Оценка уровня экспрессии гена GhMAPK в условиях солевого стресса у сортов хлопчатника

Актуальность. Абиотические стрессовые факторы окружающей среды такие, как солевой стресс, засуха, окислительный стресс, отрицательно влияют на развитие и урожайность растений. Для борьбы с неблагоприятными условиями окружающей среды у растений сформировался ряд защитных механизмов. MAP-киназы – это протеин-киназы, которые в ответ на внеклеточные стимулы регулируют клеточную активность. Учитывая важную роль МАР-киназ в регуляции биологических процессов, изучение их роли в защитных реакциях растений является актуальной задачей, а полученные данные могут быть использованы при создании стрессоустойчивых сортов. Основная цель проведенного исследования – сравнительный анализ экспрессии генов у образцов коллекции хлопчатника в условиях солевого стресса (NaCl), изучение зависимости между увеличением концентрации соли и изменением уровня транскрипции. В данном исследовании были использованы тринадцать сортов из Азербайджана, девять из Турции, четыре из Узбекистана, четыре из Греции и один из Кыргызстана. Изменение уровня экспрессии гена GhMAPK в образцах изучали с помощью ПЦР-анализа в реальном времени. В результате оценки тридцати одного образца хлопчатника при различных концентрациях солевого (NaCl) стресса в настоящем исследовании были обнаружены существенные различия в уровне экспрессии генов между сортами одного и того же вида. Сорт ‘Наваи-9’ из Узбекистана превосходил по уровню экспрессии гена GhMAPK все сорта как при концентрации соли 100 мМ, так и при концентрации 200 мМ. Среди местных сортов Азербайджана ‘Гянджа-110’, при концентрации соли (100 мМ), и сорт ‘Зафар’ (200 мМ) отличались от других сортов по уровню изменения транскрипции. В группах устойчивых и чувствительных сортов наблюдалось как повышение, так и снижение уровня экспрессии гена GhMAPK. Такое разнообразие в экспрессии гена в ответ на воздействие соли у чувствительных и устойчивых сортов показывает, что механизмы, обеспечивающие солеустойчивость изучаемых сортов, различны.

1. Ализаде Ш. Роль миРНК в ответах на солевой стресс хлопчатника. Advances in Biology & Earth Sciences. 2022a;7(1):80-84.

2. Ализаде Ш. Cравнительное исследование SPAD значения у растений хлопчатника в условиях солевого стресса. Труды Института генетических ресурсов Национальной академии наук Азербайджана. 2022b;11(1):139-145.

3. Alizade Sh., Mammadova R. Assessment of salt stress resistance of cotton varieties based on different parameters. Advances in Biology & Earth Sciences. 2023;8(1):58-66.

4. Alizade Sh., Mammadova R., Sirajli N. Evaluation of morphometric traits of upland cotton genotypes under different concentration of NaCl. Advances in Biology & Earth Sciences. 2023;8(3):301-307.

5. Benetka W., Mehlmer N., Maurer-Stroh S., Sammer M., Koranda M., Neumuller R., Betschinger J., Knoblich J.A., Teige M., Eisenhaber F. Experimental testing of predicted myristoylation targets involved in asymmetric cell division and calcium-dependent signalling. Cell Cycle. 2008;7(23):3709-3719. DOI: 10.4161/cc.7.23.7176

6. Botella M.A., Rosado A., Bressan R., Hasegawa P.M. Plant adaptive responses to salinity stress. In: M.A. Jenks, P.M. Hasegawa (eds). Plant Abiotic Stress. Blackwell Publishing Ltd; 2005. p.37-70. DOI: 10.1002/9780470988503.ch3

7. Boudsocq M., Willmann M.R., McCormack M., Lee H., Shan L., He P., Bush J., Cheng S.-H., Sheen J. Differential innate immune signalling via Ca2+ sensor protein kinases. Nature. 2010;464:418-422. DOI: 10.1038/nature08794

8. Çakır B., Kılıçkaya O. Mitogen-activated protein kinase cascades in Vitis vinifera. Frontiers in Plant Science; 2015;6:1-18. DOI: 10.3389/978-2-88919-952-5

9. Ding H.-D., Zhang X.-H., Xu S.-C., Sun L.-L., Jiang M.-Y., Zhang A.-Y., Jin Y.-G. Induction of protection against paraquat-induced oxidative damage by abscisic acid in maize leaves is mediated through mitogen-activated protein kinase. Journal of Integrative Plant Biology. 2009;51(10):961-972. DOI: 10.1111/j.1744-7909.2009.00868.x

10. Gong Z. Plant abiotic stress: new insights into the factors that activate and modulate plant responses. Journal of Integrative Plant Biology. 2021;63(3):429-430. DOI: 10.1111/jipb.13079

11. Hoagland D.R., Arnon D.I. The Water-Culture Method for Growing Plants without Soil. Circular 347. Revised January 1950. Berkeley: The College of Agriculture, University of California; 1950.

12. Lee J.S., Wang S., Sritubtim S., Chen J.-G., Ellis B.E. Arabidopsis mitogen-activated protein kinase MPK12 interacts with the MAPK phosphatase IBR5 and regulates auxin signaling. The Plant Journal. 2009;57(6):975-985. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2008.03741.x

13. Lin F., Ding H., Wang J., Zhang H., Zhang A., Zhang Y., Tan M., Dong W., Jiang M. Positive feedback regulation of maize NADPH oxidase by mitogen-activated protein kinase cascade in abscisic acid signalling. Journal of Experimental Botany. 2009;60(11):3221-3238. DOI: 10.1093/jxb/erp157

14. Mehlmer N., Wurzinger B., Stael S., Hofmann-Rodrigues D., Csaszar E., Pfister B., Bayer R., Teige M. The Ca 2+-dependent protein kinase CPK3 is required for MAPK-independent salt-stress acclimation in Arabidopsis. The Plant Journal. 2010;63(3):484-498. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2010.04257.x

15. Morris P.C. Integrating lipid signalling, mitogen-activated protein kinase cascades and salt tolerance. New Phytologist. 2010;188(3):640-643. DOI: 10.1111/j.1469-8137.2010.03507.x

16. Pffafl M.W. A new mathematical model for relative quantification in real-time RT-PCR. Nucleic Acids Research. 2001;29(9):1-6. DOI: 10.1093/nar/29.9.e45

17. Sadau S.B., Mehari T.G., Ahmad A., Tajo S.M., Ibrahim S., Iqbal M.Sh., Elasad M., Zhang J., Wei H., Yu Sh. Genome wide identification and characterization of MAPK genes reveals their potential in enhancing drought and salt stress tolerance in Gossypium hirsutum. Journal of Cotton Research. 2022;5:1-17. DOI: 10.1186/s42397-022-00131-w

18. Shi P., Gu M. Transcriptome analysis and differential gene expression profiling of two contrasting quinoa genotypes in response to salt stress. BMC Plant Biology. 2020;20:568. DOI: 10.1186/s12870-020-02753-1

19. Taghizadeh N., Ranjbar G., Nematzadeh G., Ramazani-Moghaddam R.M. Salt-related genes expression pattern in salt-tolerant and salt-sensitive cultivars of cotton (Gossypium sp.) under NaCl stress. Journal of Plant Molecular Breeding. 2018;6(1):1-15. DOI: 10.22058/JPMB.2018.75866.1151

20. Taj G., Agarwal P., Grant M., Kumar A. MAPK machinery in plants, Plant Signaling & Behavior. 2010;5(11):1370-1378. DOI: 10.4161/psb.5.11.13020

21. Teige M., Scheikl E., Eulgem T., Dóczi R., Ichimura K., Shinozaki K., Dangl J.L., Hirt H. The MKK2 pathway mediates cold and salt stress signaling in Arabidopsis. Molecular Cell. 2004;15(1):141-152. DOI: 10.1016/j.molcel.2004.06.023

22. Wang G., Lovato A., Polverari A., Wang M., Liang Y.-H., Ma Y.-C., Cheng Z.-M. Genome-wide identification and analysis of mitogen activated protein kinase kinase kinase gene family in grapevine (Vitis vinifera). BMC Plant Biology. 2014;14(1):219. DOI: 10.1186/s12870-014-0219-1

23. Wang N.-N., Zhao L.-L., Lu R., Li Y., Li X.-B. Cotton mitogen-activated protein kinase4 (GhMPK4) confers the transgenic Arabidopsis hypersensitivity to salt and osmotic stresses. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2015;123(3):619-632. DOI: 10.1007/s11240-015-0865-5

24. Wang X.-J., Zhu S.-Y., Lu Y.-F., Zhao R., Xin Q., Wang X.-F., Zhang D.-P. Two coupled components of the mitogen-activated protein kinase cascade MdMPK1 and MdMKK1 from apple function in ABA signal transduction. Plant Cell Physiology. 2010;51(5):754-766. DOI: 10.1093/pcp/pcq037

25. Wurzinger B., Mair A., Pfister B., Teige M. Cross-talk of calcium-dependent protein kinase and MAP kinase signaling. Plant Signaling and Behavior. 2011;6(1):8-12. DOI: 10.4161/psb.6.1.14012

26. Yang D.H., Hettenhausen C., Baldwin I.T., Wu J. Silencing Nicotiana attenuate calcium-dependent protein kinases, CDPK4 and CDPK5, strongly up-regulates wound- and herbivory-induced jasmonic acid accumulations. Plant Physiology. 2012;159(4):1591-1607. DOI: 10.1104/pp.112.199018

27. Yildiz M., Poyraz İ., Zavdar A., Tszgen Y., Beyaz R. Plant responses to salt stress. In: I.Y. Abdurakhmonov (ed.) Plant Breeding – Current and Future Views. London: IntechOpen Limited; 2020. p.1-18. DOI: 10.5772/intechopen.93920

28. Zhang L., Xi D., Li S., Gao Z., Zhao S., Shi J., Wu C., Guo X. A cotton group C MAP kinase gene, GhMPK2, positively regulates salt and drought tolerance in tobacco Plant Molecular Biology. 2011;77(1-2):17-31. DOI: 10.1007/s11103-011-9788-7

29. Zhu J.K. Salt and drought stress signal transduction in plants. Annual Review of Plant Biology. 2002;53:247-273. DOI: 10.1146/annurev.arplant.53.091401.143329

30. Zong X.J., Li D.P., Gu L.K., Li D.Q., Liu L.X., Hu X.L. Abscisic acid and hydrogen peroxide induce a novel maize group C MAP kinase gene, ZmМPK7, which is responsible for the removal of reactive oxygen species. Planta. 2009;229(3):485-495. DOI: 10.1007/s00425-008-0848-4