پاسخ‌های یونی و ترنسکریپتومی کینوا به تنش شوری آب دریا

مقدمه و هدف: شوری خاک یکی از عوامل اصلی خسارت و کاهش عملکرد محصولات کشاورزی در دنیا به‎شمار می‌رود. گیاهان هالوفیت‌ قادر به تحمل سطوح بالایی از شوری هستند که این سطوح در حالت معمول باعث از بین رفتن محصولات زراعی دیگر می‌شود. کینوا (willdchenopodium quinoa, ) از خانواده chenopodiaceae گیاهی بسیار متحمل به شرایط نامطلوب محیطی است که در برابر تنش‌های زنده و غیرزنده تحمل بالایی را از خود نشان می‌دهد. کینوا یک گیاه شورزیست اختیاری است که قادر است شوری سطح دریا (dsm-1 40) را تحمل کند و در بیشتر مناطق ایران که بارندگی سالیانه اندکی دارند (میانگین بارندگی کشور حدود 250 میلی‌متر است) و به‎دلیل شوری و خشکی خاک غیرقابل کشت هستند، عملکرد اقتصادی مطلوبی را داشته باشد. در همین راستا و به‎منظور بررسی سازوکارهای تحمل به تنش شوری در گیاه کینواُ اثرات تیمارهای شوری در دو سطح شوری (dsm-1 6/9 و dsm-1 13/8) و 9 زمان نمونه‎برداری (از صفر تا هفت روز) در واریته تیتیکاکا با بررسی پاسخ‎های یونی و بیان برخی ژن‌های درگیر در مقابله با تنش شوری مورد بررسی قرار گرفت. مواد و روش‌ها: به جهت بررسی تغییرات یونی و واکنش برخی ژن‌های مهم دخیل در تنش شوری، ژنوتیپ تیتیکاکا (titicaca) تحت تاثیر دو سطح شوریdsm-1 6/9 (مخلوط 1:1 آب دریا و آب مقطر) و dsm-1 13/8 (آب دریا) در دو تکرار با در نظر گرفتن عامل زمان نمونه‌برداری، با استفاده از آزمایش فاکتوریل (فاکتور زمان در 9 سطح و فاکتور شوری در 2 سطح) در قالب طرح کاملاً تصادفی کشت شد. نمونه‌های برگی در بازه‌های زمانی شش ساعت و نیز یک، دو، سه، چهار، پنج، شش و هفت روز پس از اعمال تنش، تهیه شدند. در این پژوهش میزان تجمع یون‌های سدیم و پتاسیم و تغییرات بیان چهار ژن مرتبط با شوری شامل آنتی پورتر غشای واکوئلی (nhx)، آنتی پورتر na+/h+ واقع در غشای پلاسمایی (sos1)، کولین مونواکسیژناز (cmo) و بتائین‌آلدئید‌دهیدروژناز (badh) مورد بررسی قرار گرفت. به‎منظور بررسی بیان ژن از روش qrt-pcr با استفاده از ماده سایبرگرین و ژن خانه‎دار gapdh استفاده شد.یافته‌ها: نتایج نشان داد تجمع میزان یون‌های سدیم و پتاسیم در برگ تحت تاثیر شوری قرار گرفت و در سطح احتمال یک درصد، در هر دو سطح شوری روند صعودی و معنی‌داری داشتند، به‎طوری‎که با افزایش میزان یون سدیم، میزان تجمع یون پتاسیم نیز افزایش داشته و این بدان معنی است که گیاه سعی در خنثی‎سازی اثرات نامطلوب افزایش یون سدیم ناشی از شرایط تنش داشته است. همچنین با افزایش میزان غلظت شوری از سطح dsm-1 6/9 به dsm-1 13/8، از روز سوم اعمال تنش، نسبت یون‌های پتاسیم به سدیم افزایش یافته که می‌تواند یک سازوکار فیزیولوژیکی بسیار مهم در جهت افزایش میزان تحمل به شوری این گیاه و تلاش برای تولید و عملکرد بیشتر تحت شرایط شور باشد. با افزایش روزهای تنش و نیز سطح شوری اعمال شده، بیان هر چهار ژن مرتبط به شوری متناسب با تجمع و حضور یون‌ها در سلول تغییر یافت. بر اساس مطالعه حاضر ژن nhx در کینوا در هر دو سطح تنش dsm-1 6/9 و dsm-1 13/8 شوری در روز اول شروع به بیان نموده و با ادامه روند تنش در روزهای بعدی، بیان ژن sos1 نیز افزایش یافت. در همین راستا ژن sos1 افزایش بیان را در سطح dsm-1 6/9 در روزهای اول، دوم و سوم نشان داد. با افزایش روزهای تنش بیان ژن‌های درگیر در ساخت گلایسین بتایین در روز سوم در هر دو سطح تنش، بیان ژن cmo و سپس بیان ژن badh افزایش یافت.نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج این تحقیق گیاه کینوا نیز همچون سایر هالووفیت‌ها از سازوکارهای متعددی از جمله تنظیم یونی و تغییر در الگوی بیان ژن‌ها جهت تحمل تنش شوری استفاده می‎نماید. بررسی‌های این مطالعه نشان می‌دهد بعد از ورود یون سدیم به درون سیتوسول و دریافت سیگنال تنش، بیان ژن nhx1 به‎طور چشم‎گیری افزایش معنی‌داری یافت و گیاه با این افزایش بیان این ژن، سعی نموده تا با کده‌بندی یون سدیم در واکوئل از اثرات ناشی از تنش بکاهد. همچنین به‎نظر می‌رسد با فعال شدن sos1، گیاه مسیر دومی را نیز جهت برقراری تحمل و هموستازی سلولی از طریق خروج یون سدیم به منطقه ریشه، ذخیره یون سدیم در واکوئل و جلوگیری از تجمع آن در سیتوپلاسم و کنترل انتقال یون سدیم در مسیرهای طولانی بین ریشه و برگ‌ها و بارگیری آن از آوند چوبی را انتخاب نموده است. در روز سوم و هم‎زمان با افزایش معنی‌دار یون سدیم درون سیتوسول، میزان بیان ژن cmo نیز افزایش پیدا کرده که نشان می‌دهد گیاه سعی کرده با تولید اسمولیت‌های گلایسین بتائین و همچنین فعال نمودن مسیر پرولین تعادل اسمزی در سلول را حفظ کند. از سوی دیگر گیاه با افزایش جذب یون پتاسیم و ثبات نسبت k+/na+  سعی در حفظ تعادل یونی نموده تا بتواند اثرات مخرب ناشی از تنش را کاهش دهد. با توجه به وجود تحقیقات محدود در زمینه این گیاه مهم، یافته‌های این تحقیق می‌تواند به‎عنوان راه‌گشای مناسبی برای تحقیقات بعدی مورد استفاده قرار گیرد.

ionic and transcriptomic responses of quinoa to seawater salinity stress

background: soil salinity is regarded as a primary cause of damage and decrease in agricultural yields globally. halophyte plants can withstand elevated levels of salt, which typically result in the destruction of other crops. quinoa (chenopodium quinoa, willd), belonging to chenopodiaceae, is a very tolerant plant to unfavorable environmental conditions that exhibits great tolerance to biotic and abiotic stresses. quinoa is an optional halophyte plant that can tolerate sea level salinity (40 dsm-1) and has a favorable economic performance in most areas of iran with little annual rainfall (the country’s average rainfall is about 250 mm) and cannot be cultivated due to soil salinity and drought. to explore the mechanisms of resistance to salt stress in quinoa plants, the impact of salt treatments at two different levels (6.9 and 13.8 dsm-1) and nine sampling intervals (ranging from zero to seven days) was studied in the titicaca variety. this involved analyzing the ionic reactions and the expression of specific genes related to dealing with salt stress.methods: to study the ionic changes and reactions of some genes involved in salinity stress, the titicaca genotype was planted under the effect of two salinity levels 6.9 dsm-1 (1:1 seawater:double distilled water) and 13.8 dsm-1 (sea water) along with a control in two replications with the factor of sampling time using factorial (time in nine levels and salinity in two levels) based on a completely randomized design. after applying salt treatments, leaf samples were collected at 6 hours and 1, 2, 3, 4, 5, 6, and 7 days after salt application. the accumulation of sodium and potassium ions along with the expression changes in four salinity-related genes, including na+/h+ antiporter (nhx), salt overly sensitive 1 (sos1), choline mono oxygenase (cmo), and betaine aldehyde dehydrogenase (badh), were evaluated in this research. the gene expression was assessed using the qrt-pcr technique with sybergreen dye and the gapdh reference gene.results: the accumulation of sodium and potassium ions in leaves was impacted by salinity, and there was a significant increase in both levels of salinity at the 1% probability level. an increase in sodium ions was associated with the increased accumulation of potassium ions, indicating that the plant attempted to counteract the negative effects of elevated sodium ions resulting from stress conditions. additionally, by elevating the salinity level from 6.9 to 13.8 dsm-1, the potassium ion to sodium ion ratio started to increase from the third day after stress. this could serve as a crucial physiological mechanism for enhancing the plant’s salinity tolerance and promoting higher productivity in saline environments. with increasing the duration of stress and the salt concentration, the activation of all four genes associated with salinity was altered in response to the buildup and existence of ions within the cell. based on the current research, the activation of the nhx gene in quinoa was observed from the initial day under both salinity stress levels. the activation of the sos1 gene was escalated as the stress persisted in the subsequent days. in this context, the expression pattern of sos1 demonstrated a rise at 6.9 dsm-1 on the initial, subsequent, and third days. on the third day of stress, the activity of genes related to glycine betaine production rose at both stress levels. first, the cmo gene showed increased activity, followed by an increase in the activity of the badh gene.conclusion: based on the findings of this study, the quinoa crop, similar to other salt-tolerant plants, employs various strategies (such as ionic balance and alterations in gene expression) to endure saline conditions. the research findings indicate that there was a notable rise in the nhx1 gene expression following the introduction of the sodium ion into the cytosol and receipt of the stress signal. upon this heightened expression, the plant attempted to chelate sodium ions to mitigate the impact of stress in the vacuole. additionally, it appears that the plant utilizes the sos1 gene to initiate an alternative pathway for achieving tolerance and cell stability. this involves releasing sodium ions to the root area, storing them in vacuoles, preventing their build-up in the cytoplasm, and regulating sodium transport over long distances between the roots and leaves. the process also involves the selected loading of sodium ions from the xylem vessels. on the third day, there was a rise in the expression of the cmo gene at the same time as the notable rise of sodium ions in the cytosol, indicating the plant’s effort to achieve osmotic equilibrium in the cell by generating glycine-betaine osmolyte and activating the proline synthesis pathway. alternatively, the plant seeks to preserve the ionic equilibrium by boosting potassium intake and enhancing the stability of the k+/na+ ratio to mitigate the detrimental impact of stress. because of inadequate research on this crucial plant, the results of this study can serve as an appropriate blueprint for future research.