ارزیابی انتقال چند ژنی یک پروتئین کیناز سرین/ترئونین به همراه ژنی از خانواده سیتوکینین اکسیداز/دِهیدروژناز و فاکتور رونویسی القا شونده در شرایط تنش از خانواده NAM-ATAF-CUC به برنج

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

1 پژوهشگاه پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی (ABRII)، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی

2 پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی (ABRII)، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی

3 موسسه تحقیقات برنج کشور (RRII)، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی

4 استادیار، پژوهشگاه پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی (ABRII)، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی

5 استاد، پژوهشگاه پژوهشگاه بیوتکنولوژی کشاورزی (ABRII)، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی

چکیده
تولید گیاهان متحمل به خشکی با بهبود ساختار ریشه به دلیل بحران کم آبی حائز اهمیت خواهد بود. در این پژوهش سه ژن تاثیر گذار در بهبود ساختار ریشه، مقاومت به خشکی و افزایش جذب فسفر با ساخت سازه‌های ترکیبی دو و سه ژنی برای انتقال به گیاه برنج استفاده شدند. یک پروتئین کیناز سرین/ترئونین موثر در افزایش جذب عناصر غذایی به ویژه فسفر (PSTOL1)، ژنی از خانواده سیتوکینین اکسیداز/دِهیدروژناز (OsCKX4) و یکی از ژن‌های کدکننده فاکتور رونویسی القا شونده در شرایط تنش از خانواده NAM-ATAF-CUC (OsNAC5) برگرفته از ارقام وحشی برنج تحت نواحی تنظیمی جداگانه در ناحیه T-DNA ناقل دوگانه اگروباکتریومی قرار داده شدند. ژن OsNAC5 تحت پیشبر مختص ریشه RCc3 و ژن PSTOL1 تحت پیشبر یوبیکوئیتین همسانه‌سازی شدند. همچنین ژن OsCKX4 یک بار تحت پیشبر یوبی‌کوئیتین و یک بار تحت پیشبر RCc3 همسانه‌سازی شد. دو سازه چند ژنی حاصل موسوم به pUhrN5CkPstol و pUhrCkPstol برای انتقال ژن به برنج رقم هاشمی مورد استفاده قرار گرفتند. انتقال ژن به کالوس حاصل از بذر رسیده برنج انجام شد. گیاهان تراریخته احتمالی توسط واکنش زنجیره‌ای پلیمراز مورد تایید قرار گرفتند. از تعداد 107 گیاه باززاشده‌ای که حضور تراژن‌ها در آنها به اثبات رسید، در نهایت تعداد 14 رخداد تراریخته حاصل شد. مقایسه فنوتیپ ریشه‌ی گیاهان تراریخته در نسل T0 با گیاه شاهد تفاوت ظاهری قابل ملاحظه‌ای در ساختار ریشه نشان داد. امید است تولید برنج با بهبود ساختار ریشه منجر به تحمل خشکی، کاهش مصرف آب و عملکرد بهتر در شرایط تنش شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


1. Zhang, Q. Strategies for developing green super rice. (2007) Proc. Natl. Acad. Sci. 104, 16402–16409
2. Gowda, V. R. P., Henry, A., Yamauchi, A., Shashidhar, H. E. & Serraj, R. (2011) Root biology and genetic improvement for drought avoidance in rice. F. Crop. Res. 122, 1–13
3. Tran, L.-S. P., Nishiyama, R., Yamaguchi-Shinozaki, K. & Shinozaki, K. (2010) Potential utilization of NAC transcription factors to enhance abiotic stress tolerance in plants by biotechnological approach. GM Crops 1, 32–39
4. Sperotto, R. A. et al. (2009) Identification of up-regulated genes in flag leaves during rice grain filling and characterization of OsNAC5, a new ABA-dependent transcription factor. Planta 230, 985–1002
5. Wu, W. & Cheng, S. (2014) Root genetic research, an opportunity and challenge to rice improvement. F. Crop. Res. 165, 111–124
6. Jeong, J. S. et al. (2013) OsNAC5 overexpression enlarges root diameter in rice plants leading to enhanced drought tolerance and increased grain yield in the field. 10, 101–114
7. Redillas, M. C. F. R. et al. (2012) The overexpression of OsNAC9 alters the root architecture of rice plants enhancing drought resistance and grain yield under field conditions. Plant Biotechnol. J. 10, 792–805
8. Takasaki, H. et al. (2010) The abiotic stress-responsive NAC-type transcription factor OsNAC5 regulates stress-inducible genes and stress tolerance in rice. Mol. Genet. Genomics 284, 173–183
9. Song, S.-Y., Chen, Y., Chen, J., Dai, X.-Y. & Zhang, W.-H. (2011) Physiological mechanisms underlying OsNAC5-dependent tolerance of rice plants to abiotic stress. Planta 234, 331–345
10. Gao, S. et al. (2014) Cytokinin Oxidase/Dehydrogenase4 integrates cytokinin and auxin signaling to control rice crown root formation. Plant Physiol. 165, 1035–1046
11. Shahbazi, K. & Besharati, H. (2013) Overview of agricultural soil fertility status of Iran. L. Manag. J. 1, 1–15
12. Miyasaka, S. C. & Habte, M. (2007) Plant mechanisms and mycorrhizal symbioses to increase phosphorus uptake efficiency. Commun. Soil Sci. Plant Anal. 32, 1101–1147
13. Wissuwa, M., Wegner, J., Ae, N. & Yano, M. (2002) Substitution mapping of Pup1 : a major QTL increasing phosphorus uptake of rice from a phosphorus-deficient soil. 890–897
14. Wissuwa, M. (2005) Combining a modelling with a genetic approach in establishing associations between genetic and physiological effects in relation to phosphorus uptake. Plant Soil 269, 57–68
15. Heuer, S. et al. (2009) Comparative sequence analyses of the major quantitative trait locus phosphorus uptake 1 (Pup1) reveal a complex genetic structure. Plant Biotechnol. J. 7, 456–471
16. Gamuyao, R. et al. (2012) confers tolerance of phosphorus deficiency. Nature 488, 535–539
17. Chin, J. H. et al. (2011) Developing rice with high yield under phosphorus deficiency: Pup1 sequence to application. Plant Physiol. 156, 1202–1216
18. Chin, J. H. et al. (2010) Development and application of gene-based markers for the major rice QTL Phosphorus uptake 1. Theor. Appl. Genet. 120, 1073–1086
19. Sambrook, J., Fritsch, E. F. & Maniatis, T. (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. (Cold spring harbor laboratory press)
20. An, G., Watson, B. D. & Chiang, C. C. (1986) Transformation of tobacco, tomato, potato, and Arabidopsis thaliana using a binary Ti vector system. Plant Physiol. 81, 301–305
21. Chamani, M. F. et al. (2017) Isolation and functional analysis of PSTOL1 from wild species of rice. Gene Eng Biosafety J 6 (1), 1-10
22. Kazemi, M. et al. (2022) Rice genetic engineering using transformation of Deeper Rooting1 and Phosphorus-Starvation Tolerance1 genes. Agric. Biotechnol. J. 14, 1–20
23. Zandi, M., Hosseini, R., Mohsenpour, M., Hosseini, S. G. & Ghareyazie, B. (2019) Transformation of DRO1, OsNAC5, OsEXPA8 genes in order to improve rice root architecture modification and improved drought tolerance in rice. Gene Eng Biosafety J 8 (1), 77-89
24. Ozawa, K. (2012) A high-efficiency Agrobacterium-mediated transformation system of rice (Oryza sativa L.). in Transgenic Plants 51–57
25. Chamani Mohasses, F., Solouki, M., Ghareyazie, B., Fahmideh, L. & Mohsenpour, M. (2020) Correlation between gene expression levels under drought stress and synonymous codon usage in rice plant by in-silico study. PLoS One 15, e0237334
26. Kahak, S. et al. (2021) Providing a Fast and Multiple Method for Detection and Identification of Transgenic Maize Events. MGJ 16, 341–348
27. Jeong, J. S. et al. (2013) OsNAC5 overexpression enlarges root diameter in rice plants leading to enhanced drought tolerance and increased grain yield in the field. Plant Biotechnol. J. 11, 101–114
28. Mohsenpour, M., Noormohammadi, Z., Irani, S. & Amirmozafari, N. (2019) Expression of an Environmentally Friendly Enzyme, Engineered Carbonic Anhydrase, in Escherichia coli. Int. J. Environ. Res. 13, 295–301
29. Kahak, S., Ghareyazie, B., Samizadeh Lahiji, H. & Mohsenpour, M. (2021) Evaluation of Biosafety Aspects of Cisgenesis and Intragenesis in Comparison with Transgenesis. gebsj 10, 157–170
30. Mohammadizadeh, N., Tohidfar, M. & Mohsenpour, M. (2010) Agrobacterium-Mediated Transformation of Wheat (Triticum Aestivum) Using Chitinase and Glucanase Genes. Agric Biotechnol J 2 (1), 81-98
31. Raufi, A., Tohidfar, M., Soluki, M. & Mohsenpour, M. (2012) Isolation and Cloning of Two Genes from PR1 Family and Construction of Treble Plasmids Containing 3 Groups of Genes for Producing Transformed Plants Resistant to Fungal Diseases. J. Agric. Biotechnol. 3, 27–46
32. Mohsenpour, M., Tohidfar, M., Jelodar, N. B. & Jouzani, G. S. (2015) Designing a new marker-free and tissue-specific platform for molecular farming applications. J. Plant Biochem. Biotechnol. 24, doi: 10.1007/s13562-014-0294-2
33. Mohkami, A., Marashi, H., Shahriary Ahmadi, F., Tohidfar, M. & Mohsenpour, M. (2015) Evaluation of Agrobacterium-mediated Transformation of Chlamydomonas reinhardtii using a Synthetic amorpha-4, 11-diene Synthase Gene. J. Cell Mol. Res. 7, 53–58
34. Mohsenpour, M. & Tohidfar, M. (2011) Genetic Engineering of Plant Nuclear Genome for Specific gene Expression in Chloroplast Using Design and Transformation of Hybrid Sigma Factor. Crop Biotechnol. 1, 35-48
35. Saboori-Robat, E., Solouki, M., Habashi, A. A., Moshenpour, M. & Emamjomeh, A. (2019) Design and construction of two-genes construct consists of 11 kDa delta zein and EPSPS genes in order to transform soybean to improve the methionine content and induce resistance to glyphosate herbicide. Crop Biotechnol. 9, 69–77
36. Ghareyazie, B. et al. (1997) Enhanced resistance to two stem borers in an aromatic rice containing a synthetic cryIA(b) gene. Mol. Breed. 3, 401–414
37. Bennett, J., Cohen, M. B., Katiyar, S. K., Ghareyazie, B. & Khush, G. S. (1997) Enhancing insect resistance in rice through biotechnology. Adv. insect Control role transgenic plants 75–93
38. Ghorbanzadeh, Z. et al. (2022) Identificatioan and investigation of DRO1 gene in rice cultivar Hashemi and its simultaneous transfer with OsCKX4 gene to improve root structure. Crop Biotechnol. 11, 49–62
39. Ye, X. et al. (2000) Engineering the provitamin A (β-carotene) biosynthetic pathway into (carotenoid-free) rice endosperm. Science (80-. ). 287, 303–305
40. Li, L. et al. (2003) Combinatorial modification of multiple lignin traits in trees through multigene cotransformation. Proc. Natl. Acad. Sci. 100, 4939–4944
41. Mohsenpour, M., Kahak, S. & Ghareyazie, B. (2018) Genetic Engineering and Food Security. Strateg. Res. J. Agric. Sci. Nat. Resour. 3, 195–208