Journal of Crop Breeding

fa بررسی الگوی بیان ژن های فارنسیل دی‎فسفات و اسکوآلن سنتاز تحت تأثیر اشعه گامای محیطی در گیاه درمنه کوهی The Study of Farnesyl Diphosphate and Squalene Synthase Gene Expression Levels in Artemisia absinthium Exposed to Environmental Gamma Radiation بيوتكنولوژي گياهي بيوتكنولوژي گياهي پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">چکیده مبسوط مقدمه و هدف: درمنه کوهی (Artemisia absinthium) که معمولاً با نام افسنطین شناخته می&lrm;شود، یک گیاه دارویی بوته&lrm;ای و چندساله مهم بومی آسیا، خاورمیانه، اروپا و شمال آفریقا است. در فرآیند تکامل، گیاهان مکانیسم‌هایی را توسعه داده‌اند که نه&lrm;تنها تحت شدیدترین دزهای تشعشعات زنده می‌مانند، بلکه از طریق تنظیمات فیزیولوژیکی به تغییرات کوچک در شدت تشعشعات پاسخ مؤثری می‌دهند. یکی از مکانیسم&lrm;های دفاعی گیاهان در برابر تشعشعات، تغییرات تکاملی در سطوح بیان ژن&lrm;ها می&lrm;باشد. از جمله این ژن&lrm;ها، فارنسیل دی فسفات سنتاز (FDS)، آنزیم کلیدی مسیر متابولیکی ترپن&lrm;ها است که سنتز ترکیبات سسکوئی ترپن از پیش ماده فارنسیل پیرو فسفات (FPP) را کاتالیز نموده و نقش مهمی در تنظیم رشد و نمو گیاهان ایفا می&lrm;کند. در تحقیق حاضر اثرات پرتوهای حاصل از پسماندهای مواد رادیواکتیو در یک معدن متروکه اورانیوم بر روی تغییر بیان ژن&lrm;های فارنسیل دی فسفات (FDS) و اسکوآلن سنتاز (SQS) در گیاه درمنه کوهی که به&lrm;دلیل چندساله بودن، سالیان متمادی در محیط رادیواکتیویته محل نمونه&lrm;برداری رشد یافته بود بررسی شد. مواد و روش&lrm;ها: نمونه&lrm;برداری مواد گیاهی از ارتفاعات روستای کوجنق واقع در هیجده کیلومتری شمال غربی شهرستان مشگین شهر با موقعیت جغرافیایی 38° 29' 17.7" N و 47° 30' 15.1" E انجام شد. کلیه محاسبات مربوط به موقعیت جغرافیایی با استفاده از دستگاه مکان&lrm;یاب ماهواره&lrm;ای گارمین (مدل اورگون 650) صورت پذیرفت. برای دسترسی کامل به اطلاعات آلودگی تابشی منطقه مورد مطالعه، نقشه تشعشعات رادونی نقطه به نقطه در 10 نقطه با استفاده از دستگاه تابش سنج Victoreen 451 (Fluke biomedical company, USA) طی دو سال متمادی تهیه شد. این اندازه&lrm;گیری&lrm;ها مشتمل بر نقاط هم ارتفاع در دو کوه مقابل هم (کوه دارای نقاط حاوی مواد رادیواکیتو A و فاقد مواد رادیواکتیو B) بود. نمونه&lrm;برداری از سرشاخه&lrm;های گیاه درمنه کوهی (A. absinthium) به&lrm;صورت سیستماتیک و در سه تکرار مختلف زیستی انجام پذیرفت. RNA کل از برگ‌های گیاهان نمونه&lrm;برداری شده استخراج و رشته اول cDNA سنتز شد. برای طراحی آغازگرهای qPCR از نرم&lrm;افزار آنلاین Primer 3 Plus استفاده شد و سپس با ابزار Oligo analyzer و افزونه NCBI/Primer-BLAST در پایگاه ژنتیکی NCBI بررسی شدند. در مرحله اول، با به&lrm;کارگیری cDNA سنتز شده برای تمامی نمونه&lrm;های کنترل و غیرکنترل به&lrm;عنوان الگو، نواحی ژنی کنترل کننده آنزیم&lrm;های فارنسیل دی&lrm;فسفات و اسکوآلن سنتاز برای اطمینان از صحت آغازگرهای طراحی شده تکثیر یافتند. بررسی کمی بیان ژن&lrm;های مورد نظر به&lrm;روش Real Time PCR با دستگاه (3000) Real Time PCR set Corbett و با به&lrm;کارگیری کیت CyberGreen (شرکت سینا کلون) انجام شد. برای سنجش الگوی تغییر بیان ژن&lrm;ها در تمامی cDNAهای سنتز شده از نمونه&lrm;های مورد مطالعه از مستر میکس Ampliqon SYBR green Master Mix High ROX استفاده شد. یافته&lrm;ها: آنالیز آماری داده&lrm;ها با نرم&lrm;افزار Graph Pad Prism 10 نشان داد که سطح بیان هر دو ژن مورد بررسی در نمونه&lrm;های جمع&lrm;آوری شده از نقاط حاوی تشعشعات رادیواکتیو نسبت به نقاط فاقد تشعشعات رادیواکتیو بیشتر است. بیشترین افزایش نسبی بیان ژنی در ژن کنترل کننده اسکوآلن سنتاز مشاهده شد که این ژن از جمله ژن&lrm;های کلیدی در مسیر بیوسنتزی گروه متابولیتی ایزوپرونوئیدها است. مقایسه آماری الگوی نسبی بیان ژن اسکوآلن (SQS) در نمونه&lrm;های غیر رادیواکتیویته (Bsqs) و در نمونه&lrm;های رادیواکتیویته (Asqs) نشان داد که بین میزان بیان ژن اسکوآلن سنتاز در نمونه‌&lrm;های جمع&lrm;آوری شده از مناطق رادیواکتیو و غیر رادیواکتیو در سطح اطمینان 99 درصد اختلاف معنی&lrm;داری وجود دارد. هم&lrm;چنین، آنالیز آماری الگوی نسبی بیان ژن فارنسیل دی فسفات (FDS) در نمونه&lrm;های غیر رادیواکتیویته (Bfds) و نمونه&lrm;های رادیواکتیویته (Afds) نشان داد که بین میزان بیان ژن فارنسیل دی فسفات در نمونه&lrm;های جمع&lrm;آوری شده از مناطق رادیواکتیو و غیر رادیواکتیو در سطح احتمال 99 درصد اختلاف معنی&lrm;داری باهم ندارند. علاوه بر این، مقدار ارزش p (p value) برای بیان نسبی ژن اسکوآلن سنتاز در نمونه&lrm;های مناطق رادیواکتیو و غیر رادیواکتیو 0/0077 و برای ژن فارنسیل دی فسفات مقدار 0/6039 محاسبه گردید.  نتیجه&lrm;گیری کلی: با توجه به اینکه میزان بیان ژن اسکوآلن سنتاز در ارتفاع 900-860 متر با متوسط شدت تشعشع (0/567 میلی&lrm;سیورت)، در بالاترین مقدار خود بود که در ارتفاع 930-910 با بالاترین میزان تشعشع (1/25 میلی سیورت) میزان بیان ژن اسکوآلن افت شدیدی پیدا کرد. می&lrm;توان استنباط نمود که بهینه شدت تشعشع برای تحریک بیان ژن اسکوآلن سنتاز در محدوده 0/5 میلی&lrm;سیورت بوده و افزایش شدت تشعشعات منجر به کاهش شدید بیان این ژن می&lrm;گردد و احتمالاً با افزایش شدت تشعشعات و پرتوهای یونیزان، گیاه هوشمندانه فعالیت مسیر بیوسنتزی ماده اسکوآلن را تعدیل نموده و مسیر بیوسنتزی را به&lrm;سمت سنتز سسکوئی&lrm;ترپن&lrm;ها که برای استفاده از پیش ماده مشترک فارنسیل دی فسفات با آنزیم اسکوآلن سنتاز در رقابت هستند، هدایت می&lrm;نماید. با توجه به این&lrm;که جهش&lrm;زایی عناصر پرتوزا اثبات شده است، می&lrm;توان نتیجه گرفت که قرار گرفتن طولانی&lrm;مدت گیاهان چندساله در معرض تابش‌های رادیواکتیو منجر به ایجاد تغییرات ژنتیکی می&lrm;شود. احتمالاً این جهش&lrm;ها با تغییر ساختمان و رفتار آنزیم&lrm;های دخیل در مسیرهای بیوسنتز متابولیت‌های ثانویه، یک نوع واکنش محافظتی ژنتیکی- بیوشیمیایی گیاه برای مقابله با آسیب&lrm;های عناصر رادیکال&lrm;های آزاد ایجاد شده در اثر تشعشعات مواد پرتوزا می&lrm;باشد.  </div> <div style="text-align: justify;">Extended Abstract Background: Artemisia absinthium, commonly known as Afsantin, is an important perennial medicinal herb native to Asia, the Middle East, Europe, and North Africa. During the evolutionary process, plants have developed mechanisms that not only allow them to survive under the most severe radiation doses but also respond effectively to small changes in radiation intensity through physiological adjustments. One of the plant defense mechanisms against radiation is evolutionary changes in gene expression levels. Among these genes, farnesyl diphosphate synthase (FDS) is a key enzyme in the terpenoid metabolic pathway that catalyzes the synthesis of sesquiterpenoid compounds from the farnesyl pyrophosphate (FPP) precursor and plays an important role in regulating plant growth and development. The present study investigated the effects of radiation from radioactive waste in an abandoned uranium mine on the expression changes of the FDS and squalene synthase (SQS) genes in A. absinthium, grown for many years in the radioactive sampling site environment. Methods: Plant material was sampled from the altitudes of Kojanaq village located 18 km northwest of Meshginshahr City with the geographical coordinates of 38° 29' 17.7" N and 47° 30' 15.1" E. All calculations related to the geographical position were performed using a Garmin satellite positioning device (Oregon model, 650). For complete access to radiation contamination information in the study area, a point-by-point radon radiation map was prepared at 10 points using a radiation meter over two consecutive years with a Victoreen 451 radiation meter (Fluke Biomedical Company, USA). These measurements included points at the same altitude on two opposite mountains (mountains with radioactive material points A and non-radioactive B). A. absinthium shoots were sampled systematically in three different biological replicates. Total RNA was extracted from the sampled plant leaves, and the first cDNA strand was synthesized afterward. The Primer 3 Plus online software was used to design qPCR primers, which were then analyzed using the Oligo Analyzer tool and the NCBI/Primer-BLAST plugin in the NCBI genetic database. Initially, the gene regions controlling the farnesyl diphosphate and squalene synthase enzymes were amplified using the synthesized cDNA for all control and non-control samples as templates to ensure the accuracy of the designed primers. Quantitative analysis of the target gene expression was performed by the Real-Time PCR method using the Corbett Real-Time PCR (3000) and the CyberGreen kit (Sinaclon Company). The gene expression pattern changes in all synthesized cDNAs from the studied samples were measured using the Amplicon SYBR Green High ROX master mix. Results: Statistical analysis using GraphPad Prism 10 software showed that the expression levels of both studied genes were higher in samples collected from radioactive points than in non-radioactive points. The highest relative increase in gene expression was observed in the squalene synthase-controlling gene, which is one of the key genes in the biosynthetic pathway of the isoprenoid metabolite group. Statistical comparison of the relative expression pattern of the SQS gene in non-radioactive (Bsqs) and radioactive (Asqs) samples showed a significant difference in the SQS gene expression levels between samples collected from radioactive and non-radioactive areas at a 99% probability level. Furthermore, statistical analysis of the relative expression pattern of the FDS gene in non-radioactive (Bfds) and radioactive (Afds) samples revealed no significant difference in FDS gene expression levels between samples collected from radioactive and non-radioactive areas at a 99% probability level. Additionally, the P-value for the relative expression of the SQS gene in radioactive and non-radioactive area samples was calculated as 0.0077, and it was 0.6039 for the FDS gene. Conclusion: Considering that the expression level of the SQS gene was highest at an altitude of 860-900 m with an average radiation intensity of 0.567 mSv, and at an altitude of 910-930 m with the highest radiation level (1.25 mSv), the squalene gene expression level showed a severe decrease. It can be inferred that the optimal radiation intensity for inducing the SQS gene expression is around 0.5 mSv, and an increase in radiation intensity leads to a significant reduction in the expression of this gene. Presumably, with an increase in radiation intensity and ionizing rays, the plant intelligently modulates the biosynthetic pathway of squalene and directs the biosynthetic pathway toward the synthesis of sesquiterpenoids, which compete with the SQS enzyme for the common precursor farnesyl diphosphate. Since the mutagenic effect of radioactive elements has been proven, it can be concluded that long-term exposure of perennial plants to radioactive radiation leads to genetic changes. These mutations alter the structure and behavior of enzymes involved in the biosynthetic pathways of secondary metabolites and likely represent a genetic-biochemical protective response of the plant to combat the damage caused by free radicals generated by radioactive materials.  </div> اسکوآلن سنتاز, بیان ژن, تشعشعات رادیواکتیو, درمنه کوهی, فارنسیل دی فسفات Artemisia absinthium, Gene Expression, Farnesyl Diphosphate, Squalene Synthase 117 128 http://jcb.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-869-2&slc_lang=fa&sid=1 Sadegh Rahbarnejad صادق رهبرنژاد sadeg30009@gmail.com 100319475328460025555 100319475328460025555 No Faculty of Agricultural Sciences and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran دانشکده علوم کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران Ali Asghari علی اصغری asgharia2002@gmail.com 100319475328460025556 100319475328460025556 No Department of Crop and Plant Breeding, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran گروه زراعت و اصلاح نباتات، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران Noraddin Hosseinpour Azad نورالدین حسین پورآزاد gmplant21@gmail.com 100319475328460025557 100319475328460025557 Yes Department of Plant Sciences and Medicinal Plants, Meshgin Shahr Faculty of Agriculture, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran گروه علوم گیاهی و گیاهان دارویی، دانشکده کشاورزی مشگین شهر، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران Ehsan Shokri احسان شکری e.shokri62@gmail.com 100319475328460025558 100319475328460025558 No Nanotechnology Department, Agricultural Biotechnology Research Institute, Karaj, Iran بخش فناوری نانو، پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی ایران، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران