شناسایی و بررسی خصوصیات برخی اعضای خانواده ژنی اسنکین در گیاه پیاز (Alliumcepa L.)

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فارماکوگنوزی، دانشکده داروسازی ، دانشگاه علوم پزشکی جندی شاپور اهواز، اهواز، ایران

2 گروه فارماکوگنوزی، دانشکده داروسازی ، مرکز تحقیقات گیاهان دارویی خلیج فارس ، دانشگاه علوم پزشکی جندی شاپور اهواز

3 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

4 گروه فیزیولوژی و فارماکولوژی، دانشکده پزشکی ، مرکز تحقیقات گیاهان دارویی ، دانشگاه علوم پزشکی یاسوج، یاسوج، ایران

5 گروه فارماکوگنوزی و بیوتکنولوژی دارویی، دانشکده داروسازی، دانشگاه علوم پزشکی لرستان، خرم آباد، ایران

6 گروه آموزشی فارماکوگنوزی و بیوتکنولوژی دارویی ، دانشکده داروسازی ، دانشگاه علوم پزشکی لرستان خرم آباد ایران

7 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه لرستان، خرم آباد، ایران

چکیده

پپتیدهای ضد میکروبی یکی از مهم‌ترین سدهای دفاعی گیاهان در مقابل طیف وسیعی از پاتوژن‌ها به شمار می‌روند. در این بین، اسنیکین‌ها توجه ویژه‌ای را به خود جلب می‌کنند، زیرا یکی از مهم‌ترین پپتیدهای غنی از سیستئین در میان پپتیدهای ضد میکروبی گیاهی هستند. در مطالعه حاضر، برخی از اعضای خانواده ژنی اسنیکین در گیاه پیاز از طریق روش‌های بیوانفورماتیکی و آزمایشگاهی شناسایی و تعیین خصوصیت شدند. بدین منظور تمام توالی‌های پروتئینی اسنیکین‌های گیاهی از پایگاه NCBI دریافت شدند. توالی مورد توافق اسنکین با هم‌ترازی چندگانه توالی‌های دریافت شده ایجاد شد. سپس توالی مورد توافق اسنکین با استفاده از ابزار tBLASTn در برابر ترنسکریپتوم گیاه پیاز هم‌ترازی موضعی شد. توالی‌های حاصل از tBLASTn، سرهم‌بندی شده و برای تعیین چارچوب خوانش باز کامل و پیش‌بینی دمین‌های عملکردی، سیگنال پپتید، محل تجمع سلولی، خصوصیات فیزیکوشیمیایی، فراوانی اسیدهای آمینه و فعالیت ضد میکروبی مورد بررسی قرار گرفتند. با استفاده از واکنش PCR توالی کد کننده کامل اسنیکین‌ها تکثیر شد. در نهایت، وجود هفت ژن اسنیکین با چارچوب‌های خوانش باز با طول متوسط 323 جفت باز در گیاه پیاز تأیید شد. تجزیه و تحلیل‌های بیوانفورماتیکی، شباهت بالای ژن‌های اسنیکین پیاز با همولوگ‌های اسنیکن‌ در سایر گونه‌های گیاهی، از نظر توالی نوکلئوتیدی و پروتئینی و همچنین خصوصیات ساختاری را نشان داد. نتایج همچنین نشان داد که تمامی اسنیکین‌های شناسایی شده در گیاه پیاز دارای خاصیت ضد میکروبی بالقوه بودند. با توجه به اثرات ضد میکروبی بالقوه در پپتیدهای شناسایی شده، می‌توان با تولید این پپتیدها در سیستم‌های بیانی مختلف از آن‌ها به عنوان عوامل ضد میکروبی جدید در مقابله با پاتوژن‌های انسانی، دامی و گیاهی استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Identification and characterization of some snakin gene family members in onion (Allium cepa L.)

نویسندگان [English]

  • Hadis Boroun 1
  • Amir Siahpoosh 2
  • Seyyed Mohsen Sohrabi 3
  • Mohammad Reza Nikbakht 4
  • Javad Ghasemian Yadegari 5
  • Mohsen Mohammadi 6
  • Seyed Sajad Sohrabi 7
1 Department of Pharmacognosy, School of Pharmacy Ahvaz Jundishapur University of Medical Sciences, Ahvaz, Iran.
2 Department of Pharmacognosy, School of Pharmacy Medicinal Plant Research Center Ahvaz Jundishapur University of Medical Sciences, Ahvaz, Iran.
3 Department of Production Engineering and Plant Genetics, Faculty of Agriculture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.
4 Department of Physiology and Pharmacology, School of Medicine, Medicinal Plants Research Center, Yasuj University of Medical Sciences, Yasuj, Iran.
5 Department of Pharmacognosy and Pharmaceutical Biotechnology, Faculty of Pharmacy, Lorestan University of medical sciences Khorramabad, Iran.
6 Department of Pharmacognosy and Pharmaceutical Biotechnology, Faculty of Pharmacy Lorestan University of medical ,sciences, Khorramabad, Iran
7 Department of Production Engineering and Plant Genetics, Faculty of Agriculture, Lorestan University, Khorramabad, Iran.
چکیده [English]

Antimicrobial peptides (AMPs) are one of the most important defense barriers of plants against a wide range of pathogens. The snakins attract special attention because they are one of the most important and main cysteine-rich peptides among plant anti-microbial peptides. In the present study, some snakin gene family members were identified and characterized from onion (Allium cepa L.) using bioinformatics and experimental methods. All snakin protein sequences were retrieved from NCBI database. The snakin consensus sequence was obtained from alignment of retrieved sequences. Then, the consensus sequence was aligned against the onion transcriptome using tBLASTn tool. The resulting sequences were analyzed to determine the full-ORF, and to prediction of functional domains, signal peptides, subcellular localization, physicochemical properties, amino acid frequency and anti-microbial activity. The complete coding sequence of snakin genes were amplified by PCR. Finally, the presence of seven snakin genes, with an average ORF length of 332 bp, were confirmed in onion. The high similarity of the onion snakin genes with homologous snakin genes belonging to other plant species in terms of nucleotide and protein sequences as well as structural was revealed by bioinformatics analysis. The results also showed that all identified onion snakins had the potential antimicrobial activity. Due to the potential antimicrobial activity of identified peptides, by producing these peptides in different expression systems, they can be used as new antimicrobial agents against human, animal and plant pathogens.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Anti-microbial peptides
  • Bioinformatics
  • Gene family
  • Transcriptome

مراجع

Bahar AA, Ren D (2013) Antimicrobial peptides. Pharmaceuticals. 6 (12): 1543-1575. Bao R, Huang L, Andrade J, Tan W, Kibbe WA, Jiang H, Feng G (2014) Review of current methods, applications, and data management for the bioinformatics analysis of whole exome sequencing. Cancer informatics. Sup 2: 67-83. Bulet P, Stöcklin R, Menin L (2004) Anti‐microbial peptides: from invertebrates to vertebrates. Immunological reviews. 198 (1): 169-184. Castro MS, Fontes W (2005) Plant defense and antimicrobial peptides. Protein and peptide letters. 12 (1): 11-16. Cools TL, Struyfs C, Cammue BP, Thevissen K (2017) Antifungal plant defensins: increased insight in their mode of action as a basis for their use to combat fungal infections. Future Microbiology. 12 (5): 441-454. Da Costa JP, Cova M, Ferreira R, Vitorino R (2015) Antimicrobial peptides: an alternative for innovative medicines? Applied microbiology and biotechnology. 99 (5): 2023-2040. Elsbach P (2003) What is the real role of antimicrobial polypeptides that can mediate several other inflammatory responses? Journal of Clinical Investigation. 111 (11): 1643. Epand RM (2016) Host Defense Peptides and Their Potential as Therapeutic Agents. Springer, Faraji S, Mehmood F, Malik HMT, Ahmed I, Heidari P, Poczai P (2021) The GASA Gene Family in Cacao (Theobroma cacao, Malvaceae): Genome Wide Identification and Expression Analysis. Agronomy. 11 (7): 1425. Ferrè F, Clote P (2006) DiANNA 1.1: an extension of the DiANNA web server for ternary cysteine classification. Nucleic acids research. 34 (suppl_2): W182-W185. Filiz E, Kurt F (2020) Antimicrobial peptides Snakin/GASA gene family in Sorghum (Sorghum bicolor): genome-wide identification and bioinformatics analyses. Gene Reports. 20: 100766. Gasteiger E, Hoogland C, Gattiker A, Duvaud Se, Wilkins MR, Appel RD, Bairoch A (2005) Protein identification and analysis tools on the ExPASy server. Springer. Gill RW, Sanseau P (2000) Rapid in silico cloning of genes using expressed sequence tags (ESTs). Biotechnology annual review. 5: 25-44. Goyal RK, Mattoo AK (2016) Plant antimicrobial peptides. In: Host defense peptides and their potential as therapeutic agents. Springer, pp 111-136 Griffiths G, Trueman L, Crowther T, Thomas B, Smith B (2002) Onions—a global benefit to health. Phytotherapy research. 16 (7): 603-615. Guruprasad K, Reddy BB, Pandit MW (1990) Correlation between stability of a protein and its dipeptide composition: a novel approach for predicting in vivo stability of a protein from its primary sequence. Protein Engineering, Design and Selection. 4 (2): 155-161. Harris F, Dennison SR, Phoenix DA (2009) Anionic antimicrobial peptides from eukaryotic organisms. Current Protein and Peptide Science. 10 (6): 585-606. Harris PW, Yang SH, Molina A, López G, Middleditch M, Brimble MA (2014) Plant antimicrobial peptides snakin‐1 and snakin‐2: chemical synthesis and insights into the disulfide connectivity. Chemistry–A European Journal. 20 (17): 5102-5110. Holaskova E, Galuszka P, Frebort I, Oz MT (2015) Antimicrobial peptide production and plant-based expression systems for medical and agricultural biotechnology. Biotechnology advances. 33 (6): 1005-1023. Hoskin DW, Ramamoorthy A (2008) Studies on anticancer activities of antimicrobial peptides. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes. 1778 (2): 357-375. Ikai A (1980) Thermostability and aliphatic index of globular proteins. The Journal of Biochemistry. 88 (6): 1895-1898. Janssen BJ, Schirra HJ, Lay FT, Anderson MA, Craik DJ (2003) Structure of Petunia hybrida defensin 1, a novel plant defensin with five disulfide bonds. Biochemistry. 42 (27): 8214-8222. Jones P, Binns D, Chang H-Y, Fraser M, Li W, McAnulla C, McWilliam H, Maslen J, Mitchell A, Nuka G (2014) InterProScan 5: genome-scale protein function classification. Bioinformatics. 30 (9): 1236-1240. Kang H-K, Kim C, Seo CH, Park Y (2017) The therapeutic applications of antimicrobial peptides (AMPs): a patent review. Journal of microbiology. 55 (1): 1-12. Liguori L, Califano R, Albanese D, Raimo F, Crescitelli A, Di Matteo M (2017) Chemical composition and antioxidant properties of five white onion (Allium cepa L.) landraces. Journal of Food Quality. 2017. Mansour SC, Pena OM, Hancock RE (2014) Host defense peptides: front-line immunomodulators. Trends in immunology. 35 (9): 443-450. Marchler-Bauer A, Derbyshire MK, Gonzales NR, Lu S, Chitsaz F, Geer LY, Geer RC, He J, Gwadz M, Hurwitz DI (2014) CDD: NCBI's conserved domain database. Nucleic acids research. 43 (D1): D222-D226. McGinnis S, Madden TL (2004) BLAST: at the core of a powerful and diverse set of sequence analysis tools. Nucleic acids research. 32 (suppl_2): W20-W25. Melo MN, Ferre R, Castanho MA (2009) Antimicrobial peptides: linking partition, activity and high membrane-bound concentrations. Nature Reviews Microbiology. 7 (3): 245-250. Nahirñak V, Almasia NI, Hopp HE, Vazquez-Rovere C (2012) Snakin/GASA proteins: involvement in hormone crosstalk and redox homeostasis. Plant signaling & behavior. 7 (8): 1004-1008. Nahirñak V, Rivarola M, De Urreta MG, Paniego N, Hopp HE, Almasia NI, Vazquez-Rovere C (2016) Genome-wide analysis of the Snakin/GASA gene family in Solanum Tuberosum cv. Kennebec. American journal of potato research. 93 (2): 172-188. Nawrot R, Barylski J, Nowicki G, Broniarczyk J, Buchwald W, Goździcka-Józefiak A (2014) Plant antimicrobial peptides. Folia microbiologica. 59 (3): 181-196. Nelson C, Regiland A (2007) Antimicrobial properties of extracts of Allium cepa and Zingiber officinale (ginger) on Escherchia coli, Salmonella typhi and Bacillus subtilis. Int J Trop Med. 3 (2): 1540-1470. Nielsen H (2017) Predicting Secretory Proteins with SignalP. Protein Function Prediction: Methods and Protocols. 59-73. Oliveira-Lima M, Maria Benko-Iseppon A, Ribamar Costa Ferreira Neto J, Rodriguez-Decuadro S, Akio Kido E, Crovella S, Pandolfi V (2017) Snakin: structure, roles and applications of a plant antimicrobial peptide. Current Protein and Peptide Science. 18 (4): 368-374. Pelegrini PB, Franco OL (2005) Plant γ-thionins: novel insights on the mechanism of action of a multi-functional class of defense proteins. The international journal of biochemistry & cell biology. 37 (11): 2239-2253. Periwal V, Scaria V (2014) Bioinformatics Review. Bioinformatics. 45: 1-9. Porto WF, Franco OL (2013) Theoretical structural insights into the snakin/GASA family. Peptides. 44: 163-167. ProtParam E (2017) ExPASy-ProtParam tool. Sagaram US, Kaur J, Shah D (2012) Antifungal plant defensins: structure-activity relationships, modes of action, and biotech applications. In: Small Wonders: Peptides for disease control. ACS Publications, pp 317-336 Sels J, Mathys J, De Coninck BM, Cammue BP, De Bolle MF (2008) Plant pathogenesis-related (PR) proteins: a focus on PR peptides. Plant Physiology and Biochemistry. 46 (11): 941-950. Sidhu JS, Ali M, Al-Rashdan A, Ahmed N (2019) Onion (Allium cepa L.) is potentially a good source of important antioxidants. Journal of food science and technology. 56 (4): 1811-1819. Tamura K, Stecher G, Peterson D, Filipski A, Kumar S (2013) MEGA6: molecular evolutionary genetics analysis version 6.0. Molecular biology and evolution. 30 (12): 2725-2729. Tang S-S, Prodhan ZH, Biswas SK, Le C-F, Sekaran SD (2018) Antimicrobial peptides from different plant sources: Isolation, characterisation, and purification. Phytochemistry. 154: 94-105. Teshika JD, Zakariyyah AM, Zaynab T, Zengin G, Rengasamy KR, Pandian SK, Fawzi MM (2019) Traditional and modern uses of onion bulb (Allium cepa L.): a systematic review. Critical reviews in food science and nutrition. 59 (sup1): S39-S70. Thomma BP, Cammue BP, Thevissen K (2002) Plant defensins. Planta. 216 (2): 193-202. Valente AP, de Paula VS, Almeida FC (2013) Revealing the properties of plant defensins through dynamics. Molecules. 18 (9): 11311-11326. Waghu FH, Gopi L, Barai RS, Ramteke P, Nizami B, Idicula-Thomas S (2014) CAMP: Collection of sequences and structures of antimicrobial peptides. Nucleic acids research. 42 (D1): D1154-D1158. Zasloff M (2006) Defending the epithelium. Nature medicine. 12 (6): 607-608. Zhang S, Wang X (2008) Expression pattern of GASA, downstream genes of DELLA, in Arabidopsis. Chinese Science Bulletin. 53 (24): 3839-3846. Zimmermann R, Sakai H, Hochholdinger F (2010) The gibberellic acid stimulated-like gene family in maize and its role in lateral root development. Plant physiology. 152 (1): 356-365.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار