آنالیز گسترده ژنوم، تفسیر و بررسی بیان ژن‌های VDAC در گل رز چینی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی‌ارشد گروه علوم باغبانی و فضای سبز، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

2 نویسنده مسئول، دانشیار گروه علوم باغبانی و فضای سبز، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

3 استادیار گروه علوم باغبانی، دانشگاه کشاورزی نانجینگ، جیانگسو، چین

چکیده

چکیده
سابقه و هدف
گل رز چینی‌ با نام علمی Rosa chinensis جزو گیاهان همیشه گلدار، دیپلوئید و بومی چین است. دیپلوئید بودن این گونه گیاهی انجام کارهای بهنژادی روی این گیاه را تسهیل نموده است. هدف این تحقیق ارزیابی فیلوژنی، آنالیز راه‌انداز، پیشبینی ساختار پروتئین، پیشبینی پروتئین‌های برهمکنش دهنده و آنالیز داده RNAseq در 7 ژن VDAC در گل رز چینی است.
مواد و روش‌ها
در این مطالعه ابتدا با استفاده از جستجویBLAST ، همولوگ‌های ژن VDAC از پایگاه داده مربوط به گل رز چینی دریافت شد و یک جفت آغازگر اختصاصی برای آن طراحی گردید. قطعه تکثیر شده از روی cDNA به کمک واکنش زنجیره‌ای پلیمراز با استفاده از حامل همسانه‌سازی PENTER ، جداسازی و در باکتری E-Coli تکثیر و سپس توالی‌یابی شد. از همان پایگاه داده، 1500 جفت باز از راه‌انداز 7 ژن VDAC گل رز چینی برای آنالیز جدا شد و شناسایی نواحی اتصال عوامل رونویسی با استفاده از سایت PlantCARE انجام شد. آنالیز درخت فیلوژنی به وسیله نرم افزار OMEGA7 انجام شد و داده‌های اولیه از NCBI‌ و Tair حاصل شدند. برهمکنش پروتئین‌ها به کمک پایگاه داده STRING انجام شد. پیش‌بینی ساختار سوم پروتئین با استفاده از نرم افزار Pymol و آنالیز RNA seq با استفاده از Mev انجام شد.
یافته‌ها
نتایج جداسازی و توالی‌یابی ناحیه کد کننده دو ژن VDAC1 و VDAC2 نشان از شباهت 100 درصدی ژن‌های جدا شده و تطابق آن با پایگاه داده گل رز چینی دارد. بررسی‌های صورت گرفته روی 7 ژن‌ VDAC در گل رز چینی با دیگر ژن‌های VDAC موجود در گونه‌های تک‌لپه و دولپه با وجود تایید محافظت شده بودن این ژن در گل رز چینی و دیگر گونه‌ها، نشان از تغییرات در توالی ژن دارد که باعث خوشه‌بندی ژن‌های گل رز چینی حتی در تیره‌های دیگر شد. آنالیز راه انداز 7 ژن VDAC نشان داد که نواحی Cis-element متفاوتی مانند عناصر پاسخ دهنده به نور، هورمونها و تنش‌های غیر‌زیستی بر روی راه انداز این ژنها وجود دارد. حضور نواحی زیاد مربوط به محل اتصال عوامل رونویسی MYB و MYC و همچنین نواحی پاسخ دهنده به هورمون‌هایی مانند اسید جاسمونیک، اسید آبسزیک‌، اکسین و جیبرلین و حتی سرما و خشکی تاکید بر نقش این ژن در تنش-های غیر زیستی دارد. این موضوع به وسیله آنالیز ترانسکریپتوم در شرایط تنش غیر‌زیستی و حتی زیستی در رابطه با ژنهای RcVDA2 و RcVDAC5 قابل تایید است.
نتیجه‌گیری
در مجموع آنالیز داده‌های ترانسکریپتوم‌، آنالیز راه انداز، پیش‌بینی ساختار 7 پروتئین RcVDAC و بررسی روابط فیلوژنتیک، شواهد آشکاری در رابطه با وجود اورتولوگ‌های مختلف RcVDAC در گل رز چینی با تفاوت در ساختار سه‌بعدی پروتئین و تفاوت در میزان بیان و نقش بیولوژیک در تنش‌های مختلف محیطی دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Genome-wide analysis, annotation and expression profile analysis of VDAC gene family in Rosa chinensis

نویسندگان [English]

  • Gol Mohammad Ashrafei Kolteh 1
  • Mostafa Khoshhal Sarmast 2
  • jinyi Liu 3
1 M.Sc. Student, Dept. of Horticultural Science and Landscape, Faculty of Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources (GUASNR), Gorgan, Iran
2 Corresponding Author, Associate Prof., Dept. of Horticultural Science and Landscape, Faculty of Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources (GUASNR), Gorgan, Iran.
3 Assistant Prof., Dept. of Horticultural Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210095, China
چکیده [English]

Abstract
Background and objectives:
Rosa chinensis is an everflowering diploid plant originated from China. The diploid level of the cell in these plant facilities its breeding program. The objectives of the present work were to analyse the phylogenetic relationship, promoter analysis, prediction of protein interaction and structure. Moreover RNA seq analysis of 7 R. chinensis VDAC genes has also been conducted.

Material and methods:
VDAC homologues were detected from https://lipm-browsers.toulouse.inra.fr/pub/RchiOBHm-V2/ via BLAST search program. Two pair of primers was design to isolate RcVDAC1 and 2 from R. chinensis cDNA. The PCR amplified segments inserted into PENTER vector and cloned in E-Coli cell and subsequently sequenced. 1500 pb of upstream of seven RcVDAC genes were isolated from lipm-browsers for analyzing by PlantCare software. Phylogenetic tree was laied out by OMEGA 7.0 and all the inputs collected from NCBI and Tair websites. RcVDACs protein interaction predicted via STRING website. RcVDACs proteins structure prediction laied out via Pymole software and R. chinensis transcriptome analysed through RNAseq data by Mev. software.
Results:
Isolation and sequencing results of RcVDAC1-2 indicated that their sequence is as exact as Rosa data bank information. The separation of the RcVDACs in different cluster by phylogenetic tree suggests the formation of highly divergent paralogues in RcVDACs. Research results gained by PlantCare showed different light, PGR and stress responsive cis-regulatory element in different RcVDACs promoter region. The presence of high amount of transcription factor binding site related to MYB and MYC TF as well as having regions responsive to phytohormones such as jasmonic acid, abscisic acids, auxin, gibberellic acid and also drought and cold stress likely suggesting the regulatory role of RcVAC genes under abiotic stress. In fact the results gained by RNAseq data confirmed the regulatory role that RcVDAC2 and 5 may play during biotic and abiotic stress condition.
Conclusion:
Generally, the analysis of transcriptome by RNAseq, promoter analysis, prediction of 7 of RcVDAC proteins, and their interacting protein and phylogenetic study shed light on the presence of different RcVDAC orthologes and indicates this difference on protein structure; govern their different biological function in different developmental stage and different stress condition. In fact the results gained by RNAseq data confirmed the regulatory role that RcVDAC2 and 5 may play during biotic and abiotic stress condition. In fact the results gained by RNAseq data confirmed the regulatory role that RcVDAC2 and 5 may play during biotic and abiotic stress condition.

Key words: Bioinformatics, cDNA, PENTER, BLAST, PlantCare, RNA seq

کلیدواژه‌ها [English]

  • cDNA
  • PENTER
  • BLAST
  • PlantCAR
  • RNAseq

مراجع

1.Wang, G. 2007. A study on the history of Chinese roses from ancient works and images. Acta Hort. 751: 347-356.
2.Robert, N., d’Erfurth, I., Marmagne, A., Erhardt, M., Allot, M., Boivin, K., Gissot, L., Monachello, D., Michaud, M., Duchêne, A.M., Barbier-Brygoo, H., Maréchal-Drouard, L., Ephritikhine, G. and Filleur, S. 2012. Voltage-dependent-anion-channels (VDACs) in Arabidopsis have a dual localization in the cell but show a distinct role in mitochondria.,” Plant molecule. Biology, 78: 431-46.
3.Nybom, H. and Werlemark, G. 2017. Realizing the potential of health-promoting rosehips from dogroses
(Rosa sect. Caninae). Curr. Bioac. Compd. 13: 3-17.
4.Saint-Oyant, L.H. and Ruttink, T., et al. 2018. A high-quality genome sequence of Rosa chinensis to elucidate ornamental traits. Nature, 4: 473-484.
5.Taiz, L., Zeiger, E., Moller, I.M. and Murphy, A. 2015. Plant physiology and development. Sixth edition. Sinauer Associates. 761p.
6.Tateda, C., Watanabe, K., Kusano, T. and Takahashi, Y. 2011. “Molecular and genetic characterization of the gene family encoding the voltage-dependent anion channel in Arabidopsis. J. Exp. Bot. 62: 4773-85.
7.Lee, S.M., Hoang, H., Han, H.J.,Kim, H.S., Lee, K., Kim, K.E., Kim, D.H., Lee S.Y. and Chung, W.S. 2009. Pathogen inducible Voltage-Dependent Anion Channel (AtVDAC) isoforms are localized to mitochondria membrane in Arabidopsis. Mol. Cells, 27: 321-327.
8.Sievers, F. and Higgins, D.G. 2018. Clustal Omega for making accurate alignments of many protein sequences. Protein Science, 27: 135-145.
9.Kumar, S., Stecher, G. and Tamura, K. 2016. MEGA7: molecular evolutionary genetics analysis version 7.0 for bigger datasets. Mol. Biol. Evol. 33: 1870-1874.
10.Lescot, M., Dehais, P., Thijs, G., Marchal, K., Moreau, Y., van de Peer, Y., Rouze, P. and Rombauts, S. 2002. PlantCARE, a database of plantcis-acting regulatory elements and a portal to tools for in silico analysis of promoter sequences. Nucleic Acids Res. 30: 325-327.
11.Szklarczyk, D., Franceschini, A., Wyder, S., Forslund, K., Heller, D., Huerta-Cepas, J., Simonovic, M., Roth, A., Santos, A., Tsafou, K.P., Kuhn, M., Bork, P., Jensen, L.J. and von Mering, C. 2015. STRING v10: protein–protein interaction networks, integrated over the tree of life. Nucleic Acids Research,43: 447-452. doi: 10.1093/nar/gku1003.
12.Dubois, A., Carrere, S. and Raymond, O. et al. 2012. Transcriptome database resource and gene expression atlas for the rose. BMC Genomics, 13: 638.
13.Xu, X., Tan, Y.P., Cheng, G., Liu, X.Q., Xia, C.J., Luo, Y.F. and Wang, C.T. 2015. Genomic survey and gene expression analysis of the VDAC gene family in rice. Genet. Mol. Res.
14: 15683-15696.
14.Bay, D.C., Hafez, M., Young, M.J.and Court, D.A. 2012. Phylogeneticand coevolutionary analysis of theβ-barrel protein family comprised of mitochondrial porin (VDAC) and Tom40. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes, 1818: 1502-1519.
15.Colombini, M.A. 1979. Candidate forthe permeability pathway of theouter mitochondrial membrane. Nature,279: 643-645.
16.Kinnally, K.W., Peixoto, P.M., Ryu, S.Y. and Dejean, L.M. 2010. IsmPTP the gatekeeper for necrosis, apoptosis, or both? Biochim. Biophys. Acta. 1813: 616–622.
17.Young, M.J., Bay, D.C., Hausner, G. and Court, D.A. 2007. The evolutionary history of mitochondrial porins. BMC Evol. Biol. 7: 31. https://doi.org/ 10. 1186/1471-2148-7-31
18.Adl, S.M., Simpson, A.G., armer, M.A., Andersen, R.A., Anderson, O.R., Barta, J.R., Bowser, S.S., Brugerolle, G., Fensome, R.A., Fredericq, S., James, T.Y., Karpov, S., Kugrens, P., Krug, JC., Lane, E., Lewis, L., Lodge, A.J., Lynn, D.H., Mann, D.G., McCourt, R.M., Mendoza, L., Moestrup, O. andMozley-Standridg, S.E. et al. 2005.The new higher level classification
of eukaryoteswith emphasis on the taxonomy of protists. J. Eukaryot. Microbiol. 52: 399-451.
19.Kanwar, P., Samtani, H., Sanyal, S.K., Srivastava, A.K., Suprasanna, P. and Pandey, G.K. 2020. VDAC and its interacting partners in plant and animal systems: An overview. Crit. Rev. Biotechnol. 40: 715-732.
20.Dai, X., Xu, Y., Ma, Q., Xu, W., Wang, T., Xue, Y. and Chong, K. 2007. Overexpression of an R1R2R3 MYB Gene, OsMYB3R-2, increases tolerance to freezing, drought, and salt stressin transgenic Arabidopsis. Plant Phys.143: 1739-1751.
21.Li, J., Hun, G. and Sui, N. 2019. Research advances of MYB transcription factors in plant stress resistance and breeding. Plant Sig. Behav. 14: 1613131. https://doi.org/ 10.1080/15592324.2019.1613131
22.Menkens, A.E., Schindler, U. and Cashmore, A.R. 1995. The G-box: A ubiquitous regulatory DNA element in plants bound by the GBF family ofbZIP proteins. Trends Biochem. Sci.20: 506-510.
23.Arias, J.A., Dixon, R.A. and Lamb, C.J. 1993. Dissection of the functional architecture of a plant defense gene promoter using a homologous in vitro transcription initiation system. Plant Cell, 5: 485-496.
24.Deng, W., Ying, H., Helliwell, C.A., Taylor, J.M. and Peacock, W.J. 2011. FLOWERING LOCUS C (FLC) regulates development pathways throughout the life cycle of Arabidopsis. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 108: 6680-6685.
25.Yadav, A.K., Jha, S.K., Sanyal, S.K., Luan, S. and Pandey, G.K. 2018. Arabidopsis Calcineurin B-like proteins differentially regulate phosphorylation activity of CBL-interacting protein kinase 9. Biochem. J. 475: 2621-2636.
26.Cho, J.H., Choi, M.N., Yoon, K.H. and Kim, K.N. 2018. Ectopic expression of SjCBL1, Calcineurin B-Like1 gene from Sedirea japonica, rescues the salt and osmotic stress hypersensitivity in Arabidopsis cbl1 Mutant. Fron. Plant. Sci. 1181. 10.3389/fpls.2018.01188.
27.Fang, Q., Wang, Q., Mao, H., Xu, J., Wang, Y., Hu, H., He, S., Tu, J., Cheng, C., Tian, G., Wang, X., Liu, X., Zhang, C. and Luo, K. 2018. AtDIV2, an R-R-type MYB transcription factor of Arabidopsis, negatively regulates salt stress by modulating ABA signaling. Plant Cell Report, 37: 1499-1511.
28.Hill, K., Model, K., Ryan, M.T., Dietmeier, K., Martin, F., Wagner, R. and Pfanner, N. 1998. Tom40 forms the hydrophilic channel of the mitochondrial import pore for preproteins. Nature,395: 516-521.
29.Ujwal, R., Cascio, D., Colletier, J.P., Faham, S., Zhang, J., Toro, L., Ping, P. and Abramson, J. 2008. The crystal structure of mouse VDAC1 at 2.3 A resolution reveals mechanistic insights into metabolite gating. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 105: 17742-17747.
30.Noskov, S.Y., Rostovtseva, T.K. and Chamberlin, A.C. 2019. Current state of theoretical and experimental studies of the voltage-dependent anion channel (VDAC). Biochim Biophys Acta.1858: 1778-1790.
پژوهش‌های تولید گیاهی
دوره 29، شماره 1
فروردین 1401
صفحه 111-132

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار