مطالعه‌ی بیوانفورماتیکی نیم ‌رخ بیان ژن گیاهچه‌های آرابیدوپسیس به منظور شناسایی ژن ‌های کلیدی پاسخ‌ دهنده به تنش گرما

تنش دمای بالا به ‌عنوان یک چالش محیطی، رشد و نمو گیاهان را محدود می‌کند. گیاهان مکانیسم‌های مختلفی را برای پاسخ به تنش‌ گرما توسعه داده‌اند. در پژوهش حاضر جهت شناخت جنبه‌های مولکولی و بررسی‌ عملکردی تحمل گرمایی، داده‌های ریزآرایه پروفایل بیانی تنش گرما گیاهچه‌های آرابیدوپسیس با شماره دسترسی gse63128 از پایگاه داده‌ی geo دریافت و مورد ارزیابی قرار گرفت. پس از کنترل کیفیت و نرمال‌سازی داده‌ها، از بسته‌ی limma برای ارزیابی ژن‌هایی با بیان افتراقی استفاده شد. تعداد 7780 ژن با بیان افتراقی در سطح معنی‌داری 0.01 و 2|log2fold change| >  شناسایی شدند که در مراحل بعدی به بررسی دسته‌بندی هستی‌شناسی، مسیرهای kegg، شبکه برهم‌کنش پروتئین/پروتئین و ژن‌های کلیدی بالقوه آن‌ها با استفاده از روش‌های بیوانفورماتیکی پرداخته شد‌. مشخص شد که در فرآیند بیولوژیکی، مهم‌ترین عبارت‌ها برای ژن‌هایی با بیان افتراقی پاسخ‌دهنده به تنش گرما مربوط به تنظیم رونویسی، فرایندهای اکسیداسیون/احیا و پاسخ به هورمون آبسزیک‌اسید می‌باشند. همچنین بر اساس بررسی مسیرهای متابولیکی در پایگاه داده‌ی kegg، مسیرهای انتقال سیگنالی هورمون‌های گیاهی، بیوسنتز متابولیت‌های ثانویه و متابولیسم گلیسروفسفولیپیدها تحت تاثیر تنش گرما قرار گرفتند. از بین ژن‌های کلیدی شناسایی شده با درجه ارتباط بالا در ماژول‌ها، ژن‌های arf5/mp، tir1 به‌عنوان گیرنده اکسین، wol به‌عنوان گیرنده مسیر سایتوکنین، sdp1l ژن‌ موثر در تجزیه تری آسیل گلیسرول، lpaat4.2 ژن‌های موثر در بیوسنتز فسفولیپیدها و ژن‌های موثر در بیوسنتز پرولین (p5cs1 و p5cs2) به‌عنوان ژن‌هایی که نقش کلیدی در پاسخ به تنش گرما دارند، معرفی شدند. بررسی عملکرد این ژن‌ها مشخص کرد که پاسخ‌های سازگاری به تنش گرما عمدتا به تنظیم رشد مریستم‌ انتهای ساقه و ریشه، رشد هیپوکوتیل، توسعه بافت‌های آوندی، فعال‌سازی پروتئین‌های شوک گرمایی، تغییر ترکیب لیپیدهای غشاء و تنظیم اکسیداسیون/احیا سلولی مربوط می‌شود. از این‌رو برنامه‌های اصلاحی جهت تقویت تحمل به گرما بایستی از طریق دست‌کاری اجزای دخیل در این مسیرها صورت گیرد.

bioinformatics evaluation of the gene expression profile of arabidopsis seedlings in order to identify heat stress responsive hob genes

high-temperature stress is an environmental challenge limiting plant productivity and growth. plants have evolved various mechanisms to respond to heat stress. in this study, to explore the molecular aspects and functional analysis of heat tolerance, the microarray data of the expression profile of heat stress in arabidopsis seedlings were retrieved from the gene expression omnibus database (geo) database with accession number gse103398. after quality control and data normalization, the limma package was used to assess the differentially expressed genes (degs). the 7780 heat responsive degs were identified with the criteria of p-value <0.01 and |log2fold change| > 2 which were further analyzed by bioinformatics tools for gene ontology (go) classification, kegg pathways analysis, protein-protein interaction networks and potential hob genes. for the biological process (bp), the most enriched go terms in heat stress responsive degs were related to the regulation of transcription, oxidation-reduction process and response to abscisic acid. based on the kegg enrichment metabolic pathway, plant hormone signal transduction, biosynthesis of secondary metabolites and glycerophospholipid metabolism pathways were found to be majorly affected under heat stress. among the identified candidate–hub genes with high connectivity in modules, auxin response factor 5/monoptros (arf5/mp), tir1 (transport inhibitor response1) as auxin receptor, arabidopsis histidine kinase 4 (ahk4)/ wol(wooden leg) as cytokinin receptor, sdp1-like (sugar –dependent1 –like) involved in tag degradation, 2-lysophosphatidic acid transferase 2/4 (lpat2/4) involved in tag biosynthesis and pyrroline-5-carboxylate synthetase1/2 (p5cs1/2) involved in proline biosynthesis were introduced as genes playing critical roles in responding to heat stress. function analysis of the hob genes disclosed that the acclimatization responses to heat stress were mainly associated with control of root and shoot apical meristem activity, hypocotyl elongation, vascular tissues development, heat shock protein activation, changes in the membrane lipid composition and cellular redox homeostasis. therefore, breeding strategies must be developed to enhance heat tolerance by manipulating the components involved in these pathways.