شناسایی ژن ‌های کلیدی و mirna های دخیل در تحمل به تنش خشکی در برنج (oryza sativa l.)

مقدمه: گیاهان اغلب در معرض انواع تنش ‌های زیستی و غیرزیستی قرار می‌گیرند. تنش‌های شوری، خشکی و دما از عوامل غیرزیستی هستند که با تاثیر منفی بر ویژگی‌های فیزیولوژیک و بیوشیمیایی گیاهان، سبب کاهش رشد و بهره‌وری محصول می‌شوند. شناسایی صفات کلیدی مرتبط با تنش‌های زیستی و غیرزیستی برای درک پاسخ گیاهان در سطح مولکولی و سلولی اهمیت زیادی دارد. مطالعه ترکیبات mirna در گیاهان زراعی ابزار موثری برای تشخیص زودهنگام تنش‌ها، تغییرات فیزیولوژیک و تنظیم بیان ژن‌ها است. هدف از انجام این مطالعه، شناسایی ژن‌ها و mirna های کلیدی درگیر در تحمل به تنش خشکی و معرفی آن‌ها در راستای به‌نژادی گیاه برنج برای تحمل به تنش خشکی بود.  مواد و روش‌ها: در این مطالعه، داده‌های میکروآرایه دو رقم برنج متحمل (dagad deshi) و حساس (ir20) تحت تنش خشکی از پایگاه داده ncbi با سه تکرار جمع‌آوری و ژن‌های تفرق‌یافته در این دو ژنوتیپ با استفاده از ابزار geo2r شناسایی شدند. ژن‌های با logfc ≥ 3 و logfc ≤ -3 به‌ترتیب به‌عنوان ژن‌های با افزایش و کاهش بیان در نظر گرفته شدند. به‌منظور تعیین ژن‌های مشترک بین ژنوتیپ‌های حساس (ir20) و متحمل (dagad deshi) از ابزار venny استفاده شد و جهت انتخاب ژن‌های کلیدی پاسخ دهنده به تنش خشکی، ژن‌هایی که فقط در ژنوتیپ متحمل بیان شدند، با استفاده از نرم‌افزار cytoscape، پلاگین cytohubba و روش mcc (maximal clique centrality) شناسایی شدند. فرآیندهای زیستی ژن‌های کلیدی و مسیرهای ژن‌هایی که تفرق بیان یافتند، توسط ابزار david بررسی و مسیرهای مهم‌تر با استفاده از تجزیه مسیر به‌کمک پایگاه داده kegg شناسایی شدند. برای شناسایی mirna های تنظیم کننده ژن‌های کلیدی نیز از ابزار psrnatarget نسخه 2017 استفاده شد.یافته‌های تحقیق: تجزیه و تحلیل داده‌های میکروآرایه نشان داد که در شرایط تنش خشکی در رقم متحمل (dagad deshi)، 33 درصد و 26 درصد از ژن‌ها به‌ترتیب افزایش و کاهش بیان معنی‌دار نشان دادند، در حالی‌که در رقم حساس (ir20)، افزایش و کاهش بیان معنی‌دار به‌ترتیب در هفت و شش درصد از ژن‌ها مشاهده شد. همچنین، 766 ژن در هر دو رقم متحمل و حساس، افزایش بیان و 340 ژن کاهش بیان معنی‌داری را نشان دادند. معنی‌دارترین فرآیندهای زیستی، اجزای سلولی و عملکردهای مولکولی در بین ژن‌های افزایش بیان یافته در رقم متحمل به‌ترتیب شامل پاسخ به سالیسیلیک اسید، سیتوپلاسم و فعالیت کربوکسی لیاز و در بین ژن‌های کاهش بیان یافته به‌ترتیب شامل مونومتیلاسیون پپتیدیل لیزین، زیرواحد بزرگ ریبوزومی میتوکندری و فعالیت آسیل coa ردوکتاز با زنجیره بلند تشکیل دهنده الکل بودند. تجزیه و تحلیل غنی‌سازی مسیر kegg نشان داد که ژن‌های افزایش و کاهش بیان یافته در رقم متحمل به‌ترتیب در 18 و 10 مسیر غنی شدند. از بین ژن‌های تغییر بیان یافته، 15 ژن از جمله چندین ژن از خانواده ژنی mcm (minichromosome maintenance complex) به‌عنوان ژن‌های موثر و کلیدی در مسیر تحمل به تنش خشکی در برنج انتخاب شدند. این ژن‌ها شامل mcm5، os05g0358200، mcm4، mcm7، nac037، os11g0128400، cdc6، rpa2a، os12g0124700، mcm3، pola، os07g0406800، mcm6، os05g0160800 و pcna بودند. علاوه بر این، برای ژن‌های موثر در مسیر تحمل به تنش خشکی در برنج، تعداد 247 mirna از جمله osa-mir172c، osa-mir1849، osa-mir2925، osa-mir397a و osa-mir414 نیز شناسایی و معرفی شدند. نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج این مطالعه، تعداد 15 ژن از جمله چندین ژن از خانواده ژنی mcms و همچنین 247 mirna به‌عنوان ژن‌ها و mirna های موثر و کلیدی دخیل در مسیر تحمل به تنش خشکی در برنج شناسایی شدند. از ژن‌ها و mirna های شناسایی شده در این تحقیق می‌توان به‌منظور به‌نژادی و تولید گیاهان متحمل به تنش خشکی در برنج استفاده کرد.

identification of key genes and mirnas involved in drought tolerance in rice (oryza sativa l.)

introduction plants are often exposed to a various biotic and abiotic stresses. salinity, drought, and temperature stresses are abiotic factors that negatively affect on physiological and biochemical characteristics of plants and reduce crop growth and productivity. identifying key characteristics related to biotic and abiotic stresses is important in understanding plant responses at the molecular and cellular levels. studying mirna components in crop plants is an effective tool for early detection of stresses, physiological changes, and regulation of gene expression. the objective of this study was to identify key genes and mirnas involved in drought stress tolerance and introduce them to improve rice plants for drought stress tolerance.materials and methodsin this study, microarray data of two drought-tolerant (dagad deshi) and drought-sensitive (ir20) rice varieties under drought stress were collected in three replications from the ncbi database and differentially expressed genes in these genotypes were identified using the geo2r tool. genes with logfc ≥ 3 and logfc ≤ -3 were considered as genes with increased and decreased expression, respectively. to determine the common genes between the sensitive (ir20) and tolerant (dagad deshi) genotypes, the venny tool was used, and to select key genes responsive to drought stress, genes that were expressed only in the drought-tolerant genotype were identified using the cytoscape software, with the cytohubba plugin and the mcc (maximal clique centrality) method. the biological processes of key genes and differentially expressed gene pathways were assessed by the david tool and the most important pathways were identified using the path analysis by the kegg database. the psrnatarget tool version 2017 was also used to identify mirnas regulating key genes.research findingsmicroarray data analysis revealed that under drought stress conditions, significant up-expressed and down-expressed genes were observed in 33% and 26% of genes in the tolerant cultivar (dagad deshi) and 7% and 6% of genes in the sensitive cultivar (ir20), respectively. also, in both tolerant and sensitive cultivars, 766 and 340 genes exhibited significant increase and decrease in gene expression, respectively. the most significant biological processes, cellular components and molecular functions among the up-expressed genes in the tolerant cultivar (dagad deshi), included response to salicylic acid, cytoplasm and carboxylase activity, respectively, and among the down-expressed genes included monomethylation of peptidyl lysine, large mitochondrial ribosomal subunit and long-chain acyl-coa reductase activity forming alcohol, respectively. kegg pathway enrichment analysis revealed that the up-expressed and down-expressed genes in the tolerant cultivar were enriched in 18 and 10 pathways, respectively. among the altered expression genes, 15 genes including several genes from the mcm (minichromosome maintenance complex) gene family, were selected as key genes involved in the drought stress tolerance pathway in rice. these genes included mcm5, os05g0358200, mcm4, mcm7, nac037, cdc6, os11g0128400, rpa2a, os12g0124700, mcm3, pola, os07g0406800, mcm6, os05g0160800 and pcna genes. finally, 247 mirnas including osa-mir172c, osa-mir1849, osa-mir2925, osa-mir397a and osa-mir414 were identified and introduced for genes involved in the drought stress tolerance pathway in rice.conclusionbased on the results of this study, 15 genes including several genes from the mcms gene family as well as 247 mirnas were identified as key genes and mirnas involved in the drought stress tolerance pathway in rice. the genes and mirnas identified in this study can be used to improve and produce drought-tolerant plants in rice.