Journal of Crop Breeding

fa نقش ریزRNAها در سازگاری به تنش‎ های غیرزیستی در گیاهان The Role of miRNA in Plant Adaptation to Abiotic Stress اصلاح براي تنش هاي زنده و غيرزنده محيطي Special پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">چکیده مبسوط امنیت غذایی جهانی به&lrm;دلیل تغییرات سریع آب و هوا به یک نگرانی فوری تبدیل شده است. گیاهان پایه و اساس زنجیره غذایی هستند و دائماً تحت فشارهای محیطی مانند خشکی، شوری و دماهای زیاد و کم قرار دارند. این عوامل تنش&lrm;زا رشد و بهره&lrm;وری گیاهان را تهدید می&lrm;کند و منجر به خطر افتادن منابع غذایی جهانی می&lrm;شود. گیاهان می‌توانند محرک‌های محیطی را حس کنند و مکانیسم‌های دفاعی را از طریق شبکه‌های تنظیمی مختلف، از جمله ریزRNA‌ها، برای مبارزه با عوامل تنش&lrm;زای غیر زنده فعال کنند. این تغییرات باعث ایجاد تعداد زیادی از پاسخ&lrm;های دفاعی، از جمله استفاده از ریزRNA&lrm;ها برای محافظت از خود در برابر آسیب&lrm;ها می&lrm;شود. ریزRNA&lrm;ها (MicroRNAs) برای اولین بار کمتر از دو دهه پیش در گیاهان شناسایی شدند و از آن زمان به&lrm;عنوان کنترل کننده&lrm;های حیاتی فرآیندهای مختلف رشد شناخته شده&lrm;اند. این فرآیندها شامل مورفوژنز برگ (تشکیل برگ&lrm;ها)، تغییر فاز رویشی (گذر از رشد رویشی به گلدهی)، زمان گلدهی و توانایی پاسخگویی به سیگنال&lrm;های محیطی است. ریزRNA&lrm;ها که به&lrm;عنوان یکی از مهم‌ترین مولکول&lrm;های RNA شناخته می&lrm;شوند، با تعدیل عملکرد ژن از طریق مکانیسم&lrm;های پس از رونویسی و ترجمه نقشی محوری دارند. RNA تداخلگر (RNAi) گروهی متشکل از 18 تا 25 RNA توالی نوکلئوتیدی خاص است که به&lrm;وفور در ژنوم گیاهان یافت می&lrm;شود. این RNA&lrm;ها نقش مهمی در فرآیندهای مختلف از جمله رشد و نمو گیاه، رفتار سلولی، فعالیت&lrm;های بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی، دفاع در برابر تهدیدات ژنوم و تحمل به تنش&lrm;های غیر زنده ایفا می&lrm;کنند. علی&lrm;رغم اندازه کوچکشان، قدرت زیادی در تنظیم شبکه&lrm;های بیان ژن دارند. miRNA&lrm;ها بیان طیف وسیعی از ژن&lrm;ها را در سطوح رونویسی (متیلاسیون DNA)، پس از رونویسی و ترجمه به&lrm;طور منفی تنظیم می&lrm;کنند. آنها به&lrm;عنوان تنظیم کننده&lrm;های پس از رونویسی عمل می&lrm;کنند و به توالی&lrm;های خاصی روی مولکول&lrm;های RNA پیام&lrm;رسان (mRNA) متصل می&lrm;شوند. این اتصال mRNA هدف را می&lrm;شکند و به&lrm;طور موثر، ژنی را که کدگذاری می&lrm;کند خاموش می&lrm;کند یا از ترجمه آن به پروتئین جلوگیری می&lrm;کند. RNA&lrm;های تداخلی کوتاه (siRNA) از پردازش RNA&lrm;های بلند دو رشته&lrm;ای (dsRNAs) به&lrm;دست می&lrm;آیند. سپس، یک رشته راهنمای خاص انتخاب شده و در کمپلکس خاموش‌کننده القا شده (RISC) ادغام می‌شود. هنگامی&lrm;که این کمپلکس در داخل RISC قرار می&lrm;گیرد، یکی از اعضای خانواده پروتئینArgonaute  (AGO) با رشته راهنما متصل می&lrm;شود و RISC را به&lrm;سمت RNA&lrm;های هدف با مکمل توالی کامل هدایت می&lrm;کند. این تعامل منجر به برش دقیق RNA&lrm;های هدف توسط پروتئین Argonaute می&lrm;شود. این فرآیند که به&lrm;عنوان تداخلRNA  (RNAi) شناخته می&lrm;شود، نقش اساسی در تنظیم ژن و پاسخ&lrm;های دفاعی در گیاهان دارد. گیاهان از یک سیستم تنظیمی پیچیده به&lrm;نام خاموشی ژن استفاده می&lrm;کنند که بیان ژن را با غیرفعال کردن ژن&lrm;های خاص کنترل می&lrm;کند. دو مکانیسم کلیدی در این سیستم شامل خاموش کردن ژن پس از رونویسی (PTGS) است که با هدف قرار دادن مولکول‌های RNA ژن‌ها را غیرفعال می‌کند و دیگری خاموش کردن ژن رونویسی (TGS) که از تولید RNA از الگوی DNA جلوگیری می‌کند. miRNA&lrm;ها می&lrm;توانند با ترویج تخریب رونوشت&lrm;های خاص mRNA و TGS با به&lrm;کارگیری متیلاسیون DNA برای ژن&lrm;های هدف، بر PTGS تأثیر بگذارند. PTGS در سیتوپلاسم عمل می&lrm;کند و مولکول&lrm;های RNA پیام&lrm;رسان (mRNA) را هدف قرار می&lrm;دهد. PTGS می&lrm;تواند توسط dsRNA&lrm;ها یا miRNA&lrm;ها تحریک شود. این dsRNA&lrm;ها می&lrm;توانند از عفونت ویروسی، درج ترانس&lrm;ژن و تکرارهای معکوس در ژن&lrm;های گیاهی منشاء بگیرند. Dicer، یک کمپلکس آنزیمی RNase III است که dsRNA&lrm;های مربوطه را شناسایی کرده و به RNA&lrm;های مداخله&lrm;گر کوچک (siRNA) برای تداخلRNA (RNAi)  می&lrm;شکافد. سپس siRNA&lrm;ها یک کمپلکس پروتئینی به&lrm;نام کمپلکس خاموش کننده القاییRNA (RISC) را به&lrm;سمت توالی&lrm;&lrm;های mRNA مکمل هدایت می&lrm;کنند. RISC، mRNA&lrm;های هدف را می&lrm;شکافد، آنها را خاموش می&lrm;کند و از ترجمه آنها به پروتئین&lrm;ها جلوگیری می&lrm;کند. TGS با اصلاح DNA در هسته عمل می‌کند، آن را برای رونویسی کمتر در دسترس قرار می‌دهد و در نتیجه از تولید mRNA جلوگیری می‌کند. TGS به مکانیسم&lrm;هایی مانند متیلاسیون DNA و تغییرات هیستون برای خاموش کردن بیان ژن در هسته متکی است. این تغییرات یک محیط کروماتین سرکوب کننده ایجاد می&lrm;کند که مانع از دسترسی و رونویسی RNA پلیمراز به DNA می&lrm;شود. در حالی&lrm;که نقش اصلی miRNA&lrm;ها در PTGS کاملاً شناسایی نشده است، برخی مطالعات نشان می&lrm;دهد که ممکن است بر TGS نیز تأثیر بگذارند. برخی از miRNA&lrm;ها می&lrm;توانند با پروتئین&lrm;های دخیل در متیلاسیون DNA یا بازسازی کروماتین تعامل داشته باشند که به&lrm;طور غیرمستقیم منجر به خاموش شدن رونویسی می&lrm;شود. تعامل بین PTGS و TGS پیچیده است. در حالی&lrm;که دارای مسیرهای متمایزی هستند، می&lrm;توانند به&lrm;هم مرتبط باشند. در برخی موارد، PTGS ممکن است از طریق مکانیسم‌هایی بر TGS تأثیر بگذارد. mRNA&lrm;های تخریب شده از PTGS ممکن است به&lrm;عنوان سیگنال&lrm;هایی عمل کنند که متیلاسیون DNA را به توالی&lrm;های DNA همولوگ هدایت می&lrm;کنند و به&lrm;طور بالقوه منجر به خاموش شدن رونویسی طولانی&lrm;مدت می&lrm;شوند. برعکس، خاموش کردن ژن با واسطه TGS می&lrm;تواند از تشکیل dsRNA&lrm;ها یا رونوشت&lrm;های نابجا که باعث تحریک PTGS می&lrm;شود، جلوگیری کند. miRNAها با هدف قرار دادنmRNA های خاص و تنظیم دقیق تولید پروتئین&lrm;های ضروری برای تحمل تنش&lrm;های محیطی، به&lrm;عنوان سوئیچ&lrm;های مولکولی عمل می&lrm;کنند. این کنترل دقیق به گیاهان اجازه می&lrm;دهد تا با یک محیط پویا سازگار شوند و بیان ژن خود را برای مقابله با چالش&lrm;های خاصی که با آن روبرو هستند تنظیم کنند. miRNAهای گیاهی به&lrm;عنوان واسطه&lrm;ای برای خاموش کردن یا برش مستقیمmRNA های هدف عمل می&lrm;کنند. در حالی&lrm;که برخی ازmiRNA ها کاملاً با اهداف mRNA خود مطابقت دارند، برخی دیگر می&lrm;توانند با برخی عدم تطابق عمل کنند. خانواده‌های miRNA بر اساس نقاط حفاظت‌شده و تغییرات در طول پردازش به miRNA‌های حفاظت‌شده و غیر حفاظت‌شده گروه‌بندی ‌شوند. هر گروه از اینmiRNA ها اهداف خاص خود را دارند. امروزه خاموشی RNA ناشی از مولکول&lrm;های RNA دو رشته&lrm;ای (dsRNA) به ابزاری استاندارد و سودمند در مطالعات فعالیت ژن&lrm;ها تبدیل شده است. تاکنون مطالعاتی در زمینه مهندسی ژنتیک برای دست&lrm;ورزی ریزRNA در گیاهان به&lrm;منظور افزایش تحمل به تنش&lrm;های زیستی و غیرزیستی انجام گرفته است، در حالی&lrm;که در زمینه شبکه&lrm;های عملکردی و نظارتی آنها اطلاعات اندکی موجود است. آگاهی از نقش نظارتی این گروه از RNAها، راه&lrm;های جدیدی برای مطالعات کاربردی در زمینه&lrm;های ژنومی، مقاومت در برابر بیماری&lrm;های گیاهی، تحمل به تنش&lrm;های غیرزیستی نظیر خشکی، شوری، گرما و سرما، بهبود کیفیت محصول و افزایش تولید مواد غذایی ارائه خواهد نمود. هدف از این مطالعه، تجزیه و تحلیل دانش فعلی در رابطه با ریزRNAهای گیاهی و نقش آنها در تحمل به تنش&lrm;های غیر زیستی گیاهان زراعی است.  </div> <div style="text-align: justify;">Extended Abstract Global food security has become an urgent concern due to rapid climate change. Plants, the foundation of the food chain, are constantly under environmental pressures such as drought, salinity, and extreme and low temperatures. These stressors threaten plant growth and productivity, jeopardizing global food supplies. Plants can sense environmental stimuli and activate defense mechanisms through various regulatory networks, including small RNAs, to combat abiotic stressors. These changes trigger a cascade of defense responses, including the utilization of small RNAs, to protect themselves from damage. MicroRNAs (miRNAs) were first identified in plants less than two decades ago and have since been recognized as crucial controllers of various developmental processes. These processes include leaf morphogenesis (the formation of leaves), vegetative phase change (the transition from vegetative growth to flowering), flowering time, and the ability to respond to environmental signals. miRNAs, recognized as one of the most crucial RNA molecules, play a pivotal role by modulating gene function through post-transcriptional and translational mechanisms. RNA interference is a group of 18-25 nucleotide sequence-specific RNAs that are found abundantly in plant genomes. These RNAs play an important role in various processes, including plant growth and development, cell behavior, biochemical and physiological activities, defense against threats to the genome, and tolerance to abiotic stresses. Despite their small size, they wield immense power in regulating gene expression networks. miRNAs negatively regulate the expression of a wide range of genes at the transcription levels (DNA methylation), post-transcription, and translation. They act as post-transcriptional regulators, binding to specific sequences on messenger RNA (mRNA) molecules. This binding cleaves the target mRNA, effectively silencing the gene it encodes, or inhibits its translation into protein. Short interfering RNAs (siRNAs) are derived from the processing of long double-stranded RNAs (dsRNAs). Then, a specific guide strand is chosen and integrated into the RNA-induced silencing complex (RISC). Once this complex is inside RISC, a member of the Argonaute (AGO) protein family binds with the guide strand, directing RISC to target RNAs with complete sequence complementarity. This interaction leads to the precise cleavage of the target RNAs by the Argonaute protein. This process, known as RNA interference (RNAi), plays a fundamental role in gene regulation and defense responses in plants. Plants employ a sophisticated regulatory system called gene silencing, which controls gene expression by inactivating specific genes. Two key mechanisms in this system are post-transcriptional gene silencing (PTGS), which inactivates genes by targeting RNA molecules, and transcriptional gene silencing (TGS), which prevents RNA production from the DNA template. miRNAs can influence PTGS by promoting the degradation of specific mRNA transcripts and TGS by recruiting DNA methylation machinery to target genes. PTGS acts in the cytoplasm, targeting messenger RNA (mRNA) molecules. PTGS can be triggered by dsRNAs or miRNAs. These dsRNAs can originate from viral infection, transgene insertion, and inverted repeats within plant genes. Dicer, an RNase III enzyme complex, recognizes and cleaves relevant dsRNAs into small interfering RNAs (siRNAs) for RNA interference (RNAi). The siRNAs then guide a protein complex called RISC (RNA-induced silencing complex) to complementary mRNA sequences. RISC cleaves the targeted mRNAs, silencing them and preventing their translation into proteins. Similar to siRNAs, miRNAs can also regulate gene expression in PTGS by targeting mRNA molecules, although they often function through imperfect base pairing. TGS operates by modifying DNA in the nucleus, making it less accessible for transcription and thereby preventing mRNA production. TGS relies on mechanisms such as DNA methylation and histone modifications to silence gene expression in the nucleus. These modifications create a repressive chromatin environment that hinders RNA polymerase from accessing and transcribing the DNA. While the primary role of miRNAs lies in PTGS, some studies suggest that they might also influence TGS. Some miRNAs could interact with proteins involved in DNA methylation or chromatin remodeling, indirectly leading to transcriptional silencing. The interplay between PTGS and TGS is intricate. While they are distinct pathways, they can be interconnected. In some instances, PTGS might influence TGS through mechanisms. Degraded mRNAs from PTGS might serve as signals that guide DNA methylation machinery to homologous DNA sequences, potentially leading to long-term transcriptional silencing. Conversely, TGS-mediated gene silencing could prevent the formation of dsRNAs or aberrant transcripts that trigger PTGS. miRNAs act as molecular switches by strategically targeting specific mRNAs and fine-tuning the production of proteins essential for environmental stress tolerance. This precise control allows plants to adapt to a dynamic environment, tailoring their gene expression to meet the specific challenges they face. Plant miRNAs act as mediators for silencing or direct cleavage of target mRNAs. While some miRNAs perfectly match their mRNA targets, others can function with some mismatches. miRNA families are grouped into conserved and non-conserved miRNAs based on conserved spots and variation during processing. Each group of these miRNAs has its targets. Today, RNA interference (RNAi), triggered by dsRNA, is a widely used and valuable tool for researchers to specifically silence genes and understand their function in various biological processes. Despite ongoing research in genetically engineering plants to manipulate miRNAs for improved tolerance to biotic and abiotic stresses, knowledge remains limited regarding their functional and regulatory networks in this context. Understanding the regulatory function of this group of RNAs opens up new avenues for applied research in genomic fields, enhancing resistance to plant diseases, bolstering tolerance to various stresses such as drought, salinity, heat, and cold, as well as improving product quality and increasing food production. The review's objective is to assess the existing knowledge concerning plant small RNAs and elucidate their significance in enhancing resilience to abiotic stressors.  </div> تنش ‎های زیستی, تنش‎ های غیرزیستی, خاموشی ژن, شبکه نظارتی, RNAi Gene silencing, Regulatory network, RNAi, siRNA and miRNA 63 75 http://jcb.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-36-3&slc_lang=fa&sid=1 Mohammad Hadi Taleb محمد هادی طالب mh.talebs@gmail.com 100319475328460025541 100319475328460025541 No Department of Production and Plant Genetics, College of Agriculture, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran گروه ژنتیک و تولید گیاهی، دانشکده مهندسی کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران Ahmad Arzani احمد ارزانی a_arzani@iut.ac.ir 100319475328460025542 100319475328460025542 Yes Department of Production and Plant Genetics, College of Agriculture, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran گروه ژنتیک و تولید گیاهی، دانشکده مهندسی کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران