شناسایی و خصیصه‌یابی ژن‌های رمز‌کننده خانواده پروتئینی متحمل به فلزات سنگین در صنوبر پده (Populus. euphratica)

چکیده
سابقه و هدف:
فلزات سنگین از رایج‌ترین مشکلات محیط‌زیست بوده و دارای تأثیرات منفی روی گیاهان هستند. روش گیاه‌پالایی با استفاده از گیاهان برای استخراج، جدا‌سازی و یا از بین‌بردن انواع آلاینده‌های محیط‌زیست مقرون به صرفه و سازگار با محیط‌زیست است. توانایی گیاه‌پالایی فلزات سنگین در گیاهان ازجمله صنوبریان با استفاده از خانواده‌های مختلف پروتئینی انجام می‌شود که می‌توان به خانواده MTP )پروتئین متحمل به فلزات( اشاره کرد. امروزه بدلیل شناسایی توالی ژنومی برخی از موجودات زنده، با استفاده از اطلاعات موجود در پایگاه‌های مختلف، می‌توان به تحقیق در زمینه یافتن ژن‌ها و عملکرد آنها پرداخت. این مطالعه برای شناسایی، بررسی تنوع و قرابت‌های ژنتیکی بین اعضای خانواده MTP در صنوبر پده ( Populus. euphratica) انجام شده است.
مواد و روش‌ها:
شناسایی اعضا خانواده MTP در ژنوم صنوبر پده با استفاده از توالی پروتئینی همولوگ خانواده MTP دو گیاه مدل آرابیدوپسیس و برنج به ‌روش BlastP در پایگاه داده NCBI انجام شد. پس از همردیف‌سازی توالی‌ها، ترسیم درخت فیلوژنتیکی به‌روش Neighbor-Joining انجام شد. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی و مکان‌یابی اعضاء پروتئینی پیش‌بینی شد و نوع فشار گزینش، الگوی توزیع اگزون-اینترون و موتیف‌های اختـصاصی اعضای خانواده ژنیMTP  توسط نرم‌افزارهای مختلف انجام شد. آنتولوژی (هستی‌شناسی) ژنها در سه سطح فرایندهای زیستی، عملکرد مولکولی و جزء سلولی انجام گردید و ژن‌ها از نظر وجود نشانگر توالی تکراری ساده منحصر بررسی شدند. پس از شناسایی MicroRNA تنظیم‌کننده بیان ژن هریک از اعضا، شبکه ارتباطی ژن‌ها و MicroRNA ترسیم شد. بررسی دیجیتالی بیان ژن در بافت‌های مختلف و تنش شوری 200 میلی‌مولار پس از دریافت و نرمال‌سازی داده‌های RNA-seq انجام شد و نقشه حرارتی (heat map) با استفاده از نرم‌افزار Mev4.0 ترسیم گردید.
نتایج:
در بررسی بیوانفورماتیک 26 عضو از خانواده ژنیMTP  در ژنوم P. euphratica  شناسایی شد. بررسی فیلوژنتیکی اعضا خانواده ژنی MTP را به سه گروه (Mn-MTP، Zn/Fe-MTP و Zn-MTP) و هفت زیرگروه تقسیم کرد. در بررسی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی و هستی‌شناسی پروتئین‌‌های رمز‌شونده، نقش آنها در ارتباط با غشای پلاسمایی و در انتقال فلزات به واکوئل مشخص شد که تاییدکننده نقش این خانواده در سم‌زدایی ناشی از تأثیر منفی فلزات سنگین است. فشار گزینش در تمامی اعضاء از نوع انتخاب منفی بود که بیانگر اثر جانشینی یا واگرایی در ساختار ژنی است. در تجزیه‌وتحلیل ساختار ژنی، بیشترین و کمترین یکپارچگی به ترتیب در داخل و بین گروه‌ها مشاهده شد. 52 نشانگر اختصاصی SSR در 15 توالی ژنی شناسایی شد که در انتخاب جمعیت‌های مورد نظر کمک می‌کند. در بررسی بیان ژن در بافت‌های مختلف ژن‌های MTP11.2, MTP3.2, MTP12 و MTP7 بیشترین بیان را نشان دادند. در میزان تغییرات بیان ژنها در زمان‌های مختلف بعد از اعمال شوری، ژن MTP1.1 بعد از 48 ساعت بیشترین افزایش بیان ژن را نشان داد. نتایج با توجه به تشابه پاسخ‌های گیاه در شوری از طریق تولید بیش از حد یون‌‌ها و کاهش عملکرد، قابل تعمیم به تنش فلزات سنگین نیز است.
نتیجه‌گیری:
 وجود نسخه‌های متعدد از یک ژن به‌دلیل نیاز بالای گیاه به عملکرد و محصول اختصاصی آن ژن و یا بیان متفاوت اعضای خانواده در مراحل مختلف رشد و نمو و تنش‌های مختلف است. صنوبر پده دارای تعداد بالایی از اعضای خانواده MTP بود که می‌تواند دلیلی بر استفاده از این گونه در پالایش خاک از فلزات سنگین باشد و با رشد بیشتر و تولید مقدار بیشتری چوب صنوبر نیز همراه است. نتایج بیانگر کاربرد داده‌های بیوانفورماتیک بدست آمده، برای تسهیل شناسایی جمعیت‌های متحمل به فلزات به‌صورت دقیق و با صرف هزینه و زمان کمتر است. با کمک داده‌های بیوانفورماتیک به‌صورت دقیق به سراغ ژنهای مدنظر رفته و از آزمون و خطا در انجام آزمایش‌ها جلوگیری می‌شود.