شناسایی خانواده ژنی فاکتور پاسخ‌گو به اکسین (ARF) در گل گاوزبان (plantagineum Echium) با استفاده از تجزیه‌وتحلیل ژنومی

نوع مقاله : مقاله علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.

2 بخش تحقیقات سبزی، صیفی و حبوبات آبی، موسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران

10.22092/ijrfpbgr.2024.363113.1445

چکیده

سابقه و هدف:
فاکتورهای رونویسی پاسخ­گو به اکسین (ARF) نقش کلیدی در تنظیم رشد و نمو اندام­های گیاهی مانند ریشه­ها، ساقه­ها، برگ­ها و اندام­های تولیدمثلی مانند گل­ها و میوه­ها دارند. تجزیه‌وتحلیل ژنومی ARF می‌تواند درک نقش تنظیمی آنها را در رشد و توسعه دانش ما بهبود ببخشد. اگرچه خانواده ژن ARF در برخی از گونه‌های گیاهی مطالعه شده است، اما ویژگی‌های ساختاری، تکامل مولکولی و پروفایل بیانی آنها در گل گاوزبان هنوز مشخص نیست. هدف این مطالعه به‌دست­ آوردن بینش بهتر در مورد ویژگی­های ساختاری و عملکردی متمایز در بین پروتئین­های ARF در گل گاوزبان پلانتاگینیوم (plantagineum Echium) است.
مواد و روش­ها
در این مطالعه یک تجزیه‌وتحلیل جامع در کل ژنوم برای یافتن تمام اعضای خانواده ARF در گل گاوزبان پلانتاگینیوم بر پایه دو روش 1) پروفایل‌های مخفی مدل مارکوف (HMM) اعضای خانواده ژنی ARF و 2) هم­ردیفی در برابر توالی­های پروتئینی ARF آرابیدوبسیس (thaliana Arabidopsis) انجام شد. موتیف‌های حفاظت‌شده ژن‌های ARF شناسایی‌ شد. نقشه کروموزومی و جایگاه ژن­های ARF با استفاده از mapchart، روابط فیلوژنتیکی با استفاده از FastTree و ویژگی‌های پروتئینی آنها با استفاده از سرور آنلاین Expasy-ProtParam بررسی گردید. برای بررسی روابط فیلوژنتیکی پروتئین‌های ARF گل گاوزبان، درخت فیلوژنتیک با استفاده از هم‌ترازی توالی‌های پروتئینی گل گاوزبان رسم شد. تفسیر کارکردی و طبقه­بندی هستی­شناسی ژن­ها با استفاده از وب سرور g:Profiler تعیین شد. شبکه‌ تعاملی به منظور شناسایی ژن­های با بیان مشترک با استفاده از وب سرور GeneMANIA پیش‌بینی شد.
نتایج
براساس تجزیه‌وتحلیل گسترده ژنوم، در مجموع 28 ژن ARF شناسایی شد که به‌طور گسترده در کروموزوم‌های گیاه گل گاوزبان توزیع شده­اند. این ژن­ها فعالیت تنظیم‌کننده رونویسی دارند و با توجه به ماهیت توالی نقش فعال‌کننده یا سرکوب­کنندگی دارند. پیش‌بینی مکان درون سلولی نشان داد که پروتئین‌های ARF گل گاوزبان در هسته بیشترین حضور را دارند. تجزیه‌وتحلیل فیلوژنتیکی پروتئین­های خانواده ژنی ARF منجر به تشکیل چهار کلاس اصلی شد که ﻫﺮ گروه از ﻧﻈﺮ کارکرد اﺧﺘﺼﺎصی اﺳﺖ و بینش­هایی را در مورد روابط ارتولوگ مختلف ارائه می­دهد. این مطالعه خانواده ژن ARF گل گاوزبان و ارتباط تکاملی آن با اعضای این خانواده را در گونه آرابیدوبسیس مشخص می­کند. این موضوع می­تواند در شناسایی ژن‌های ARF و عملکرد آنها کمک کند. تجزیه‌وتحلیل موتیف­های حفاظت شده و جستجوی دمین در توالی­های پروتئینی ARF نشان داد که پروتئین­های ARF دارای دمین­های اتصال DNA مانند B3 و دمین Auxin_resp در ساختار خود هستند. تجزیه‌وتحلیل ترم‌های هستی­شناسی ژن (term GO) در دسته فرایند بیولوژیکی نشان داد که تنظیم فرایند سلولی، تنظیم فرایند متابولیک، پاسخ به محرک، سیگنالینگ و تنظیم بیولوژیکی معنی­دارترین GO ترم­ها را به خود اختصاص داده است.
نتیجه­ گیری
نتایج این مطالعه بستری را برای شناسایی ژن­های ARF و روشن شدن عملکرد آنها در گاوزبان E plantagineum فراهم می‌کند که برای تحقیقات آینده در جهت کشف و تأیید عملکرد بیشتر این ژن­ها مفید خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

  1. Amir, G. Z., Azadbakht, M., and Keshavarzi, F., 2000. Echium amoenum stimulates of lymphocyte proliferation and inhibit of humoral antibody synthesis.119-124.
  2. Bostancioglu, S.M., Tombuloglu, G., Tombuloglu, H., 2018. Genome-wide identification of barley MCs (metacaspases) and their possible roles in boron-induced programmed cell death. Molecular Biology Reports, 45, 211-225.
  3. Cancé, C., Martin‐Arevalillo, R., Boubekeur, K., & Dumas, R., 2022. Auxin response factors are keys to the many auxin doors. New Phytologist, 235(2), 402-419.
  4. Diao, D., Hu, X., Guan, D., Wang, W., Yang, H. and Liu, Y., 2020. Genome-wide identification of the ARF (auxin response factor) gene family in peach and their expression analysis. Molecular Biology Reports 47, 4331-4344.
  5. El Hafid, R., Blade, S., and Hoyano, Y. 2002. Seeding date and nitrogen fertilization effects on the performance of borage (Borago officinalis). Industrial Crops and Products, 16, 193-199.
  6. Ellis, C. M., Nagpal, P., Young, J. C., Hagen, G., Guilfoyle, T. J., and Reed, J. W., 2005. AUXIN RESPONSE FACTOR1 and AUXIN RESPONSE FACTOR2 regulate senescence and floral organ abscission in Arabidopsis thaliana. Development, 132, 4563-4574.
  7. Finet, C., Berne-Dedieu, A., Scutt, C.P. and Marlétaz, F., 2013. Evolution of the ARF gene family in land plants: old domains, new tricks. Molecular Biology and Evolution, 30(1), 45-56.
  8. Finet, C., Fourquin, C., Vinauger, M., Berne‐Dedieu, A., Chambrier, P., Paindavoine, S., and Scutt, C. P., 2010. Parallel structural evolution of auxin response factors in the angiosperms. The Plant Journal 63, 952-959.
  9. Fioeoen, E., 2000. Medicinal plants in China contain pyrrolizidine alkaloids. Pharmazie 55, I0.
  10. Fleming, A. J. 2006. Plant signalling: the inexorable rise of auxin. Trends in cell biology 16, 397-402.
  11. Guilfoyle, T. J., and Hagen, G. 2007. Auxin response factors. Current opinion in plant biology 10, 453-460.
  12. Hagen, G., and Guilfoyle, T. 2002. Auxin-responsive gene expression: genes, promoters and regulatory factors. Plant molecular biology 49, 373-385.
  13. Huerta-Cepas, J., Serra, F., & Bork, P. 2016. ETE 3: reconstruction, analysis, and visualization of phylogenomic data. Molecular biology and evolution, 33(6), 1635-1638.
  14. Kaul, S., Koo, H. L., Jenkins, J., Rizzo, M., Rooney, T., Tallon, L. J., Feldblyum, T., Nierman, W., Benito, M. I., and Lin, X. 2000. Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana. Nature, 408, 796-815.
  15. Korasick, D. A., Westfall, C. S., Lee, S. G., Nanao, M. H., Dumas, R., Hagen, G., Guilfoyle, T. J., Jez, J. M., and Strader, L. C., 2014. Molecular basis for Auxin response factor protein interaction and the control of auxin response repression. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111, 5427-5432.
  16. Kumar, R., Tyagi, A. K., and Sharma, A. K., 2011. Genome-wide analysis of auxin response factor (ARF) gene family from tomato and analysis of their role in flower and fruit development. Molecular Genetics and Genomics, 2(85), 245-260.
  17. Li, S.B., Xie, Z.Z., Hu, C.G. and Zhang, J.Z., 2016. A review of auxin response factors (ARFs) in plants. Frontiers in plant science 7, 47.
  18. Liu M., Ma Z., Wang A., Zheng T., Huang L., Sun W., Zhang Y., Jin W., Zhan J., Cai Y., 2018 Genome-Wide Investigation of the Auxin Response Factor Gene Family in Tartary Buckwheat (Fagopyrum tataricum). International Journal of Molecular Sciences, 19:3526. doi: 10.3390/ijms19113526.
  19. Liu, P. P., Montgomery, T. A., Fahlgren, N., Kasschau, K. D., Nonogaki, H., and Carrington, J. C. 2007., Repression of auxin response factor 10 by microRNA160 is critical for seed germination and post‐germination stages. The Plant Journal, 52, 133-146.
  20. Mei, M., Ai, W., Liu, L., Xu, X., & Lu, X., 2022. Genome-wide identification of the auxin response factor (ARF) gene family in Magnolia sieboldii and functional analysis of MsARF5. Frontiers in Plant Science,13, 958816.
  21. Mohammadi, S., Khosro, P., and Dinarvand, M., 2019. Antioxidant and Antibacterial Effects of Some Medicinal Plants of Iran. International Journal of Secondary Metabolite, 6, 62-78.
  22. Mohammadi, S., and Piri, K., 2014. Antifungal effects of two medicinal plants native to Iran. International Journal of Advanced Biological and Biomedical Research, 2, 2712-2715.
  23. Mutte S.K., Kato H., Rothfels C., Melkonian M., Wong G.K.S., Weijers D., 2017. Origin and Evolution of the Nuclear Auxin Response System. bioRxiv 1–25. Doi: 10.1101/220731.
  24. Okushima, Y., Overvoorde, P. J., Arima, K., Alonso, J. M., Chan, A., Chang, C., Ecker, J. R., Hughes, B., Lui, A., and Nguyen, D., 2005. Functional genomic analysis of the Auxin response factor gene family members in Arabidopsis thaliana: unique and overlapping functions of ARF7 and ARF19. The Plant Cell, 17, 444-463.
  25. Pei, Q., Li, N., Yang, Q., Wu, T., Feng, S., Feng, X., Jing, Z., Zhou, R., Gong, K., Yu, T. and Wang, Z., 2021. Genome-wide identification and comparative analysis of ARF family genes in three Apiaceae species. Frontiers in genetics, 11, p.1653.
  26. Powers, S.K. and Strader, L.C., 2020. Regulation of auxin transcriptional responses. Developmental Dynamics 249 (4), 483-495.
  27. Price, M. N., Dehal, P. S., and Arkin, A. P., 2010. FastTree 2–approximately maximum-likelihood trees for large alignments. PloS one, 5(3), e9490.
  28. Ranjbar, A., Khorami, S., Safarabadi, M., Shahmoradi, A., Malekirad, A. A., Vakilian, K., Mandegary, A., and Abdollahi, M. 2006. Antioxidant activity of Iranian Echium amoenum Fisch & CA Mey flower decoction in humans: a cross-sectional before/after clinical trial. Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine 3(4): 469–473.
  29. Reimand, J., Arak, T., Adler, P., Kolberg, L., Reisberg, S., Peterson, H. and Vilo, J., 2016. g: Profiler—a web server for functional interpretation of gene lists. Nucleic acids research 44(W1), W83-W89.
  30. Rienstra, J., Hernández-García, J., Weijers D. 2023. To bind or not to bind: how auxin response factors select their target genes. Journal of Experimental Botany 74(22), 6922-6932.
  31. Shams, S., Ismaili, A., Firouzabadi, F.N., Mumivand, H. and Sorkheh, K. 2023. Comparative transcriptome analysis to identify putative genes involved in carvacrol biosynthesis pathway in two species of Satureja, endemic medicinal herbs of Iran. Plos one 18(7), p.e0281351.
  32. Shams, S., Norouzi, M. 2019. RNA extraction process (ribonucleic acid) from Satureja medicinal herb. http://ipm.ssaa.ir/Search-Result?page=1&DecNo=139750140003003617&RN=97885.
  33. Shen, C., Wang, S., Bai, Y., Wu, Y., Zhang, S., Chen, M., Guilfoyle, T.J., Wu, P. and Qi, Y., 2010. Functional analysis of the structural domain of ARF proteins in rice (Oryza sativa). Journal of experimental botany, 61(14), pp.3971-3981.
  34. Soria, P.S., McGary, K.L. and Rokas, A., 2014. Functional divergence for every paralog. Molecular biology and evolution 31(4), 984-992.
  35. Tabata R, Ikezaki M, Fujibe T, Aida M, Tian CE, Ueno Y, Yamamoto KT, Machida Y, Nakamura K, Ishiguro S. 2010. Arabidopsisauxin response factor6 and 8 regulate jasmonic acid biosynthesis and floral organ development via repression of class 1 KNOX Plant Cell Physiol 51, 164–175.
  36. Tiwari, S.B., Hagen, G. and Guilfoyle, T. 2003. The roles of auxin response factor domains in auxin-responsive transcription. The Plant Cell 15(2): 533-543.
  37. Tombuloglu, H. 2019. Genome-wide analysis of the auxin response factors (ARF) gene family in barley (Hordeum vulgare). Journal of Plant Biochemistry and Biotechnology 28(1), 14-24.
  38. Valiente-Mullor, C., Beamud, B., Ansari, I., Francés-Cuesta, C., García-González, N., Mejía, L., Ruiz-Hueso, P., González-Candelas, F. 2021. One is not enough: On the effects of reference genome for the mapping and subsequent analyses of short-reads. PLOS Computational Biology 17(1):e1008678. doi: 10.1371/journal.pcbi.1008678. PMID: 33503026; PMCID: PMC7870062.
  39. Varaud E., Brioudes F., Szécsi J., Leroux J., Brown S., Bendahmane M., Varaud E., Brioudes F., Leroux J., Brown S. 2015. Auxin response factor8 regulates Arabidopsispetal growth by interacting with the bHLH transcription factor BIGPETALp. Plant Cell 23:973–983.
  40. Van Ha C., Le D.T., Nishiyama R., Watanabe Y., Sulieman S., Tran U.T., Mochida K., Van Dong N., Yamaguchi-Shinozaki K., Shinozaki K., Tran L.S. The Auxin Response Factor Transcription Factor Family in Soybean: Genome-Wide Identification and Expression Analyses during Development and Water Stress. DNA Research20:511–524.
  41. Voorrips, R. 2002. MapChart: software for the graphical presentation of linkage maps and QTLs. Journal of Heredity 93(1),77-78.
  42. Wang, D., Pei, K., Fu, Y., Sun, Z., Li, S., Liu, H., Tang, K., Han, B. and Tao, Y., 2007. Genome-wide analysis of the auxin response factors (ARF) gene family in rice (Oryza sativa). Gene 394(1-2), 13-24.
  43. Wang, L., Hua, D., He, J., Duan, Y., Chen, Z., Hong, X. and Gong, Z. 2011. Auxin Response Factor2 (ARF2) and its regulated homeodomain gene HB33 mediate abscisic acid response in Arabidopsis. PLoS genetics 7(7), p.e1002172.
  44. Wen, J., Guo, P., Ke, Y., Liu, M., Li, P., Wu, Y., Ran, F., Wang, M., Li, J. and Du, H. 2019. The auxin response factor gene family in allopolyploid Brassica napus. PloS one 14(4), p.e0214885.
  45. Wright, R. C., and Nemhauser, J. L. 2015. New tangles in the auxin signaling web. F1000prime Reports 7, 19.
  46. Xu, Z., Ji, A., Song, J. and Chen, S., 2016. Genome-wide analysis of auxin response factor gene family members in medicinal model plant Salvia miltiorrhiza. Biology Open 5(6), 848-857.
  47. Xia, F., Sun, T., Yang, S., Wang, X., Chao, J., Li, X., Hu, J., Cui, M., Liu, G., Wang, D. and Sun, Y. 2019. Insight into the B3Transcription factor superfamily and expression profiling of B3 genes in axillary buds after topping in tobacco (Nicotiana tabacum ). Genes 10(2),164.
  48. Xing H., Pudake R.N., Guo G., Xing G., Hu Z., Zhang Y., Sun Q., Ni Z. 2011.Genome-Wide Identification and Expression Profiling of Auxin Response Factor (ARF) Gene Family in Maize. BMC Genome 12:1–13. doi: 10.1186/1471-2164-12-178. 
  49. Yu, H., Soler, M., Mila, I., San Clemente, H., Savelli, B., Dunand, C., Paiva, J. A., Myburg, A. A., Bouzayen, M., and Grima-Pettenati, J. 2014. Genome-wide characterization and expression profiling of the Auxin response factor (ARF) gene family in Eucalyptus grandis. PloS one 9, e108906.
  50. Yu, Z., Zhang, F., Friml, J., Ding, Z. 2022. Auxin signaling: research advances over the past 30 years. Journal of Integrative Plant Biology 64, 371–392. doi: 10.1111/jipb.13225.
  51. Zouine, M., Fu, Y., Chateigner-Boutin, A.L., Mila, I., Frasse, P., Wang, H., Audran, C., Roustan, J.P. and Bouzayen, M., 2014. Characterization of the tomato ARF gene family uncovers a multi-level post-transcriptional regulation including alternative splicing. PloS one 9(1), e84203.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار