طرح: تجزیه و تحلیل مکانیسم مولکولی تحمل به تنش خشکی در برنج با مطالعه تغییرات در تظاهر ژن‌ها،

اهمیت:

خشکی و کم‌آبی یکی چالش‌های مهم در تولید برنج و پتانسیل عملکرد دانه آن می‌باشد. از میان محصولات زراعی، گیاه برنج مبتنی بر سیستم آبیاری از حساس‌ترین محصولات به کمبود آب در خاک و تبادلات آبی با هوا می‌باشد. از اینرو اصلاح برنج برای تحمل به خشکی و کم‌آبی یکی از راه‌های اثربخش برای تولید پایدار این محصول در مناطق تحت تنش و خطر کم‌آبی می‌باشد. تحمل به تنش خشکی یک فرآیند پیچیده‌ای است که تعداد زیادی از ژن و مکانیسم‌های متابولیکی در آن دخالت دارند و دستیابی به سطوحی از تحمل به خشکی مستلزم شناخت از مکانیسم‌های فیزیولوژیکی و همچنین کنترل ژنتیکی صفات مسئول در این تنش می‌باشد. مکانیسم‌های تحمل به تنش کم‌آبی می‌تواند از سطح مولکولی تا کل گیاه مورد مطالعه قرار گیرد. تاکنون تلاش‌های زیادی جهت شناسایی ژن‌ها و مکان‌های کمّی کنترل کننده صفات در برنج شناسایی شدند ولی هنوز اساس مولکولی تحمل به تنش خشکی در برنج به ویژه در ارقام مبتنی بر آبیاری دائمی بخوبی شناخته نشده‌اند. همچنین اغلب مطالعات انجام شده در گذشته جهت شناخت الگوی تظاهر ژنی تحمل به تنش خشکی مبتنی بر استفاده از ژنوتیپ‌های هتروژن برنج با زمینه‌های ژنتیکی متفاوت و در مرحله گیاهچه‌ای بوده است، ولی استفاده از لاین‌های تقریباً ایزوژن که زمینه ژنتیکی همسانی داشته باشند و در عین حال عکس‌العمل متفاوتی در مقابل تنش خشکی نشان دهند می‌تواند در شناخت ساختار و مکانیسم‌های مرتبط بسیار مفید باشد.

جزئیات و مراحل مختلف مطالعه الگوی تظاهر ژنی و ترانسکریپتوم تحت تنش خشکی

بخشی از نتایج:

بخشی از نتایج مقایسه ای حاصل از بررسی تغییرات در الگوی تظاهر ژنی در بافت های مختلف، در لاین های مورد استفاده و همچنین تیمارهای مختلف تنش آبی در مرحله برگی نشان داد که تحت تنش خشکی تظاهر مربوط به حدود 43 درصد از ژنها تغییر پیدا کرد. در لاین بسیار متحمل به تنش خشکی بیشترین میزان تغییر در الگوی تظاهر ژن ها (2 تا 3 برابر لاین های حساس) و تحت تنش های ملایم و شدید حاصل شده اند. تجزیه و تحلیل الگوی تظاهر ژنی به روشGene Ontology enrichment نشان داد که ژنهایی که بطور یکسان در همه ژنوتیپ ها در واکنش به تنش خشکی تغییر یافته اند و در مقابل تنش خشکی پاسخ آنها به صورت افزایش و یا کاهش در بروز آنها بوده است (drought-responsive genes) شامل افزایش در تظاهر (up-regulation) ژن هایی بوده است که مسئول در فعالیت هیدرولازها (hydrolase activity) و عوامل رونویسی (transcription factor activity) بودند. در حالی که کاهش فعالیت و تظاهر ژن هایی که عملکرد مرتبط به فعل و انفعالات یونی (Ion binding) و فعالیت های مرتبط به انتقال الکترون (electron carrier activity)، رشد و همچنین فتوسنتز بوده اند. براین اساس در لاین بسیار متحمل، تحمل بالا می  تواند به ژن های با عملکرد مسئول در ترارسانی مبتنی بر کلسیم (calcium signaling) و هیدرولازها باشد در حالی که در لاین نیمه متحمل ژن های مسئول در انتقال مواد و یون ها در غشای سلولی (transmembrane transports) و تنظیم فشار اسمزی سلول متمایز کننده آن بوده است.   

تجزیه و تحلیل داده‌های فیزیولوژیکی حاصل از ارزیابی ژنوتیپ‌ها تحت تیمارهای تنشی نشان داد که بین لاین‌ها تفاوت معنی‌داری از حیث دمای کانوپی، هدایت روزنه‌ای، میزان تعرق، محتوی نسبی آب در برگ و عملکرد بودند و دو لاین ایزوژن متحمل برنج دارای دمای کانوپی خنکتر، هدایت روزنه‌ای، میزان تعرق، محتوی نسبی آب بیشتری در برگ بوده و عملکرد بالاتری نسبت به ژنوتیپ‌های حساس داشتند (داده‌ها نشان داده نشدند). تجزیه و تحلیل تظاهر ژن‌های مورد مطالعه نشان داد که از میان 43494 ژن تعداد 19033 ژن ( 8/43%) در نتیجه اعمال تیمارهای تنش خشکی به طور معنی‌داری تغییر کرده است. از میان این ژن‌ها حدود 38 درصد تحت تنش شدید و 21 درصد تحت تنش ملایم تظاهرشان تغییر یافت که نشان می‌دهد تحت تنش شدید خشکی تعداد بیشتری از ژن‌ها تحت تدثیر قرار گرفته و تظاهر آنها تغییر نموده‌است، که شامل دو دسته‌ از ژن‌ها بودند، دسته اول شامل گروهی از ژن‌ها بوده است که بطور یکنواخت در همه ژنوتیپ‌ها در نتیجه اعمال تیمارهای تنش خشکی تظاهرشان افزایش و یا کاهش یافته‌اند. نتایج تجزیه‌های مختلف GO حاکی از آن بود که ژن‌هایی با افزایش یکنواخت تظاهر آنها عمدتاً متعلق به خانواده‌های transcription factors، hydrolases بودند که از جمله آنها می‌توان به ژن‌های آمیلازها و آلفا آمیلازها و همچنین ژن‌های MYB، AP2-EREBP، NAC و bZIP اشاره نمود. آن دسته از ژن‌هایی که میزان تظاهر آنها بطور معنی‌داری کاهش یافته‌اند اغلب مرتبط به گروه‌های عملکردی مرتبط با رشد سلول و دیواره سلولی و همچنین سیستم فتوسنتزی بودند.