Journal of Crop Breeding

fa تحلیل بیوانفورماتیکی خانواده عامل رونویسی شوک حرارتی (HSFs) در گیاه کاملینا (Camelina sativa) Bioinformatic Analysis of the Heat Shock Transcription Factor (HSFs) Gene Family in Camelina sativa ساير ساير پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">چکیده مبسوط مقدمه و هدف: کاملینا (Camelina sativa) یکی از قدیمی&lrm; ترین گیاهان زراعی خانواده براسیکا است که با نام &lrm;های کتان کاذب و کتان وحشی شناخته می&lrm; شود. کاملینا یک نمونه از روغن&lrm; های باارزش و با کیفیت بالای گیاهی است که پتانسیل بالایی را برای کاربرد در صنایع گوناگون جهت تولید محصولات مفید دارد. مشابه سایر گونه‌های گیاهی، گیاه کاملینا در طول دوره رویشی خود با تنش‌های محیطی و غیر محیطی متعددی مواجه می‌شود. بررسی الگوهای تنظیمی ژن‌ها و شبکه‌های ژنی مرتبط با سیگنال‌دهی و پاسخ به این تنش‌ها می‌تواند به درک بهتر مکانیسم‌های تحمل به تنش در این گیاهان کمک کند. یکی از خانواده &lrm;های فاکتورهای رونویسی که به ایجاد پاسخ مناسب در برابر تنش&lrm; های زیست&lrm; محیطی کمک می‌کند، فاکتورهای شوک حرارتی (Heat Shock Factor) هستند. اصولاً افزایش تجمع HSPها برای بقای سلول‌هایی که تحت تاثیر تنش‌های مختلف محیطی قرار دارند، ضروری است. با این &lrm;حال، اطلاعات بیوانفورماتیکی مربوط به ژن‌های فاکتور شوک حرارتی (HSF) در کاملینا تاکنون گزارش نشده است. بنابر این، این مطالعه با هدف شناسایی و تجزیه و تحلیل ساختار ژنی، حفاظت‌شدگی موتیف‌ها و دومین‌ها، و همچنین ساختار سه‌بعدی پروتئین‌های HSF در گیاه کاملینا انجام شد. مواد و روش &lrm;ها : در این مطالعه، برای شناسایی و تحلیل خانواده ژنی HSF در گیاه C. sativa، منابع توالی‌های ژنومی و پروتئینی از پایگاه NCBI  دریافت شد. ابتدا، آنالیز tBLASTN با استفاده از توالی‌های پروتئینی HSF گیاه مدل آرابیدوپسیس به &lrm;عنوان ورودی، در توالی‌ ژنومی کاملینا انجام شد. پس از حذف توالی‌های تکراری، حضور دمین‌های اختصاصی با نرم‌افزار InterProScan  تأیید شد. به‌منظور پوشش جامع‌تر، جستجوی دمین با ابزار HMMER v3.0 بر اساس پروفایل دمین HSF اخذ شده از  PFAM با کد دسترسیPF00447  بر روی پروتئوم C. sativa نیز اجرا شد. رکوردهای تکراری ادغام و توالی‌های ناقص حذف گردیدند. الگوی اگزون-اینترون این ژن‌ها با استفاده از برنامه TBtools بررسی و ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی پروتئین‌ها با ابزار ProtParam محاسبه گردید. برای شناسایی موتیف‌های حفاظت‌شده، برنامهMEME  به &lrm;کار رفت. پیش‌بینی مکان سلولی پروتئین‌ها به &lrm;وسیله ابزار WoLF PSORT  انجام شد. تجزیه و تحلیل فیلوژنتیکی با استفاده از نرم‌افزار ClustalW انجام و درخت فیلوژنتیکی با MEGA 12.0  بر مبنای روش حداکثر درستنمایی با آزمون بوت‌ استرپ ترسیم شد. در نهایت، ساختار سه‌بعدی پروتئین‌ها نیز با استفاده Phayre 2.0 از پایگاه داده PDB پیش‌بینی گردید و برهم کنش‌های پروتئینی با پایگاه STRING  تحلیل شدند. یافته &lrm;ها: طبق نتایج پژوهش برمبنای مدل HMM در ابزار HAMMER، تعداد 137 ایزوفرم از توالی‌های پروتئینی حامل دمین HSFs در گیاه کاملینا شناسایی گردید که پس از حذف نسخه‌های ایزوفرم، تعداد 96 جایگاه ژنی تعیین شدند. در نهایت، در بررسی روابط فیلوژنتیکی این توالی &lrm;ها با تعداد 21 پروتئین‌ خانواده ژنی آرابیدوپسیس تالیانا، تعداد 64 توالی پروتئینی برای خانواده ژنی HSF گیاه کاملینا شناسایی گردید. بررسی ویژگی &lrm;های ساختاری و فیزیکوشیمیایی نشان داد که طول پروتئین‌های این خانواده در کاملینا از 146 الی 496 اسیدآمینه و وزن مولکولی پیش‌بینی شده نیز بین 17/1 کیلو دالتون تا 55/2 کیلو دالتون، نقاط ایزوالکتریک بین 4/7 الی 10/2 و شاخص آلیفاتیک بین 58/28 تا 76/54 متغیر بودند. برآورد شاخص ناپداری بیش از 40 برای 83 درصد از توالی &lrm;ها نشان‌دهنده‌ی این است که پروتئین در شرایط آزمایشگاهی یا درون‌سلولی پایداری کمتری دارد و احتمالاً سبب تخریب سریع‌تر می&lrm; گردند. همچنین، منفی بودن شاخص آب‌گریزی (GRAVY) برای تمامی پروتئین‌های CsHSF بیانگر آب‌دوست بودن این پروتئین &lrm;ها است. بررسی جایگاه سلولی پروتئین‌های CsHSF در اندامک‌های سلولی نشان داد که بیشترین محل حضور این پروتئین &lrm;ها در هسته و سپس سیتوپلاسم بود. بر اساس نتایج درخت فیلوژنتیکی، پروتئین&lrm; های ScHSF در سه گروه اصلی و متفاوت طبقه‌بندی شدند. بررسی ساختار ژنی این گروه&lrm; ها بر اساس وجود یا عدم وجود اینترون نشان داد که پروتئین&lrm; های خانواده HSF به‌جز شش ژن‌ فاقد اینترون، بقیه ژن‌ها حداقل دارای اینترون‌هایی با بیش از یک فاز بودند. وجود تفاوت در تعداد و فاز اینترون در برخی از ژن‌ها HSF کاملینا می‌تواند به‌دلیل حذف یا به‌دست آوردن اینترون در طی تکامل باشد که احتمالاً سبب ایجاد یک نقش کارکردی برای این پروتئین &lrm;ها شده است. در بررسی ارتباط بین گروه‌بندی فیلوژنتیکی پروتئین‌های HSF و تعداد اگزون‌ها، مشخص شد که تمامی گروه‌ها توزیع مشابهی از نظر تعداد اگزون داشتند. در حالی&lrm;که طول پروتئین‌ها و وزن مولکولی در هر گروه تغییرات قابل توجهی داشتند، اکثریت پروتئین‌ها در تمامی گروه‌ها تنها 2 یا 3 اگزون داشتند. در تمام این پروتئین&lrm; ها، 15 موتیف حفاظت‌شده با طول بین 8 تا 50 آمینواسید شناسایی شدند. بر اساس بررسی ساختار دوم، پروتئین‌های گروه اول عمدتاً دارای مارپیچ‌های آلفا منظم و پیوسته، گروه دوم ساختار دوم متنوع‌تری دارند، شامل صفحات بتا برجسته‌تر، کویل‌های گسترده‌تر، و نواحی نامنظم بیشتر و پروتئین &lrm;های گروه سوم ترکیبی از ویژگی‌های گروه &lrm;های اول و دوم را دارا هستند. علاوه بر این، نتایج برهمکنش بیانگر هماهنگی بین این پروتئین &lrm;ها در پاسخ به شرایط مختلف محیطی هستند. نتیجه &lrm;گیری: شناسایی و بررسی بیوانفورماتیکی خانواده ژنی HSFs در گیاه کاملینا منجر به شناسایی 64 عضو شد که دارای ویژگی‌های ساختاری و عملکردی متفاوت هستند. بالا بودن تعداد اعضای این خانواده در گیاه کاملینا نسبت به سایر گیاهان احتمالاً به ماهیت آلوهگزاپلوئیدی آن مرتبط است که از سه ژنوم متفاوت تشکیل شده است. آنالیز ساختار ژنی حاکی از وجود موتیف‌های حفاظت‌شده DBD و HR-A/B در تمام اعضا است که نشان‌دهنده عملکرد محوری آن‌ها در پاسخ به تنش‌های محیطی است. با توجه به اهمیت کاملینا به‌عنوان گیاه دانه روغنی مقاوم به تنش، شناسایی این ژن‌ها می‌تواند زمینه‌ساز برنامه‌های اصلاحی برای تولید ارقام با تحمل بالاتر به تنش‌های محیطی باشد.  </div> <div style="text-align: justify;">Extended Abstract Background: Camelina (Camelina sativa) is one of the oldest plants from the Brassicaceae family, commonly known by the names “false flax” or “wild flax”. Camelina is a valuable and high-quality plant-based oil source with great potential for use in various industries to produce beneficial products. As with other plant species, Camelina encounters numerous environmental and non-environmental stresses during its vegetative growth stage. Investigating gene regulatory patterns and gene networks related to signaling and stress responses can help better understand the mechanisms of stress tolerance in this plant. One of the transcription factor families that contributes to appropriate responses to environmental stresses is the Heat Shock Factors (HSFs). In general, the accumulation of HSPs is essential for the survival of cells exposed to various environmental stresses. However, bioinformatics information regarding HSF genes in Camelina has not been reported yet. Therefore, the present study aimed to identify and analyze the gene structures, motifs, and domain conservation, as well as the three-dimensional structures of HSF proteins, in Camelina. Methods: To identify and analyze the HSF gene family in C. sativa, genomic and protein sequence resources were obtained from the NCBI database. Initially, a tBLASTN analysis was performed using HSF protein sequences from the model plant Arabidopsis as input against the Camelina genome. After removing redundant sequences, the presence of specific domains was confirmed using the InterProScan tools. Domain searches were also conducted using HMMER v3.0 based on the HSF HMM profile obtained from Pfam database (PF00447) against the C. sativa proteome. Duplicate records were merged, and incomplete sequences were excluded. To accurately identify authentic members of the HSF gene family in C. sativa, a phylogenetic analysis was conducted using Arabidopsis thaliana HSF sequences as references. This analysis effectively distinguished true HSF proteins from those that merely contain the HSF-type winged-helix DNA-binding domain, ensuring the precise classification of HSF family members. The gene structure and physicochemical properties were analyzed using TBtools and ProtParam, while conserved motifs and subcellular localization were identified using MEME and WoLF PSORT, respectively. Phylogenetic analysis was conducted using MEGA 12.0, employing the maximum-likelihood method with bootstrap testing. 3D structures were predicted via Phyre2.0, and protein–protein interactions were analyzed using the STRING database. Results: Based on the HMM model using the HMMER tool, a total of 137 isoforms of protein sequences containing HSF domains (PF00447) were identified in C. sativa. In total, 96 gene loci were determined after removing redundant isoforms. Ultimately, through phylogenetic analysis of these sequences alongside 21 HSF family proteins from A. thaliana, 64 protein sequences were confirmed as members of the HSF gene family in Camelina. Structural and physicochemical analysis revealed that the length of these proteins in Camelina ranged from 146 to 496 amino acids, with predicted molecular weights between 17.1 kDa and 55.2 kDa. The isoelectric points varied from 4.7 to 10.2, and the aliphatic index ranged from 58.28 to 76.54. An instability index above 40 was observed in 83% of the sequences, suggesting that these proteins may have lower stability under laboratory or intracellular conditions and are likely to degrade more rapidly. Furthermore, the negative GRAVY values for all CsHSF proteins indicate their hydrophilic nature. According to the subcellular localization analysis of CsHSF proteins, their predominant presence is in the nucleus, followed by the cytoplasm. Based on the results of the phylogenetic tree, ScHSF proteins were classified into three distinct major groups. Gene structure analysis of these groups based on the presence or absence of introns showed that, except for six intronless genes, the remaining HSF genes contained introns with more than one phase. The variation in the intron number and phase in some Camelina HSF genes may be due to intron loss or gain during evolution, which likely contributes to the functional diversification of these proteins. Analysis of the relationship between the phylogenetic grouping of HSF proteins and exon number revealed that all groups exhibited a similar distribution in terms of exon count. While protein length and molecular weight varied significantly across groups, the majority of proteins in all groups contained only two or three exons. A total of 15 conserved motifs, ranging from 8 to 50 amino acids in length, were identified across all these proteins. Secondary structure analysis showed that group I proteins predominantly featured regular and continuous alpha-helices. Group II proteins exhibited more diverse secondary structures, including more prominent beta-sheets, extended coils, and a higher proportion of disordered regions. Proteins in group III displayed a combination of structural features from both groups I and II. Furthermore, interaction analysis indicated coordinated behavior among these proteins in response to various environmental conditions. Conclusion: Bioinformatic identification and analysis of the HSF gene family in C. sativa led to the discovery of 64 members with diverse structural and functional characteristics. The relatively high number of family members compared to other species is likely associated with Camelina’s allohexaploid nature, consisting of three distinct genomes. Gene structure analysis revealed the presence of conserved DBD and HR-A/B motifs in all members, indicating their central role in responding to environmental stress. Given Camelina’s significance as a stress-tolerant oilseed crop, identifying these genes can pave the way for breeding programs aimed at developing cultivars with enhanced tolerance to environmental stresses.  </div> آلوهگزاپلوئید, تنظیم بیان ژن, خانواده ژنی, گیاه روغنی, HSP Allohexaploid, Gene expression regulation, Gene family Heat Shock Protein (HSP), Oilseed plant 60 78 http://jcb.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-435-6&slc_lang=fa&sid=1 Seyyed Hamidreza Hashemipetroudi سید حمید رضا هاشمی پطرودی irahamidreza@yahoo.com 100319475328460027623 100319475328460027623 No Department of Genetic Engineering and Biology, Genetics and Agricultural Biotechnology Institute of Tabarestan (GABIT), Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University (SANRU), Sari, Iran گروه مهندسی ژنتیک و بیولوژی، پژوهشکده ژنتیک و زیست ‎فناوری کشاورزی طبرستان، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران Leila Ahangar لیلا آهنگر l.ahangar63@gmail.com 100319475328460027624 100319475328460027624 Yes Department of Plant Production, Gonbad Faculty of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gonbad Kavos University, Gorgan, Iran گروه تولیدات گیاهی، دانشکده علوم کشاورزی و منابع طبیعی گنبد، دانشگاه گنبد کاووس، گرگان، ایران