Journal of Crop Breeding

fa تاثیر تنش کمبود آهن بر بیان نسبی ژن ‎های ZIP3، ZIP6 و ZIP7 در گندم نان (.Triticum aestivum L) The Effect of Iron Deficiency Stress on the Relative Expression of ZIP3, ZIP6, and ZIP7 Genes in Bread Wheat (Triticum aestivum L.) Cultivars اصلاح براي تنش هاي زنده و غيرزنده محيطي Special پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">چکیده مبسوط مقدمه و هدف: گندم نان (L.Triticum aestivum ) گسترده‌ترین گونه‌ی گندم و یکی از چهار محصول عمده در جهان است که غذای اصلی بیش از 30 درصد مردم جهان را تشکیل می&rlm;دهد. تنش‌های غیرزیستی مهم‌ترین عوامل محیطی محدودکننده تولید محصول و کاهش عملکرد می &rlm;باشند که با تأثیر روی فرآیندهای مورفولوژیکی، فیزیولوژیکی، بیوشیمیایی و مولکولی نقش قابل&lrm;‌توجهی در تعیین پتانسیل عملکرد و تولید گیاهان دارند. از تنش‌های غیرزیستی می‌توان به کمبود عناصر کم&lrm;مصرف در خاک اشاره کرد. عناصر کم‌مصرف متابولیسم مواد‌غذایی در بدن انسان را تنظیم می‌کنند و کمبودشان سلامت انسان را به&lrm;خطر می&rlm; اندازد. آهن و روی از جمله عناصر کم مصرف ضروری برای سلامت انسان هستند و به&lrm;عنوان عوامل کمکی بسیاری از آنزیم&rlm; های حیاتی، در بسیاری از فرآیندهای متابولیک انسان نقش دارند. در گیاهان نیز عنصر آهن بیشترین عنصر موردنیاز در بین تمام عناصر کم‌مصرف می‌باشد. آهن بخشی از گروه کاتالیزوری بسیاری از آنزیم‌های اکسیداسیون و احیا بوده و برای سنتز کلروفیل موردنیاز می‌باشد. برای تسهیل در جذب کافی آهن و برای جلوگیری از جذب بیش از حد، گیاهان یک شبکه متعادلی برای تنظیم جذب، استفاده و ذخیره یون‌ها ایجاد کرده‌اند. در واقع چنین تنظیماتی به ژن‌هایی بستگی دارد که هموستازی یون‌ها را در گیاهان تنظیم می‌کنند. در گندم به&lrm;دلیل وجود ژنوم بزرگ آلو&lrm;&rlm;هگزاپلوئید و چالش‌های فنی در ترانسفورماسیون، تعداد کمی از ژن‌های دخیل در جذب، جابجایی و ذخیره‌سازی آهن و روی از نظر عملکردی مشخص شده‌اند. با توجه به نقش مهم پروتئین‌های ZIP در کارایی ارقام نسبت به جذب آهن، مطالعه بیان ژن‌های مذکور در ارقام گندم نان آهن&rlm;-کارا و آهن&rlm;-ناکارا می‌تواند در اصلاح ارقام آهن-&rlm;کارا در این محصول مؤثر باشد. بنابراین هدف از این تحقیق، مطالعه بیان ژن‌های ZIP3، ZIP6 و ZIP7 در برگ و ریشه دو رقم گندم نان آهن&rlm;-کارا و آهن-ناکارا در مراحل مختلف رشدی تحت تنش کمبود آهن بود. مواد و روش&lrm;ها: این تحقیق به&lrm;صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار در گلخانه تحقیقاتی دانشکده کشاورزی دانشگاه ارومیه اجرا شد. فاکتور اول شامل دو رقم گندم آهن&rlm;-کارا (پیشتاز) و آهن&rlm;-ناکارا (فلات)، فاکتور دوم شامل دو سطح آهن خاک (کمبود و کفایت آهن به&lrm;ترتیب 1/4 و 10 میلی‌گرم در کیلوگرم خاک) و فاکتور سوم شامل دو مرحله نمونه&lrm;برداری (رویشی و زایشی به&lrm;ترتیب یک ماه بعد از کشت و ۳۰ درصد خوشه&lrm;دهی) بود. برای ارزیابی بیان ژن‌ها، نمونه‌برداری در هر مرحله رشدی از ریشه و برگ گیاهان انجام شد. بذور از مؤسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر ایران تهیه و بعد از ضدعفونی با آب اکسیژنه یک درصد، در عمق ۴ سانتی&lrm;متری خاک کاشته شد. آبیاری در طول فصل رشد، با استفاده از آب مقطر در حد ظرفیت زراعی انجام شد. یافته&lrm;ها: نتایج تجزیه واریانس بیان نسبی هر سه ژن مورد مطالعه نشان داد که اثر متقابل رقم × اندام × مرحله نمونه&lrm;برداری در سطح احتمال یک درصد معنی&rlm; دار می&rlm; باشد. براساس نتایج مقایسه میانگین برهمکنش رقم × اندام × مرحله نمونه&lrm;برداری برای ژن ZIP3 بیشترین افزایش بیان نسبی ژن در ریشه رقم آهن&rlm;-کارای پیشتاز در مرحله رویشی مشاهده شد و در مرحله زایشی میزان بیان نسبی این ژن در ریشه رقم آهن-&rlm;ناکارای فلات بیشتر از رقم آهن-کارای پیشتاز بود. ولی در برگ، رقم آهن- ناکارای فلات بیشترین افزایش بیان نسبی در هر دو مرحله زایشی و رویشی را به&lrm;خود اختصاص داد ولی اختلاف میزان بیان ژن در برگ بین دو مرحله نمونه&rlm;برداری از نظر آماری معنی&rlm; دار نبود و کمترین میزان بیان ژن در برگ مربوط به رقم پیشتاز بود. مقایسه میانگین اثر متقابل رقم × اندام × مرحله نمونه &rlm;برداری برای ژن ZIP6 حاکی از افزایش میزان بیان نسبی ژن ZIP6 در ریشه رقم آهن&rlm;-کارای پیشتاز در مرحله رویشی و رقم آهن-&rlm;ناکارای فلات در مرحله زایشی بود. بیشترین میزان افزایش بیان نسبی این ژن در ریشه رقم پیشتاز در مرحله رویشی و ریشه رقم فلات در مرحله زایشی مشاهده شد. نتایج مقایسه میانگین اثر متقابل رقم × اندام × مرحله نمونه&lrm;برداری برای ژن ZIP7 نشان داد که بیشترین میزان بیان نسبی این ژن در ریشه رقم آهن- &rlm;کارای پیشتاز در مرحله رویشی مشاهده شد. همچنین میزان بیان نسبی این ژن در ریشه رقم آهن- کارا در مرحله رویشی به&lrm;طور معنی&rlm; داری بیشتر از مرحله زایشی می &rlm;باشد. در هر دو مرحله رویشی و زایشی در برگ میزان افزایش بیان ژن در رقم آهن&rlm;- ناکارای فلات بیشتر بود.</div> <div style="text-align: justify;">نتیجه&lrm;گیری: با افزایش بیان ژن ZIP3 در شرایط کمبود آهن در مرحله رویشی در ریشه رقم آهن&rlm;- کارا نسبت به برگ احتمال می &rlm;رود نقش اصلی این ژن، در جذب آهن از خاک و انتقال آن به اندام هوایی در اوایل دوره رشدی در شرایط کمبود آهن باشد. ژن ZIP6 در هر دو اندام ریشه و برگ در کل دوران رشدی گیاه بیان می &rlm;شود با این تفاوت که با افزایش سن گیاه، میزان بیان هم بیشتر می&lrm;شود. بنابراین ژن ZIP6 احتمالاً وظیفه جذب و انتقال آهن در اندام &rlm;های مختلف، در کل دوره رشدی گیاه را برعهده دارد و نقش مهمی را در حفظ آهن در شرایط کمبود آن ایفا می&rlm; کند. ژن ZIP7 تحت شرایط کمبود آهن در هر دو اندام برگ و ریشه بیان می &rlm;شود ولی در ریشه در مرحله رویشی در رقم آهن-&rlm; کارا این میزان بیان بیشتر می &rlm;باشد و احتمال می&lrm;رود این ژن در جذب آهن از خاک و انتقال آن به اندام&rlm; های هوایی شرکت دارد. </div> <div style="text-align: justify;">Extended abstract Background: Bread Wheat is the most extensively cultivated wheat and one of the four major crops in the world that constitutes the principal food of more than 30% of the world population. Biotic and abiotic environmental stressors are major factors limiting plant growth and productivity, which play a significant role in determining the yield and production potential of plants by affecting morphological, physiological, biochemical, and molecular processes. Among the abiotic stresses, the deficiency of micronutrients in the soil is important. Micronutrients regulate food metabolism in humans, and their deficiency endangers human health. Iron and zinc are essential micronutrients for human health and cofactors of many vital enzymes involved in many human metabolic processes. In plants, iron is the most required element among all micronutrients. It is a part of the catalytic group of many oxidation and reduction enzymes and is required for chlorophyll synthesis. To facilitate the adequate uptake and prevent excessive absorption of iron, plants have developed a balanced network to regulate the uptake, use, and storage of ions. In fact, such adjustment processes depend on genes that regulate ion homeostasis in plants. Due to the existence of a large allohexaploid genome and technical challenges in wheat transformation, few genes involved in iron and zinc uptake, transfer, and storage have been characterized functionally. Considering the important role of ZIP proteins in iron uptake efficiency, investigating the expression of the ZIP genes in Fe-efficient and -inefficient bread wheat cultivars can be effective in improving Fe-efficient cultivars in this valuable crop. Therefore, this research aimed to evaluate the expression of ZIP3, ZIP6, and ZIP7 genes in the leaves and roots of two Fe-efficient and -inefficient bread wheat cultivars at different growth stages under iron deficiency stress. Methods: This research was carried out in a completely randomized design (CRD) based on a factorial experiment with three replications in the research greenhouse of the Faculty of Agriculture, Urmia University. The first factor was two Fe-efficient (Pishtaz) and -inefficient (Flat) bread wheat cultivars, the second factor was two soil iron levels (iron deficiency and sufficiency, respectively, 1.4 and 10 mg/kg of soil), and the third factor was two sampling stages (vegetative and reproductive, respectively, one month after planting and 30% heading). To evaluate the expression of genes, the roots and leaves of the plants were sampled at each growth stage. The seeds were obtained from the Iranian Seed and Plant Improvement Institute, disinfected with 1% hydrogen peroxide, and planted at a depth of 4 cm in the soil. The plants were irrigated using distilled water to the extent of field capacity during the growing period. Results: The results of variance analysis of the relative expression of all three studied genes showed that the interaction effect of cultivar × organ × sampling stage was significant at the probability level of 1%. The comparison of the means for the cultivar × organ × sampling stage interaction effect revealed the highest ZIP3 expression in the roots of the Fe-efficient cultivar (Pishtaz) in the vegetative and reproductive stages. The relative expression of this gene was higher in the roots of the Fe-inefficient cultivar (Falat) than that of the Fe-efficient cultivar (Pishtaz). However, the Fe-inefficient cultivar (Falat) showed the highest relative expression increase in the leaf in both reproductive and vegetative stages, but the difference in the gene expression level in the leaf between the two growth stages was not statistically significant. The lowest gene expression level in the leaf belonged to the Pishtaz cultivar. The comparison of the means of cultivar × organ × sampling stage for the ZIP6 gene indicated an increase in the relative expression of this gene in the roots of the Fe-efficient (Pishtaz) and -inefficient (Falat) varieties in the vegetative and reproductive stages, respectively. The comparison of the means of cultivar × organ × sampling stage for the ZIP7 gene indicated the highest relative expression of this gene in the roots of the Fe-efficient cultivar (Pishtaz) at the vegetative stage. The relative expression level of this gene in the root of the Fe-efficient variety in the vegetative stage was significantly higher than that in the reproductive stage. In both vegetative and reproductive stages in the leaf, the increase in gene expression was higher in the Fe-inefficient cultivar. Conclusion: The increased ZIP3 expression in iron deficiency conditions in the roots of the Fe-efficient cultivar at the vegetative stage demonstrates the possible role of this gene in Fe uptake from the soil and its transfer to the aerial parts of the plant in the early growth phase. The ZIP6 gene `was expressed in both roots and leaves throughout the entire growth period of the plant. However, the expression level of this gene increased with the age of the plant. Therefore, the ZIP6 gene is probably responsible for Fe uptake and transport to different organs throughout the entire growth period of the plant and plays an important role in preserving iron in iron deficiency conditions. The ZIP7 gene is expressed in both leaves and roots in iron deficiency conditions, but the level of expression is higher in the roots of the Fe-efficient variety during the vegetative stage. This gene may be involved in iron uptake from the soil and its transfer to aerial organs. </div> عناصر کم مصرف, کمبود آهن, گندم نان, واکنش زنجیره‎ای پلیمراز در زمان واقعی Bread wheat, Iron deficiency, Micronutrients, Real-time PCR 52 63 http://jcb.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-378-7&slc_lang=fa&sid=1 Saeed Rezaei Musa Dargh سعید رضایی موسی درق saeedreza318@gmail.com 100319475328460024810 100319475328460024810 No Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران Babak Abdollahi Mandoulakani بابک عبدالهی مندولکانی b.abdollahi@urmia.ac.ir 100319475328460024811 100319475328460024811 Yes Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران Raheleh Ghasemzadeh راحله قاسم زاده r.ghasemzade@urmia.ac.ir 100319475328460024812 100319475328460024812 No Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران