شناسایی و خصیصه یابی ژن های رمز کننده خانواده پروتئینی متحمل به فلزات سنگین در صنوبر پده (Populus. euphratica)

چکیده سابقه و هدف: فلزات سنگین از رایج ترین مشکلات محیط زیست بوده و دارای تاثیرات منفی روی گیاهان هستند. روش گیاه پالایی با استفاده از گیاهان برای استخراج، جدا سازی و یا از بین بردن انواع آلاینده های محیط زیست مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست است. توانایی گیاه پالایی فلزات سنگین در گیاهان ازجمله صنوبریان با استفاده از خانواده های مختلف پروتئینی انجام می شود که می توان به خانواده MTP )پروتئین متحمل به فلزات( اشاره کرد. امروزه بدلیل شناسایی توالی ژنومی برخی از موجودات زنده، با استفاده از اطلاعات موجود در پایگاه های مختلف، می توان به تحقیق در زمینه یافتن ژن ها و عملکرد آنها پرداخت. این مطالعه برای شناسایی، بررسی تنوع و قرابت های ژنتیکی بین اعضای خانواده MTP در صنوبر پده ( Populus. euphratica) انجام شده است.مواد و روش ها: 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 همردیف سازی توالی ها، ترسیم درخت فیلوژنتیکی به روش Neighbor-Joining انجام شد. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی و مکان یابی اعضاء پروتئینی پیش بینی شد و نوع فشار گزینش، الگوی توزیع اگزون-اینترون و موتیف های اختصاصی اعضای خانواده ژنیMTP  توسط نرم افزارهای مختلف انجام شد. آنتولوژی (هستی شناسی) ژنها در سه سطح فرایندهای زیستی، عملکرد مولکولی و جزء سلولی انجام گردید و ژن ها از نظر وجود نشانگر توالی تکراری ساده منحصر بررسی شدند. پس از شناسایی MicroRNA تنظیم کننده بیان ژن هریک از اعضا، شبکه ارتباطی ژن ها و MicroRNA ترسیم شد. بررسی دیجیتالی بیان ژن در بافت های مختلف و تنش شوری ۲۰۰ میلی مولار پس از دریافت و نرمال سازی داده های RNA-seq انجام شد و نقشه حرارتی (heat map) با استفاده از نرم افزار Mev۴.۰ ترسیم گردید.نتایج: در بررسی بیوانفورماتیک ۲۶ 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 هستی شناسی پروتئین های رمز شونده، نقش آنها در ارتباط با غشای پلاسمایی و در انتقال فلزات به واکوئل مشخص شد که تاییدکننده نقش این خانواده در سم زدایی ناشی از تاثیر 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 تجزیه وتحلیل ساختار ژنی، بیشترین و کمترین یکپارچگی به ترتیب در داخل و بین گروه ها مشاهده شد. ۵۲ نشانگر اختصاصی SSR در ۱۵ توالی ژنی شناسایی شد که در انتخاب جمعیت های مورد نظر کمک می کند. در بررسی بیان ژن در بافت های مختلف ژن های MTP۱۱.۲, MTP۳.۲, MTP۱۲ و MTP۷ بیشترین بیان را نشان دادند. در میزان تغییرات بیان ژنها در زمان های مختلف بعد از اعمال شوری، ژن MTP۱.۱ بعد از ۴۸ ساعت بیشترین افزایش بیان ژن را نشان داد. نتایج با توجه به تشابه پاسخ های گیاه در شوری از طریق تولید بیش از حد یون ها و کاهش عملکرد، قابل تعمیم به تنش فلزات سنگین نیز است.نتیجه گیری: وجود نسخه های متعدد از یک ژن به دلیل نیاز بالای گیاه به عملکرد و محصول اختصاصی آن ژن و یا بیان متفاوت اعضای خانواده در مراحل مختلف رشد و نمو و تنش های مختلف است. صنوبر پده دارای تعداد بالایی از اعضای خانواده MTP بود که می تواند 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 داده های بیوانفورماتیک بدست آمده، برای تسهیل شناسایی جمعیت های متحمل به فلزات به صورت دقیق و با صرف هزینه و زمان کمتر است. با کمک داده های بیوانفورماتیک به صورت دقیق به سراغ ژنهای مدنظر رفته و از آزمون و خطا در انجام آزمایش ها جلوگیری می شود.

کلیدواژه ها:

تجزیه و تحلیل فیلوژنتیک ، خانواده ژنی ، داده کاوی زیستی ، گیاه پالایی