Journal of Crop Breeding

fa آنالیز بیان ژن‌های میروزیناز و تیوگلوکوزید گلوکوهیدرولاز (TTG) در گیاه لگجی Capparis ovata تحت تأثیر تشعشعات حاصل از گاز رادون محیطی Gene Expression Analysis of Myrosinase (Myro) and Thioglucoside Glucohydrolase (TTG) Genes in Capparis ovata under the Influence of Environmental Radon Gas Radiation بيوتكنولوژي گياهي بيوتكنولوژي گياهي پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">چکیده مبسوط مقدمه و هدف: گیاه لگجی با نام علمی Capparis ovata از خانواده Capparidaceae است. این گیاه با نام &lrm;های دیگری از جمله کور، لگجی یا هندوانه کوهی نیز شناخته می &lrm;شود. گیاهی چندساله و خشکی‌دوست که در مناطق خشک و نیمه‌خشک خاورمیانه و حوزه مدیترانه به‌طور گسترده‌ای پراکنش دارد. این گونه به‌دلیل توانایی بالا در سازگاری با شرایط نامساعد محیطی و برخورداری از ترکیبات زیست‌فعال از جمله گلوکوزینولات‌ها، از ارزش بوم‌شناختی و دارویی بالایی برخوردار است. این متابولیت‌های ثانویه از طریق آنزیم‌هایی مانند میروزیناز (Myro) و تیوگلوکوزید گلوکوهیدرولاز (TTG) نقش مهمی در سازوکارهای دفاعی گیاه ایفا می‌کنند. با وجود توجه روزافزون به این گونه به‌عنوان گیاهی دارویی مقاوم به خشکی، اطلاعات اندکی در باره پاسخ‌های مولکولی آن به تنش‌های زیست‌محیطی نظیر پرتوهای یون‌ساز وجود دارد. رادون یک گاز رادیواکتیو طبیعی و یکی از منابع اصلی تابش یونیزان محیطی است. در حالی&lrm; که اثرات آن بر سلامت انسان به خوبی مستند شده &lrm;اند، تأثیرات آن بر زیست‌شناسی مولکولی گیاهان تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده &lrm;اند. میروزیناز و تیوگلوکوزید گلوکوهیدرولاز (TTG) دو آنزیم کلیدی در گیاه Capparis ovata هستند و در دفاع گیاه در برابر علف‌خواران با هیدرولیز گلوکوزینولات نقش دارند. هدف این مطالعه بررسی تأثیر مواجهه با رادون محیطی بر بیان ژن‌های میروزیناز و TTG در C. ovata بود. مواد و روش &lrm;ها: نمونه &lrm;برداری مواد گیاهی از ارتفاعات روستای کوجنق واقع در هیجده کیلومتری شمال غربی شهرستان مشگین &lrm;شهر با موقعیت جغرافیایی ۳۸° ۲۹' ۱۷.۷" شمالی و ۴۷° ۳۰' ۱۵.۱" شرقی 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 ده نقطه هم ارتفاع با استفاده از دستگاه تابش &lrm;سنج (Victoreen451 Fluke Biomedical Company, USA) طی دو سال متمادی تهیه شد. این اندازه &lrm;گیری &lrm;ها مشتمل بر نقاط هم ارتفاع در دو کوه مجاور هم (کوه دارای نقاط حاوی مواد رادیواکیتو A و فاقد مواد رادیواکتیو B) بودند. نمونه‌های C. ovata از مناطقی با ارتفاعات و سطوح مختلف رادون محیطی جمع‌آوری شدند و RNA کل از بافت برگ استخراج و cDNA ژن‌های میروزیناز و TTG برای آنالیز بیان (qRT-PCR) سنتز گردید. سطوح بیان نسبی ژن و میزان تغییرات بیان ژن&lrm; ها (Fold Change) با استفاده از روش 2−ΔCt و 2−ΔΔCt و با استفاده از الگوی بیانی ژن اکتین به&lrm; عنوان کنترل داخلی محاسبه شدند. تحلیل آماری با نرم‌افزار 10 GraphPad Prism (شرکت GraphPad Software، آمریکا) انجام گرفت و تفاوت‌های بیان ژن بین نمونه‌های در معرض رادون و کنترل با آزمون t در سطح احتمال (P < 0.05) ارزیابی شدند. یافته &lrm;ها: بررسی تغییرات بیان ژن میروزیناز (Myrosinase) در گیاه Capparis ovata در مواجهه با سطوح مختلف گاز رادون نشان داد که بیشترین میزان افزایش بیان ژن در بازه ارتفاعی A910–920 متر با میانگین شدت تشعشع 0/8 میلی‌سیورت قابل مشاهده بود، به‌طوری&lrm;‌که بیان ژن به بیش از هفت برابر نمونه &lrm;های ناحیه غیر رادیواکتیو (شاهد) رسید. در ارتفاعات A930–940 متر با میانگین شدت تشعشع 1/8 میلی&lrm;سیورت نیز افزایش حدود چهار برابر نسبت به شاهد مشاهده شد، اما در سایر ارتفاعات بیان ژن در حد پایین‌تری قرار داشت. این یافته‌ها می &lrm;توانند یک پاسخ غیر خطی و ارتفاع‌محور را در بیان ژن میروزیناز نشان‌ دهند. به‌طوری&lrm;که سطح بهینه تحریک در ارتفاعات میانی (۹۱۰–۹۲۰ متر) رخ داد. الگوی بیان ژن TGG نیز تحت تأثیر بازه‌های مختلف ارتفاعی تغییراتی مشابه را نشان داد. بیشترین میزان بیان ژن  TGGنیز در ارتفاع A910–920 متر ثبت شد (حدود چهار برابر تیمار شاهد). در این بازه، خطای استاندارد نیز نسبتاً بالا بود که نشان‌دهنده تغییرپذیری پاسخ بین نمونه‌ها است. در ارتفاع A880–900 متر نیز افزایش معناداری نسبت به شاهد مشاهده شد (حدود دو و نیم برابر). در حالی&lrm;که، در ارتفاعات پایین‌تر (A830–860) و بالاتر (A950–1000)  میزان بیان به‌ترتیب حدود (یک و نیم  و یک و هشت دهم برابر) بود و کمترین مقدار تغییر در بیان ژن نیز مانند ژن میروزیناز، در ارتفاع A880–900 مشاهده شد. هر دو ژن مورد بررسی Myro  و TGG در شرایط مواجهه با سطوح مختلف رادون، الگوی مشابهی از افزایش بیان را در ارتفاعات میانی، به‌ویژه در بازه ۹۱۰–۹۲۰ متر با میانگین شدت تشعشع 0/8 میلی&lrm;سیورت نشان دادند. نتیجه گیری کلی: یافته‌ها نشان می‌دهند که رادون محیطی به عنوان یک تنش قوی عمل می &lrm;کند و واکنش‌های دفاعی مولکولی را در C. ovata برمی &lrm;انگیزد. هم&lrm;چنین، قرار گرفتن طولانی‌مدت گیاهان چندساله در معرض تابش‌های رادیواکتیو می‌تواند با ایجاد جهش‌های ژنتیکی، ساختار و عملکرد آنزیم‌های مسیرهای بیوسنتز متابولیت‌های ثانویه را تغییر داده، نوعی واکنش محافظتی در برابر آسیب رادیکال‌های آزاد ایجاد کند که می &lrm;تواند ناشی از تحریک مسیرهای دفاعی گیاه در این بازه خاص از مواجهه با گاز رادون باشد. ژن‌های Myro و TGG نقش کلیدی در مسیرهای دفاعی ثانویه و سم‌زدایی دارند، و افزایش بیان آن‌ها می‌تواند بیانگر فعالیت شدیدتر سامانه‌های مقابله با تنش اکسیداتیو در شرایط خاص محیطی باشد. هم&lrm;چنین، تفاوت بین پاسخ ژنی در بازه‌های ارتفاعی مختلف می‌تواند به تفاوت در غلظت واقعی گاز رادون، شرایط زیست‌محیطی، میزان جذب و حساسیت بافت‌های گیاه وابسته باشد. این مطالعه اولین شواهد را ارائه می‌دهد که مواجهه با رادون محیطی باعث افزایش بیان ژن‌های اصلی مرتبط با دفاع در C. ovata می‌شود که پیامدهایی برای سازگاری گیاه، تعاملات بوم‌شناختی و کیفیت محصولات گیاهی در مناطق آلوده به رادون دارد. در نتیجه، آلاینده‌های رادیواکتیو محیطی بر لزوم تحقیقات بیشتر درباره مکانیزم‌های مولکولی واکنش گیاهان تأکید می‌کند.  </div> Extended Abstract Background: Capparis ovata, commonly known as "caper bush," belongs to the Capparidaceae family. This perennial, drought-tolerant plant is widely distributed across arid and semi-arid regions of the Middle East and the Mediterranean. It is also known by other names, such as "kavar", "lagaji", or "mountain watermelon". Due to its high adaptability to harsh environmental conditions and its content of bioactive compounds, particularly glucosinolates, this species holds significant ecological and medicinal value. These secondary metabolites, through enzymes such as myrosinase and thioglucoside glucohydrolase (TTG), play crucial roles in the plant's defense mechanisms. Despite increasing interest in C. ovata as a drought-resistant medicinal plant, little is known about its molecular responses to environmental stresses such as ionizing radiation. Radon is a naturally occurring radioactive gas and one of the main sources of environmental ionizing radiation. While its effects on human health are well documented, its impact on plant molecular biology remains largely unknown. Myrosinase and TTG are two key enzymes in C. ovata, involved in plant defense against herbivores by hydrolyzing glucosinolates. This study aimed to investigate the effect of environmental radon exposure on the expression of myrosinase and TTG genes in C. ovata. Methods: Plant samples were collected from the mountain of Kojanagh village, located 18 km northwest of Meshginshahr (geographical coordinates: 38°29'17.7" N, 47°30'15.1" E). All geographic calculations were performed using a Garmin Oregon 650 GPS device. To obtain comprehensive information on the region’s radiation pollution, a point-by-point radon radiation map was prepared at 10 locations using a Victoreen 451 radiation meter (Fluke Biomedical Company, USA) over two consecutive years. These measurements included points at similar elevations on two adjacent mountains, one with radioactive exposure (A) and another without exposure (B). Total RNA was extracted from leaf tissue, and cDNA for myrosinase and TTG genes was synthesized for expression analysis (qRT-PCR). Gene expression levels were normalized to actin as a reference gene. Relative gene expression was calculated using the 2−ΔCt method, with actin as the internal control. Statistical analysis was performed with GraphPad Prism 10 (GraphPad Software, USA). Differences in gene expression between radon-exposed and control samples were evaluated using independent t-tests, with significance set at P < 0.05. Results: The analysis of myrosinase gene expression in C. ovata under varying radon gas levels showed that the highest increase occurred at elevations of 910–920 meters (site A), with an average radiation intensity of 0.8 mSv, where gene expression exceeded seven times that of the non-radioactive control area. At elevations of 930–940 meters (site A), with an average intensity of 1.8 mSv, a roughly fourfold increase was observed compared to the control. Gene expression was lower in the other elevations. These findings suggest a nonlinear, elevation-dependent response in myrosinase gene expression, with optimal stimulation at mid-elevations (910–920 meters). The TTG gene expression pattern showed similar changes across elevation ranges, with the highest expression also at 910–920 meters (about fourfold higher than the control). In this range, the standard error was relatively high, indicating variability among samples. A significant increase was also observed at 880–900 meters (about 2.5 times higher than the control). At lower (830–860 meters) and higher (950–1000 meters) elevations, expression levels were approximately 1.5 and 1.8 times higher, respectively. The lowest gene expression, such as myrosinase, was observed at 880–900 meters. Both Myro and TTG genes exhibited similar expression patterns under different radon exposures, with the highest increase at mid-elevations (910–920 meters, 0.8 mSv average radiation). This study highlights Myro as a potential molecular marker for radon stress in C. ovata. Conclusion: The findings indicate that environmental radon acts as a strong stressor, triggering molecular defense responses in C. ovata. Prolonged exposure of perennial plants to radioactive radiation may induce genetic mutations, alter the structure and function of enzymes in secondary metabolite biosynthetic pathways, and elicit protective responses against free radical damage, likely through the stimulation of plant defense pathways during specific radon exposure intervals. Myro and TTG genes play key roles in secondary defense and detoxification pathways, and their increased expression may reflect the heightened activity of oxidative stress response systems under specific environmental conditions. Additionally, differences in gene response across elevation ranges may be attributed to actual radon concentrations, environmental factors, absorption rates, and tissue sensitivity. This study provides the first evidence that environmental radon exposure increases the expression of key defense-related genes in C. ovata, with implications for plant adaptation, ecological interactions, and crop quality in radon-contaminated areas. Consequently, environmental radioactive pollutants highlight the need for further research into the molecular mechanisms of plant responses.   تنش محیطی, رادیواکتیو, مکانیزم دفاعی, پاسخ ژنی, گلوکوزینولات Defense mechanism, Environmental stress, Gene response, Glucosinolate, radioactive 69 79 http://jcb.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-869-3&slc_lang=fa&sid=1 Sahar Tadili سحر تعدیلی sahartadili@gmail.com 100319475328460027076 100319475328460027076 No Faculty of Agricultural Sciences and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran دانشکده علوم و فناوری کشاورزی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران Ali Asghari علی اصغری asgharia2002@gmail.com 100319475328460027077 100319475328460027077 Yes Department of Plant Production and Genetics Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده علوم و فناوری کشاورزی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران Noraddin Hosseinpour Azad نورالدین حسین پورآزاد gmplant21@gmail.com 100319475328460027078 100319475328460027078 No Department of Plant Sciences and Medicinal Plants, Meshginshahr 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.shokri@abrii.ac.ir 100319475328460027079 100319475328460027079 No Department of Nanotechnology, Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran (ABRII), Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Karaj, Iran بخش فناوری نانو، پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی ایران، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران Seyyed Hamidreza Hashemi Petroudi سید حمیدرضا هاشمی پطرودی irahamidreza@yahoo.com 100319475328460027080 100319475328460027080 No Agricultural Genetics and Biotechnology Research Institute of Tabarestan, Sari University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Iran پژوهشکده ژنتیک و زیست فناوری کشاورزی طبرستان، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران