اثر الیسیتور تریپتوفان و تنش خشکی بر برخی خصوصیات فیزیولوژیک گیاه دارویی پروانش (.Catharanthus roseus L) و تغییر الگوی بیان ژن‌های Str و Tdc

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان، ملاثانی

2 گروه آبیاری، دانشکده مهندسی زراعی و توسعه روستایی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان، ملاثانی

3 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه لرستان، خر م آبا د

چکیده
برگ‌های گیاه پروانش، منبع اصلی تولید آلکالوئیدهای وین‌بلاستین و وین‌کریستین هستند که در درمان سرطان کاربرد دارند. به‌دلیل سنتز بسیار پایین این آلکالوئیدها، یافتن راهکارهایی برای افزایش میزان آن‌ها در برگ این گیاه همواره مورد توجه پژوهشگران قرار داشته ‌است. اسیدآمینه تریپتوفان یکی از پیش‌سازهای کلیدی در مسیر تولید آلکالوئیدهای پروانش است. همچنین، این احتمال وجود دارد که اعمال تنش خشکی به افزایش میزان متابولیت‌های گیاه، به ویژه دو آلکالوئید وین‌بلاستین و وین‌کریستین، منجر شود. در این پژوهش، تأثیر تیمار اسیدآمینه تریپتوفان و تنش خشکی بر تغییر الگوی بیان دو ژن Str و Tdc و همچنین بررسی تغییرات حجم، وزن خشک و طول ریشه گیاه پروانش، به‌صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار مورد بررسی قرار گرفتند. فاکتورهای آزمایش شامل: تنش خشکی (100، 70 و 40 درصد ظرفیت زراعی) و محلول‌پاشی تریپتوفان (0، 50، 100، 150، 200 و 250 میلی‌گرم بر لیتر) بودند. نتایج تجزیه و تحلیل داده­های این مطالعه نشان داد که اثر متقابل تنش خشکی و محلول‌پاشی اسیدآمینه تریپتوفان بر صفات حجم و وزن خشک ریشه معنی­دار بود، هرچند برای صفت طول ریشه چنین تأثیری مشاهده نشد. بدین ترتیب، با افزایش سطح تنش خشکی، طول ریشه افزایش یافت، در حالی که حجم و وزن خشک ریشه نسبت به شاهد کاهش نشان داد. از سوی دیگر، با افزایش سطوح تریپتوفان، حجم، وزن و طول ریشه افزایش یافتند. اعمال تیمار توأم 250 میلی‌گرم بر لیتر تریپتوفان و تنش خشکی شدید (40 درصد) موجب افزایش بیان نسبی ژن‌های Tdc و Str در بافت برگ گیاه پروانش در تیمار زمانی 24 ساعت گردید و سپس روند کاهشی نشان داد. با توجه به افزایش بیان دو ژن Tdc وStr، انتظار می‌رود که فراورده‌های پایانی مسیر آلکالوئیدی ایندول ترپنوئید، از جمله آلکالوئیدهای آجمالایسین، وین‌بلاستین و وین‌کریستین، افزایش یابند. با در نظر گرفتن تأثیر مثبت کاربرد تریپتوفان بر حجم، وزن و طول ریشه و همچنین افزایش بیان برخی ژن‌های مؤثر در تولید وین‌کریستین و وین‌بلاستین، به نظر می‌رسد که اعمال تیمار تریپتوفان به‌عنوان الیسیتور، می‌تواند راهکار مؤثری در افزایش میزان آلکالوئیدها در این گیاه باشد.

کلیدواژه‌ها


Abou Dahab, T. and Abd El-Aziz, N.G. (2006). Physiological effect of diphenylamin and tryptophan on the growth and chemical constituents of Philodendron erubescens plants. World Journal of Agricultural Sciences, 2: 75-81.
Ahmadi-Nouraldinvand, F., Afrouz, M., Tseng, T.M.P., Poshtdar, A. and Coudret, C. (2023). Green synthesis of hyperbranched spermine-coated Fe3O4 nanoparticles and their effect on corn seedlings under copper oxide stress. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 11: 12888-12907. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c01614
Ahmadzadeh, M., Keshtkar, A.H., Moslemkhani, C. and Ahmadzadeh, M. (2021). Evaluation of water deficit stress and plant growth-promoting rhizobacteria effect on some of morphological traits and expression level of Tdc and Str at the root of Catharanthus roseus. Plant research (Biology of Iran), 34: 560-575 (In Persian).
Alizadeh, A. (2006). A SWOT Analysis of the Development of Health Technology Assessment in Iran. The Relationship Between Water, Soil and plants.Astan Quds Razavi Publications. Mashhad, IR (In Persian).
Almagro, L., Gutierrez, J., Pedreño, M.A. and Sottomayor, M. (2014). Synergistic and additive influence of cyclodextrins and methyl jasmonate on the expression of the terpenoid indole alkaloid pathway genes and metabolites in C atharanthus roseus cell cultures. Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC), 119: 543- 551. https://doi.org/10.1007/s11240-014-0554-9
Dos Santos, T.B., Ribas, A.F., De Souza, S.G.H., Budzinski, I.G.F. and Domingues, D.S. (2022). Physiological responses to drought, salinity, and heat stress in plants: a review. Stresses, 2: 113-135. https://doi.org/10.3390/stresses2010009
Gendy, A.S. and Nosir, W.S. (2016). Improving productivity and chemical constituents of Roselle plant (Hibiscus sabdariffa L.) as affected by phenylalanine, L-tryptophan and peptone acids foliar application. Middle East Journal of Agriculture Research, 5: 701-708.
Idrees, M., Naeem, M., Aftab, T. and Khan, M.M.A. (2013). Salicylic acid restrains nickel toxicity, improves antioxidant defence system and enhances the production of anticancer alkaloids in Catharanthus roseus (L.). Journal of Hazardous Materials, 252: 367-374. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2013.03.005
Jaleel, C.A., Manivannan, P., Sankar, B., Kishorekumar, A., Gopi, R., Somasundaram, R. and Panneerselvam, R. (2007). Water deficit stress mitigation by calcium chloride in Catharanthus roseus: Effects on oxidative stress, proline metabolism and indole alkaloid accumulation. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 60: 110-116. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2007.06.006
Jogawat, A., Yadav, B., Chhaya, Lakra, N., Singh, A.K. and Narayan, O.P. (2021). Crosstalk between phytohormones and secondary metabolites in the drought stress tolerance of crop plants: a review. Physiologia Plantarum, 172: 1106-1132. https://doi.org/10.1111/ppl.13328
Karami, M., Mahmoudniamimand, M., Malekzadeh, K. and Dehjipour, M. (2016). Effect of drought stress and methyl jasmonate on the expression of Str and Prx1 genes of vinblastine and vincristine biosynthetic pathway in Catharanthus roseus callus culture. International Conference on Agricultural Sciences, Medicinal Plants and Traditional Medicine, Mashhad, Iran (In Persian).
Karami, M., Mahmoudniamimand, M., Malekzadeh, K. and Dehjipour, M. (2019). The effect of adding tryptophan precursor on the expression of Str and Prx1 genes effective in the synthesis of some alkaloids in Catharanthus roseus plant. The 10th National Conference on Medicinal Plants and Sustainable Agriculture, Hamadan, Iran (In Persian).
Khadivar, R., Ismaili, A., Sohrabi, S.S. and Torabi Podeh, H. (2023) Identification and functional prediction of long non-coding RNAs responsive to drought stress in Lens culinaris L. Plant Genetic Researches, 9(2): 55-70 (In Persian).
Khataee, E., Karimi, F. and Razavi, K. (2019). Alkaloids production and antioxidant properties in Catharanthus roseus (L.) G. Don. shoots and study of alkaloid biosynthesis-related gene expression levels in response to methyl jasmonate and putrescine treatments as eco-friendly elicitors. Biologia Futura, 70: 38-46. https://doi.org/10.1556/019.70.2019.05
Kordrostami, M., Rabiei, B. and Ebadi, A.A. (2019) Oxidative Stress in Plants: Production, Metabolism, and Biological Roles of Reactive Oxygen Species. In: Pessarakli, M., Ed., Handbook of Plant and Crop Stress, pp. 85-92. CRC Press, Boca Raton, FL, USA. https://doi.org/10.1201/9781351104609-6
Liang, X., Zhang, L., Natarajan, S.K. and Becker, D.F. (2013). Proline mechanisms of stress survival. Antioxidants & Redox signaling, 19: 998-1011. https://doi.org/10.1089/ars.2012.5074
Manivannan, P., Jaleel, C.A., Sankar, B., Kishorekumar, A., Somasundaram, R., Lakshmanan, G.A. and Panneerselvam, R. (2007). Growth, biochemical modifications and proline metabolism in Helianthus annuus L. as induced by drought stress. Colloids and surfaces B: Biointerfaces, 59: 141-149. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2007.05.002
Mokhaberi, A., Ahmadi, J. and Mafakheri, S. (2013). The expression profile of D4H and DAT genes in Catharanthus roseus in response to drought, salinity and salicylic acid. Iranian Journal of Genetics and Plant Breeding, 2: 38-46.
Mokhabri, A., Ahmadi, J. and Mahakhari, S. (2013). The effect of drought stress on the expression of the effective STR gene in the pathway of vinblastine and vincristine synthesis in Catharanthus roseus. The First International Congress and the 13th Iranian Genetics Congress,Tehran, Iran (In Persian).
Munsif, F., Shah, T., Arif, M., Jehangir, M., Afridi, M.Z., Ahmad, I., Jan, B.L. and Alansi, S. (2022). Combined effect of salicylic acid and potassium mitigates drought stress through the modulation of physio- biochemical attributes and key antioxidants in wheat. Saudi Journal of Biological Sciences, 29: 103294. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2022.103294
Oksman-Caldentey, K.M. and Inzé, D. (2004). Plant cell factories in the post-genomic era: new ways to produce designer secondary metabolites. Trends in Plant Science, 9: 433-440. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2004.07.006
Pan, Q., Chen, Y., Wang, Q., Yuan, F., Xing, S., Tian, Y., Zhao, J., Sun, X. and Tang, K. (2010). Effect of plant growth regulators on the biosynthesis of vinblastine, vindoline and catharanthine in Catharanthus roseus. Plant growth Regulation, 60: 133-141. https://doi.org/10.1007/s10725-009-9429-1
Pan, Q., Wang, Q., Yuan, F., Xing, S., Zhao, J., Choi, Y.H., Verpoorte, R., Tian, Y., Wang, G. and Tang, K. (2012). Overexpression of ORCA3 and G10H in Catharanthus roseus plants regulated alkaloid biosynthesis and metabolism revealed by NMR-metabolomics. PloS One, 7: e43038. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0043038
Pandey, S.S., Singh, S., Babu, C.V., Shanker, K., Srivastava, N., Shukla, A.K. and Kalra, A. (2016). Fungal endophytes of Catharanthus roseus enhance vindoline content by modulating structural and regulatory genes related to terpenoid indole alkaloid biosynthesis. Scientific Reports, 6: 26583. https://doi.org/10.1038/srep26583
Pathania, D., Sharma, M., Kumar, S., Thakur, P., Torino, E., Janas, D. and Thakur, S. (2021). Essential oil derived biosynthesis of metallic nano-particles: Implementations above essence. Sustainable Materials and Technologies, 30: e00352. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2021.e00352
Pfaffl, M.W., Horgan, G.W. and Dempfle, L. (2002). Relative expression software tool (REST©) for group- wise comparison and statistical analysis of relative expression results in real-time PCR. Nucleic Acids Research, 30: e36-e36. https://doi.org/10.1093/nar/30.9.e36
Poshtdar, A., Abdali Mashhadi, A., Moradi, F., Siadat, S.A. and Bakhshandeh, A. (2016). Effects of different sources of nitrogen fertilizer and applied rates on essential oil content and composition of peppermints. Journal of Medicinal Herbs, 7: 51-57 (In Persian).
Ren, H., Gao, Z., Chen, L., Wei, K., Liu, J., Fan, Y., Davies, W.J., Jia, W. and Zhang, J. (2007). Dynamic analysis of ABA accumulation in relation to the rate of ABA catabolism in maize tissues under water deficit. Journal of Experimental Botany, 58: 211-219. https://doi.org/10.1093/jxb/erl117
Revilla, P., Fernández, V., Álvarez-Iglesias, L., Medina, E.T. and Cavero, J. (2016). Leaf physico-chemical and physiological properties of maize (Zea mays L.) populations from different origins. Plant Physiology and Biochemistry, 107: 319-325. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2016.06.017
Selahvarzi, Y., Tehranifar, A. and Gazanchian, A. (2007). Physiomorphological changes under drought stress and rewatering in endeic and exotic turfgrasses. Journal of Horticultural Sciences and Techniques of Iran, 9: 193-204 (In Persian).
Seyed Hassan Pour, S.M., Nejadsadeghi, L., Shobbar, Z.S. and Kahrizi, D. (2023) Identification and investigation of WRKY gene family in camelina plant (Camelina sativa) and identification of the most important gene members involved in drought stress. Plant Genetic Researches, 10(2): 63-78 (In Persian).
Soltani, N., Firouzabadi, F.N., Shafeinia, A., Shirali, M. and Sadr, A.S. (2022). De Novo transcriptome assembly and differential expression analysis of catharanthus roseus in response to salicylic acid. Scientific Reports, 12: 17803. https://doi.org/10.1038/s41598-022-20314-4
Soltani, N., Nazarian-Firouzabadi, F., Shafeinia, A., Sadr, A.S. and Shirali, M. (2020). The expression of Terpenoid Indole Alkaloid (TIAs) pathway genes in Catharanthus roseus in response to salicylic acid treatment. Molecular Biology Reports, 47: 7009-7016. https://doi.org/10.1007/s11033-020-05759-y
Sun, J., Manmathan, H., Sun, C. and Peebles, C.A. (2016). Examining the transcriptional response of overexpressing anthranilate synthase in the hairy roots of an important medicinal plant Catharanthus roseus by RNA-seq. BMC Plant Biology, 16: 1-14. https://doi.org/10.1186/s12870-016-0794-4
Tahir, M.H.N., Imran, M. and Hussain, M.K. (2002). Evaluation of sunflower (Helianthus annuus L.) inbred lines for drought tolerance. International Journal of Agriculture and Biology, 3: 398-400.
Talaat, I.M., Bekheta, M. and Mahgoub, M.H. (2005). Physiological response of periwinkle plants (Catharanthus roseus L.) to tryptophan and putrescine. International Journal of Agriculture and Biology, 7: 210-213.
Tolambiya, P. and Mathur, S. (2016). A study on potential phytopharmaceuticals assets in Catharanthus roseus L.(Alba). International Journal of Life Science Biotechnology and Pharma Resarch, 5: 1-6.
Wang, X., Zhang, A., Zhou, X., Liu, Q., Nan, Y., Guan, Y., Kong, L., Han, Y., Sun, H. and Yan, G. (2016). An integrated chinmedomics strategy for discovery of effective constituents from traditional herbal medicine. Scientific Reports, 6: 18997. https://doi.org/10.1038/srep18997
Wei, S. (2010). Methyl jasmonic acid induced expression pattern of terpenoid indole alkaloid pathway genes in Catharanthus roseus seedlings. Plant Growth Regulation, 61: 243-251. https://doi.org/10.1007/s10725-010-9468-7
Whitmer, S., van der Heijden, R. and Verpoorte, R. (2002). Effect of precursor feeding on alkaloid accumulation by a tryptophan decarboxylase over-expressing transgenic cell line T22 of Catharanthus roseus. Journal of Biotechnology, 96: 193-203. https://doi.org/10.1016/S0168-1656(02)00027-5
Yadav, B., Jogawat, A., Rahman, M.S. and Narayan, O.P. (2021). Secondary metabolites in the drought stress tolerance of crop plants: A review. Gene Reports, 23: 101040. https://doi.org/10.1016/j.genrep.2021.101040
Zheng, J., Zhao, J., Zhang, J., Fu, J., Gou, M., Dong, Z., Hou, W., Huang, Q. and Wang, G. (2006). Comparative expression profiles of maize genes from a water stress-specific cDNA macroarray in response to high-salinity, cold or abscisic acid. Plant Science, 170: 1125-1132. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2006.01.019