شناسایی و توالی‌یابی ژن‌های دیفنسین در گیاه جو (.hordeum vulgare l): بررسی بیوانفورماتیکی و تغییرات بیان در پاسخ به تنش‌های زیستی و غیرزیستی

در طول تکامل، گیاهان مکانیسم های متنوعی را برای مقابله با تنش های محیطی توسعه داده اند که یکی از آنها تولید پیتیدهای ضد میکروییمانند دیفنسینها است. دیفنسین های گیاهی یکی از گروه های مهم بینیدهای ضد میکروبی گیاهی به شمار می روند و نقش حیاتی در سامانهدفاعی گیاه ایفا می کنند. جو (hordeum vulgare l) به دلیل اهمیت کشاورزی و مقاومت نسبی در برابر شرایط نامساعد، گزینه ای مناسب برای شناسایی ژنهای دیفنسین محسوب می شود. مطالعه حاضر با هدف شناسایی و بررسی ویژگی های اعضای خانواده ژنی دیفنسین درگیاه جو انجام شد. در این مطالعه 13 ژن دیفنسین در ژئوم جو شناسایی شدند. نتایج نشان داد که تا تمامی ژنهای شناسایی شده دارای یک اینترون و دو اگزون در ساختار ژنومی خود هستند. تحلیل توالی های پروتئینی دیفسین ها نشان دهنده وجود پیتید سیگنال با طول 21 تا 35اسید آمینه بود که به تجمع خارج سلولی آنها اشاره دارد. بررسی نواحی عملکردی نشان داد که تمامی دیفنسین های شناسایی شده در جو، دارای دمین عملکردی محافظت شده knot1 هستند. همچنین وجود 4 پیوند دی سولفیدی در تمامی دیفنسین ها مشاهده شد که در تشکیل ساختارهای آلفا-هلیکسی و رشته های بتا نقش دارند. بررسی تغییرات پساترجمه ای نشان دهنده حضور جایگاه های احتمالی فسفریلاسیون و گلیکوزیلاسیون بود. تحلیل ویژگی های فیزیکوشیمیایی نشان داد که وزن مولکولی دیفنسین ها ها بین 7 تا 9 کیلو دالتون، نقطه ایزو الکتریک بین 7/28 تا 10، شاخص ناپایداری بیش از ٤٠، شاخص gravy بین ٠/٤٣ تا 0/073- و شاخص الیفاتیک بین 33/82 تا 58/09 متغیراست. پیش بینی ویژگی های ضد میکروبی نشان داد که تمامی دیفنسین های شناسایی شده دارای توان بالقوه ضد میکروبی هستند. تحلیل فیلوژنتیکی دیفنسین های شناسایی شده رادر گروه های مجزا طبقه بندی نمود. تحلیل عناصر تنظیمی cis در نواحی پروموتری دیفنسین هاحضور عناصر پاسخ دهنده به هورمون ها، تنش های زیستی و غیر زیستی و همچنین نور را نشان داد. تحلیل بیان ژن های شناسایی شده نیزنشان داد که این ژنها دارای دارای الگوهای بیانی متفاوتی در بافت های مختلف و در پاسخ به تنش های مختلف هستند. مطالعه حاضر منجر به شناسایی و تحلیل ژنهای دیفنسین در ژنوم گیاه جو شد. نتایج این پژوهش می تواند پایه ای برای تحقیقات آینده با هدف بهبود مقاومت جووسایر گیاهان زراعی فراهم آورد و همچنین در توسعه راهکارهای مهندسی ژنتیک برای افزایش مقاومت گیاه به تنش های زیستی وغیر زیستی موثر واقع شود

identification and sequencing of defensin genes in barley (hordeum vulgare l.): bioinformatics analysis and expression changes in response to biotic and abiotic stresses

introduction during evolution, plants have developed diverse mechanisms to cope with biotic and abiotic stresses, one of which is the production and secretion of antimicrobial peptides such as defensins. plant defensins are short, cysteine-rich and highly stable peptides that have four disulfide bonds in their structures. defensins, are important group of plant antimicrobial peptides and play vital role in the plant defense system. barley (hordeum vulgare l.) due to its importance in agriculture and relative resistance to adverse conditions is a suitable candidate for identifying defensin genes. in the present study, members of the barley defensin gene family were identified and sequenced using bioinformatics and laboratory methods. materials and methods to identify the defensin gene family, the protein sequences of plant defensins were obtained from the protein repository of ncbi database and aligned against the barley genome using the tblastn tool. specific primers were designed based on the identified defensin sequences using allele id 6.0 software. oligonucleotide primers were synthesized by metabion (metabion gmbh, germany) using solid-phase phosphamidiate chemistry and purified by high-pressure liquid chromatography (hplc). genomic dna was extracted from powdered leaf samples using ctab method. pcr reaction was performed to amplify gene fragments using the extracted dna as a template. pcr results were purified from agarose gel and sequenced by bioneer (bioneer, south korea). sequencing results were analyzed using bioinformatics tools. conserved functional domains were identified using three different tools (cdd, pfam and interproscan). the signal peptide and subcellular localization of defensins were predicted using online tools (signalp 6.0 and cello2go). physicochemical properties of defensin proteins were predicted using the protparam tool. protein structures were determined using phyre2 software. exon-intron boundaries were identified using gene structure display server. analysis of cis-elements was performed using plantcare database. phylogenetic analysis was performed using mega x software. evaluation of potential antimicrobial activity was performed using camp (collection of anti-microbial peptides) antimicrobial peptide database. analysis of defensin gene expression in different tissues and in biotic and abiotic stresses was performed using transcriptomic data. results and discussion in the present study, we identified 13 defensin genes in barley genome. the results showed that all identified defensin genes contain one intron and two exons in their genomic structure. protein sequences analysis of defensins revealed the presence of signal peptides ranging from 21 to 35 amino acids, indicating their extracellular localization. functional domain analysis showed that all identified barley defensins contained the conserved functional knot1 domain. furthermore, all identified defensins contained 4 disulfide bonds, contributing to alpha helices and beta strands. the study of post-translational modifications in defensin proteins showed the presence of possible phosphorylation and glycosylation residues. physicochemical analysis of defensin peptides revealed that identified defensins molecular weight ranged from 7 to 9 kda, isoelectric point ranged from 7.28 to 10, instability index above 40, gravy value ranged from -0.073 to 0.43, and aliphatic index ranged from 58.09 to 33.82. the prediction of antimicrobial properties of the identified defensins predicted the presence of potential antimicrobial properties in all these peptides. phylogenetic analysis classified the identified barley defensins into distinct groups. analysis of cis-regulatory elements in defensine promoter regions revealed the presence of hormone-responsive elements, as well as elements associated with responses to biotic and abiotic stresses, and light. the expression analysis of identified defensin genes showed that these genes have different expression pattern in the barley tissues and in response to biotic and abiotic stresses. conclusion the present study identified and analyzed defensin genes in barley genome and showed that these genes, with similar structure and function to other plant antimicrobial peptides, play an important role in plant defense against biotic and abiotic stresses. the findings of this study indicate that defensin genes, are secreted peptides, enhancing plant defense mechanisms by interacting with microbial membranes. defensins are particularly activated under severe stress conditions, such as pathogen attack, and contribute to enhancing plant resistance to adverse environmental stresses. the findings of present study provide a foundation for future research aimed at improving barley and other crop plants resilience. plus, these results may contribute to the development of genetic engineering strategies to enhance plant resistance to both biotic and abiotic stresses.