مهدی علوی*1 
، فرشید شریفیان1، حسن جمشیدی1، ناصر فرخی2
، فرشید شریفیان1، حسن جمشیدی1، ناصر فرخی2
1- پژوهشگاه ملی مهندسی ژنتیک و زیست فناوری
2- دانشگاه شهید بهشتی
2- دانشگاه شهید بهشتی
چکیده: (77 مشاهده)
چکیده مبسوط
مقدمه و هدف: گیاه دانه روغنی گلرنگ (Carthamus tinctorius L.) دارای ویژگی‌های زراعی و عملکردی مطلوبی است که آن را به گزینه‌ای مناسب برای اهداف کاربردی مختلف و دستیابی به توسعه پایدار در صنعت غذا، انرژی و دارو تبدیل می‌کند. این گیاه کاربردهای مختلفی از جمله استفاده‌های پزشکی، صنعتی و تغذیه‌ای دارد. کیفیت بالای روغن (بیش از 90 درصد اسیدهای چرب غیراشباع اولئیک و لینولئیک)، تحمل بالا در برابر تنش‌های غیرزیستی (سرما، شوری و خشکی) و دامنه وسیع کشت، همیشه مورد توجه بوده است. آگاهی از اطلس بیانی این گیاه در طول دورهی رشد و نمو، برای بهینه‌سازی و تکامل ویژگی‌های زراعی، بهبود عملکرد، کیفیت محصول و اطمینان از عوامل تغذیه‌ای و سلامتی که امکان تولید یک محصول کاربردی را فراهم می‌کند، بسیار مهم است. کشت و کار این گیاه صنعتی به واسطهی کیفیت مطلوب روغن استحصال شده از بذور آن اخیرا در کشورهای با اکوسیستم گرم و خشک، مورد توجه قرار گرفته است. عوامل محدودکننده در تسریع برنامه‌های اصلاحی گلرنگ، کمبود دانش دقیق در مورد ساختار ژنوم و عملکرد ژن‌ها به منظور بهبود کیفیت و کمیت این گیاه است. بیشتر مطالعات NGS گلرنگ برای بررسی تنوع ژنتیکی و شناسایی نشانگرهای مولکولی در گلرنگ انجام شده است در این مطالعه بررسی عوامل مولکولی دخیل در بیوسنتز اسیدهای چرب و توکوفرول بذرهای گلرنگ، بر پایه دادههای RNA-seq مورد توجه قرار گرفته است.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق رقم گلدشت از میان ارقام بومی و تجاری گلرنگ موجود در کشور انتخاب شد. این رقم دارای ویژگی‌های برجسته‌ای از جمله تحمل بالا به شوری و خشکی، گل‌های قرمز، عدم وجود خار، ارتفاع متوسط و قوزههای بزرگ است. بذور در سال زراعی 97-98 و در مزرعه تحقیقاتی پژوهشگاه ملی مهندسی ژنتیک و زیست فناوری کشت شدند. نمونه‌گیری با نظارت روزانه در خصوص رشد گیاه و پس از آغاز رشد زایشی از بافت بذر انجام شد. نمونه‌ها از مراحل نمو بذر شامل تشکیل بذر (14 روز پس از شروع گلدهی)، پر شدن بذر (28 روز پس از شروع گلدهی) و رسیدن فیزیولوژیک (35 روز پس از شروع گلدهی) برای بررسی ازنو اطلس ترانسکریپتوم نمو بذر گلرنگ جمع‌آوری شدند. هر نمونه شامل 5 زیر تکرار و 2 تکرار بود. RNA کل از نمونه‌ها با استفاده از روش تغییر یافته ترایزول استخراج شد. در این مطالعه از پلتفرم BGISEQ-500برای توالییابی استفاده شد وخوانش‌هایی با طول 100 جفت باز برای هر کتابخانه به صورت pair-end تولید کرد. برای ارزیابی کیفیت و پاکسازی خوانش‌های خام هر کتابخانه، به ترتیب از نرم‌افزارهای FastQC و Trimmomatic استفاده شد. برای سرهم‌بندی خوانش‌های فیلتر شده همه نمونه‌ها از نرم افزار Trinity استفاده شد. ترانسکریپت‌های با بیان متمایز (DETs) و خوشه‌بندی آنها با استفاده از بسته DESeq2 در R به دست آمد. حاشیه نویسی عملکردی با استفاده از Trinotate و غنی‌سازی ژن با استفاده از بسته goseq در R و شناسایی مسیرهای بیوشیمیایی با استفاده از پایگاه داده KEGG انجام شد.
یافته‌ها: در نتیجه توالییابی به طور متوسط از هر کتابخانه بالغ بر 71 میلیون خوانش به دست آمد. در نتیجه سرهم‌بندی از نو و ایجاد ترانسکریپتوم مرجع، نرخ همردیفی دادههای خام برعلیه فایل نهایی سرهم‌بندی شده 97.29 درصد بود. پس از غربالگری دادهها، تعداد 86،585 ترانسکریپت در قالب 68،809 ژن دسته‌بندی شدند. در مجموع تعداد 16،755 ترانسکریپت با بیان افتراقی شناسایی گردید. بیشترین میزان ترانسکریپت‌های شناسایی شده با بیان افتراقی در مقایسات دوتایی و در طول مراحل نمو بذرمربوط به فاز گذر از مرحلهی پر شدن بذر (seed filling) به مرحلهی بلوغ بذر (seed maturation) با 10،198 ترانسکریپت بود. بر اساس نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل دادههای اطلس ترانسکریپتوم بذر، سه الگوی اصلی بیان ژن مشهود بود. بیشتر ژن‌ها در 14 روز پس از گلدهی (DAF) به اوج رسیدند که هم‌زمان با افزایش سریع محتوای روغن در طول توسعه بذر بود. ژن‌هایی که در 14 و 28 روز پس از گلدهی بیان بالایی داشتند، با تشکیل متابولیت‌ها و مراحل اولیه سنتز روغن، از جمله تشکیل پیرووات و استیل-CoA مرتبط بودند. همچنین ژن‌های مرتبط با ذخیره‌سازی پروتئین در 35 روز پس از گلدهی به اوج خود رسیدند. ژن‌ها با استفاده از پنج پایگاه داده عمومی (NR، COG، Swiss-Prot، KEGG و GO) شناسایی شدند. در پایگاه داده KEGG، همه ژن‌های شناسایی شده در 398 مسیر زیستی و هشت دسته عملکردی طبقه‌بندی شدند که بیوسنتز اسید چرب و توکوفرول با سنتز متابولیت‌های لیپید و یوبی‌کینون در طول رشد و توسعه بذر گلرنگ مرتبط بودند.
نتیجه‌گیری: پروفایل بیان ژن‌های درگیر در بیوسنتز اسیدچرب غیر اشباع، نشان از تمرکز بیان آنها در مرحله اول نمو بذر داشت. همچنین این میزان بیان در مرحله بلوغ در کمترین میزان خود قرار داشت. بررسی پروفایل بیانی ژن‌های درگیر در مسیر متابولیکی بیوسنتز توکوفرول نشان از تمرکز بروز این ژن‌ها در مراحل میانی و پایانی نمو بذر داشت که نشان‌دهنده رابطه زمانی واضح بین تجمع روغن و تغییرات فیزیولوژیکی در دانه‌های گلرنگ است. این مطالعه نشان داد که اوج بیان ژن‌های مرتبط با بیوسنتز اسیدهای چرب زودتر از توسعه دانه‌ها رخ می‌دهد. همچنین، تجمع روغن قبل از تجمع پروتئین‌ها در دانه‌های گلرنگ آغاز می‌شود. شناسایی عوامل مولکولی دخیل در بهبود عملکرد گیاه و تبیین ارتباط بین آنها با یکدیگر و همچنین محیط، می تواند ابزار ارزشمندی برای مدیریت بهتر زراعی و فعالیتهای اصلاحی در اختیار اصلاحگران باشد.
مقدمه و هدف: گیاه دانه روغنی گلرنگ (Carthamus tinctorius L.) دارای ویژگی‌های زراعی و عملکردی مطلوبی است که آن را به گزینه‌ای مناسب برای اهداف کاربردی مختلف و دستیابی به توسعه پایدار در صنعت غذا، انرژی و دارو تبدیل می‌کند. این گیاه کاربردهای مختلفی از جمله استفاده‌های پزشکی، صنعتی و تغذیه‌ای دارد. کیفیت بالای روغن (بیش از 90 درصد اسیدهای چرب غیراشباع اولئیک و لینولئیک)، تحمل بالا در برابر تنش‌های غیرزیستی (سرما، شوری و خشکی) و دامنه وسیع کشت، همیشه مورد توجه بوده است. آگاهی از اطلس بیانی این گیاه در طول دورهی رشد و نمو، برای بهینه‌سازی و تکامل ویژگی‌های زراعی، بهبود عملکرد، کیفیت محصول و اطمینان از عوامل تغذیه‌ای و سلامتی که امکان تولید یک محصول کاربردی را فراهم می‌کند، بسیار مهم است. کشت و کار این گیاه صنعتی به واسطهی کیفیت مطلوب روغن استحصال شده از بذور آن اخیرا در کشورهای با اکوسیستم گرم و خشک، مورد توجه قرار گرفته است. عوامل محدودکننده در تسریع برنامه‌های اصلاحی گلرنگ، کمبود دانش دقیق در مورد ساختار ژنوم و عملکرد ژن‌ها به منظور بهبود کیفیت و کمیت این گیاه است. بیشتر مطالعات NGS گلرنگ برای بررسی تنوع ژنتیکی و شناسایی نشانگرهای مولکولی در گلرنگ انجام شده است در این مطالعه بررسی عوامل مولکولی دخیل در بیوسنتز اسیدهای چرب و توکوفرول بذرهای گلرنگ، بر پایه دادههای RNA-seq مورد توجه قرار گرفته است.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق رقم گلدشت از میان ارقام بومی و تجاری گلرنگ موجود در کشور انتخاب شد. این رقم دارای ویژگی‌های برجسته‌ای از جمله تحمل بالا به شوری و خشکی، گل‌های قرمز، عدم وجود خار، ارتفاع متوسط و قوزههای بزرگ است. بذور در سال زراعی 97-98 و در مزرعه تحقیقاتی پژوهشگاه ملی مهندسی ژنتیک و زیست فناوری کشت شدند. نمونه‌گیری با نظارت روزانه در خصوص رشد گیاه و پس از آغاز رشد زایشی از بافت بذر انجام شد. نمونه‌ها از مراحل نمو بذر شامل تشکیل بذر (14 روز پس از شروع گلدهی)، پر شدن بذر (28 روز پس از شروع گلدهی) و رسیدن فیزیولوژیک (35 روز پس از شروع گلدهی) برای بررسی ازنو اطلس ترانسکریپتوم نمو بذر گلرنگ جمع‌آوری شدند. هر نمونه شامل 5 زیر تکرار و 2 تکرار بود. RNA کل از نمونه‌ها با استفاده از روش تغییر یافته ترایزول استخراج شد. در این مطالعه از پلتفرم BGISEQ-500برای توالییابی استفاده شد وخوانش‌هایی با طول 100 جفت باز برای هر کتابخانه به صورت pair-end تولید کرد. برای ارزیابی کیفیت و پاکسازی خوانش‌های خام هر کتابخانه، به ترتیب از نرم‌افزارهای FastQC و Trimmomatic استفاده شد. برای سرهم‌بندی خوانش‌های فیلتر شده همه نمونه‌ها از نرم افزار Trinity استفاده شد. ترانسکریپت‌های با بیان متمایز (DETs) و خوشه‌بندی آنها با استفاده از بسته DESeq2 در R به دست آمد. حاشیه نویسی عملکردی با استفاده از Trinotate و غنی‌سازی ژن با استفاده از بسته goseq در R و شناسایی مسیرهای بیوشیمیایی با استفاده از پایگاه داده KEGG انجام شد.
یافته‌ها: در نتیجه توالییابی به طور متوسط از هر کتابخانه بالغ بر 71 میلیون خوانش به دست آمد. در نتیجه سرهم‌بندی از نو و ایجاد ترانسکریپتوم مرجع، نرخ همردیفی دادههای خام برعلیه فایل نهایی سرهم‌بندی شده 97.29 درصد بود. پس از غربالگری دادهها، تعداد 86،585 ترانسکریپت در قالب 68،809 ژن دسته‌بندی شدند. در مجموع تعداد 16،755 ترانسکریپت با بیان افتراقی شناسایی گردید. بیشترین میزان ترانسکریپت‌های شناسایی شده با بیان افتراقی در مقایسات دوتایی و در طول مراحل نمو بذرمربوط به فاز گذر از مرحلهی پر شدن بذر (seed filling) به مرحلهی بلوغ بذر (seed maturation) با 10،198 ترانسکریپت بود. بر اساس نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل دادههای اطلس ترانسکریپتوم بذر، سه الگوی اصلی بیان ژن مشهود بود. بیشتر ژن‌ها در 14 روز پس از گلدهی (DAF) به اوج رسیدند که هم‌زمان با افزایش سریع محتوای روغن در طول توسعه بذر بود. ژن‌هایی که در 14 و 28 روز پس از گلدهی بیان بالایی داشتند، با تشکیل متابولیت‌ها و مراحل اولیه سنتز روغن، از جمله تشکیل پیرووات و استیل-CoA مرتبط بودند. همچنین ژن‌های مرتبط با ذخیره‌سازی پروتئین در 35 روز پس از گلدهی به اوج خود رسیدند. ژن‌ها با استفاده از پنج پایگاه داده عمومی (NR، COG، Swiss-Prot، KEGG و GO) شناسایی شدند. در پایگاه داده KEGG، همه ژن‌های شناسایی شده در 398 مسیر زیستی و هشت دسته عملکردی طبقه‌بندی شدند که بیوسنتز اسید چرب و توکوفرول با سنتز متابولیت‌های لیپید و یوبی‌کینون در طول رشد و توسعه بذر گلرنگ مرتبط بودند.
نتیجه‌گیری: پروفایل بیان ژن‌های درگیر در بیوسنتز اسیدچرب غیر اشباع، نشان از تمرکز بیان آنها در مرحله اول نمو بذر داشت. همچنین این میزان بیان در مرحله بلوغ در کمترین میزان خود قرار داشت. بررسی پروفایل بیانی ژن‌های درگیر در مسیر متابولیکی بیوسنتز توکوفرول نشان از تمرکز بروز این ژن‌ها در مراحل میانی و پایانی نمو بذر داشت که نشان‌دهنده رابطه زمانی واضح بین تجمع روغن و تغییرات فیزیولوژیکی در دانه‌های گلرنگ است. این مطالعه نشان داد که اوج بیان ژن‌های مرتبط با بیوسنتز اسیدهای چرب زودتر از توسعه دانه‌ها رخ می‌دهد. همچنین، تجمع روغن قبل از تجمع پروتئین‌ها در دانه‌های گلرنگ آغاز می‌شود. شناسایی عوامل مولکولی دخیل در بهبود عملکرد گیاه و تبیین ارتباط بین آنها با یکدیگر و همچنین محیط، می تواند ابزار ارزشمندی برای مدیریت بهتر زراعی و فعالیتهای اصلاحی در اختیار اصلاحگران باشد.
ارسال پیام به نویسنده مسئول
| بازنشر اطلاعات | |
 |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است. |