شناسايي بيوانفورماتيكي ژن‌هاي كليدي دخيل در تنش اسمزي گياه آرابيدوپسيس

Bioinformatics identification of hub genes involved in osmotic stress of Arabidopsis

هدف: گياهان اغلب در معرض انواع تنش ­هاي محيطي مانند خشكي و شوري قرار مي­ گيرند كه منجر به تنش اسمزي در گياه مي ­شود و در نهايت سبب كاهش رشد و بهره ­وري محصول مي ­گردد. شناسايي ژن ­هاي موثر در سطوح مختلف تنش اسمزي مي ­تواند در يافتن ژن‌هاي موثر در تحمل گياه به تنش ­هاي محيطي بسيار كمك كند. از اين رو هدف از اين مطالعه، شناسايي ژن­ هاي كليدي و بسيار موثر گياه مدل آرابيدوپسيس در تنش اسمزي و معرفي آن­ها در راستاي به‌نژادي گياهان زراعي در شرايط تنش­ هاي محيطي است. مواد و روش­ها: در اين مطالعه داده ­هاي ميكروآرايه آرابيدوپسيس كه به مدت 1/5، 3، 12 و 24 ساعت در معرض تنش اسمزي ناشي از مانيتول قرار داشتند، توسط ابزار آنلاين GEO2R به طور جداگانه آناليز شدند. ژن­ هاي داراي بيان معنادار مشخص شدند و مهم­ترين ژن­ ها در هر سطح تنش با استفاده از ابزارهاي بيوانفورماتيكي تعيين شدند. سپس ژن­هاي كليدي موثر در تنش اسمزي شناسايي شدند و برهم كنش پروتئيني و فرآيندهاي بيولوژيكي آن­ها مورد بررسي و بحث قرار گرفت. يافته­ ها: در ساعات 1/5، 3، 12 و 24 ساعت پس از تنش به ترتيب 26، 79، 138 و 184 ژن داراي بيان معنادار بودند. براساس آناليز شبكه پروتئيني و بررسي فرآيندهاي بيولوژيكي ژن­هاي SDA1،CRK11 ،CYP81F2 ،EDA39 ،PLA2A،T1K7_24 ، F6N7_24،AT2G25735 و MRH10_18 به‌عنوان ژن­ هاي كليدي بسيار موثر در سطوح مختلف تنش اسمزي گزارش شدند. نتايج آناليز عملكرد مولكولي ژن­ هاي كليدي نشان داد كه اين ژن­ ها در پاسخ به تنش اكسيداتيو، پاسخ به كمبود اكسيژن، تنظيم حركت روزنه ­ها، پاسخ فوق حساسيت، پاسخ به كيتين، مقاومت سيستميك القايي، فرآيند بيوسنتزي ايندول گلوكوزينولات، پاسخ دفاعي بوسيله رسوب كالوز در ديواره سلولي، پاسخ به يون كادميوم، فرآيندهاي بيوسنتزي فيتوكلاتين، انتقال آرسنيت، پاسخ دفاعي در برابر باكتري، حشرات، قارچ­ ها و ويروس­ ها و فرآيندهاي بيولوژيكي مرتبط با تنش ­هاي محيطي نقش بسيار مهمي ايفا مي­كنند. نتيجه گيري: به نظر مي ­رسد از ژن­ هاي كليدي معرفي شده در اين پژوهش مي ­توان در راستاي به‌نژادي گياهان زراعي در شرايط تنش‌هاي محيطي كه سبب تنش اسمزي در گياهان مي­ شود، بهره برد.

Objective Plants are often exposed to a variety of environmental stresses such as drought and salinity, which leads to osmotic stress in the plant and ultimately reduces crop growth and productivity. Identification of effective genes at different treatments of osmotic stress can be very helpful in finding genes that are effective in tolerating plant stresses. Therefore, the aim of this study was to identify the hub genes of Arabidopsis model plant in osmotic stress and to introduce them for crop breeding under environmental stresses Materials and Methods In this study, Arabidopsis microarray data that were exposed to mannitol-induced osmotic stress for 1.5, 3, 12 and 24 hours were analyzed separately by GEO2R online tool. Genes with significant expression were identified and the most important genes at each stress level were identified using bioinformatics tools. Then, the hub genes in osmotic stress were identified and their protein interactions and biological processes were studied and discussed Results The result showed that 26, 79, 138 and 184 genes had significant expression at 1.5, 3, 12 and 24 hours after stress, respectively. Based on protein network analysis and biological processes, SDA1, CRK11, CYP81F2, EDA39, PLA2A, T1K7_24, F6N7_24, AT2G25735 and MRH10_18 genes were reported as hub genes at different levels of osmotic stress. The results of molecular function analysis of hub genes showed that these genes involved in oxidative stress, response to hypoxia, regulation stomata movement, hypersensitive response, response to chitin, induced systemic resistance, indole glucosinolate biosynthetic process, defense response by callose deposition in cell wall, response to cadmium ion, phytochelatin biosynthetic process, arsenite transport, defense response to bacteria, insects, fungi, viruses and other environmental stress responsive biological process. Conclusions It seems that the key genes introduced in this study can be used to breed crops under environmental stresses that cause osmotic stress in plants.