Quantitative gene expression analysis of some sodium ion transporters under salinity stress in Aeluropus littoralis. Saudi J. Biol. Sci. 21: 394-399.

Rozema J, Schat H (2013) Salt tolerance of halophytes, research questions reviewed in the perspective of saline agriculture. Environ. Exper. Bot. 92: 83-95.

Shi H, Ishitani M, Kim C, Zhu JK (2000) The Arabidopsis thaliana salt tolerance gene SOS1encodes a putative Na+/H+ antiporter. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 97: 6896–6901.

Tavakkoli E, Rengasamy P, McDonald GK (2010) High concentrations of Na+ and Cl ions in soil solution have simultaneous detrimental effects on growth of faba bean under salinity stress. J. Exp. Bot. 61: 4449-4459.

Tester M, Davenport RJ (2003) Na+ transport and Na+ tolerance in higher plants. Ann. Bot. 91: 503-527.

Valliyodan B, Nguyen HT (2006) Understanding regulatory networks and engineering for enhanced drought tolerance in plants. Curr. Opin. Plant Biol. 9: 1-7.

Van Oosten MJ, Sharkhuu A, Batelli G, Bressan RA, Maggio A (2013) The Arabidopsis thaliana mutant air1 implicates SOS3 in the regulation of anthocyanins under salt stress. Plant Mol. Biol. 83: 405-415.

Wang J, Li X, Liu Y, Zhao X (2010) Salt stress induces programmed cell death in Thellungiella halophile suspension-cultured cells. Plant Physiol. 167: 1145-1151.

Wang RZ (2004) Plant functional types and  their  ecological  responses  to salinization  in  saline  grasslands, Northeastern  China.  Photosynthetica. 42: 511-519.

Xu H, Jiang X, Zhan K, Cheng X, Chen X, Pardo JM, Cui D (2008) Functional characterization of a wheat plasma membrane Na+ /H+ antiporter in yeast. Arch. Biochem. Biophys. 473: 8-15.

Yang Q, Chen ZZ, Zhou XF, Yin HB, Li X, Xin XF, Hong XH, Zhu JK, Gong Z (2009) Overexpression of SOS (Salt Overly Sensitive) genes increases salt tolerance in transgenic Arabidopsis. Mol. Plant. 2: 22-31.

Ye J, Zhang W, Guo Y (2013) Arabidopsis SOS3 plays an important role in salt tolerance by mediating calcium-dependent microfilament reorganization. Plant Cell Rep. 32: 139-148.

Zhang GH, Q Su, LG an, S Wu (2008) Characterization and expression of a vacuolar Na antiporter gene the monocot halophyte Aeluropus littoralis. Plant Physiol. Biochem. 46: 117-127.

Zhu J K (2000) Genetic analysis of plant salt tolerance using Arabidopsis. Plant Physiol. 124: 941-948.

Zhu JK, Shi J, Singh U, Wyatt SE, Bressan RA, Hasegawa PM, Capita NC (1993) Enrichment of vitronectin and fibronectin like proteins in NaCl-adapted plant cells and evidence for their involvement in plasma membrane-cell wall adhesion. Plant J. 3: 637-646.

Zouari N, Ben Saad R, Legavre Th, Azaza J, Sabau X, Jaoua M, Masmoudi K, Hassairi A (2007) Identification and sequencing of ESTs from the halophyte grass Aeluropus littoralis. Gene. 404: 61-69.