SUPERVISOR
مریم تاتاری (استاد مشاور) سیدامیرحسین گلی (استاد مشاور) مجید طالبی (استاد راهنما)
STUDENT
Matineh Shekaramiz
متینه شکرآمیز
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Expression analysis of carotenoid biosynthetic genes in white, red and black pomegranates during fruit developmental stages
According to studies the peels of pomegranate is as a rich source of antioxidants, especially phenolic compounds and carotenoids. Carotenoids are the non-enzymatic antioxidants and considered to be the most powerful antioxidants. Plant carotenoids are essential to provide photoprotection in chloroplast-containing tissues. These yellow, orange, and red pigments also provide color to flowers, roots, and fruits, and they are precursors of the phytohormones abscisic acid and strigolactone. Developmental and environmental signals can regulate carotenoid gene expression thereby affecting carotenoid accumulation. Despite extensive research on pomegranate, no comprehensive study has been conducted on the expression of the carotenoid biosynthesis pathway genes. Therefore, the aim of this study was analyze the expression of some genes involved in the carotenoid biosynthesis pathway, such as phytoene synthase ( PSY ), zeta-carotene desaturase ( ZDS ), lycopene beta cyclase ( LCYB ), lycopene epsilon cyclase ( LCYE ), zeta-carotene isomerase ( ZISO ), carotenoid isomerase ( CRTISO ) and beta-carotene hydroxylase ( CHYB ) in eight developmental stages from peel of three Iranian pomegranate cultivars, Malas Isfahan (red-peel), Shirin Poost Sefid Saveh (white-peel) and Poost Siyah Yazd (black-peel) and its correlation with the amount of carotenoid. For this purpose, the RNA content was extracted from the peel of three pomegranate cultivars, using CTAB-based method and their cDNA was synthesized. Following the design of specific primers, the appropriate annealing temperature of each of them was determined by gradient PCR and the relative expression of the seven genes were evaluated by using real-time PCR. The total content of carotenoids was determined using a standard curve of ??-carotene in n-hexane: acetone (1:1). Significant difference in carotenoid content between the cultivars and developmental stages showed that the amount of carotenoid in pomegranate is influenced by cultivar and developmental stage. The carotenoid content was reduced during development. The highest carotenoid (169.36 ?g / g FW) was measured at the first stage of the white cultivar. Among the three cultivars from the first to fifth stages, the highest amount of carotenoid was related to the white cultivar and from sixth to eighth stages was measured in red cultivar. The highest amount of carotenoid was measured in Malas Isfahan followed by Shirin Poost Sefid Saveh and Poost Siyah Yazd. Expression of all investigated genes was influenced by the development stage. The cultivar had a significant effect on the relative expression of PSY , ZDS , LCYB , ZISO and CHYB genes. The effect of cultivar on the relative expression of LCYE and CRTISO genes was not significant. The highest expression of PSY , ZDS , LCYB , ZISO and CHYB genes was related to the red cultivar and the highest expression of CRTISO and LCYE genes was related to black cultivar. In black cultivar the maximum expression of LCYB , CHYB and CRTISO genes was detected in the fifth stage, and the highest expression of PSY , ZDS and ZISO genes was observed at the seventh stage. The highest expression in white cultivar was measured in isomerase genes of CRTISO and ZISO at the fifth stage and increased in the expression of PSY , LCYB and LCYE genes at the second stage. In red cultivar the highest expression of the all genes was measured in the seventh stage. Simultaneous expression of LCYB and LCYE genes in the late stages of development of the red cultivar and early stages in the white and black cultivars may indicate the production of (alpha) ?-carotene followed by lutein. However, in the early stages of the development of the red cultivar and the later stages in black and white cultivars, decreasing the expression of LCYE may be the path toward the beta-carotene. LCYB gene expression is complicated because of overlapping function with beta-carotene and alpha-carotene biosynthesis. The discrepancy between genes expression and carotenoid content can be attributed to the carotenoid antioxidant role in stress due to the inability to control environmental conditions and carotenoid degradation due to Carotenoids cleavage dioxygenases ( CCD ) activity. Key words Pomegranate, Carotenoid, Gene expression, qPCR.
انار (Punica granatum) یکی از مهم ترین گیاهان بومی ایران است و ایران بزرگترین صادر کننده انار محسوب می شود. اهمیت انار در خواص تغذیه ای، دارویی، زینتی و ارزش صنعتی آن است. چندین گروه از ترکیبات طبیعی مانند فنول ها، ترپنوئیدها و آلکالوئیدها از بافت های مختلف انار شناسایی شده اند. بر اساس مطالعات پوست انار منبع غنی از آنتی اکسیدان ها به خصوص ترکیبات فنولی و کاروتنوییدهاست. کاروتنوییدها در گروه آنتی اکسیدان های غیر آنزیمی قرار دارند و از قوی ترین آنتی اکسیدان ها محسوب می شوند. کاروتنوییدهای گیاهی رنگیزه های زرد، نارنجی و قرمز هستند که علاوه بر حفاظت از تنش نوری در بافت های حاوی کلروپلاست، به گل ها، ریشه ها و میوه ها رنگ می دهند و پیش ماده هورمون گیاهی آبسیزیک اسید و استریگولاکتون هستند. سیگنال های رشد و عوامل محیطی می تواند بیان ژن کاروتنویید را به وسیله تاثیر بر تجمع کاروتنویید تنظیم کند. علی رغم گستردگی مطالعات در مورد انار تاکنون تحقیقی در مورد بیان ژن های مسیر بیوسنتزی کاروتنوییدها انجام نشده است. بنابراین، هدف از این مطالعه بررسی بیان برخی از ژن های درگیر در مسیر بیوسنتز کاروتنوییدها مانند فیتوئن سینتاز( PSY )، زتاکاروتن دسچوراز( ZDS )، لیکوپن بتاسیکلاز( LCYB )، لیکوپن اپسیلون سیکلاز( LCYE )، زتاکاروتن ایزومراز( ZISO )، کاروتنویید ایزومراز( CRTISO ) و بتاکاروتن هیدروکسیلاز( CHYB ) در مراحل مختلف رشد میوه از پوست میوه سه رقم ایرانی ملس اصفهان (قرمز)، شیرین پوست سفید ساوه و پوست سیاه یزد گیاه انار و ارتباط آن با میزان کاروتنویید ارقام مذکور تعیین شد. بدین منظور محتوای RNA پوست تمامی نمونه ها در سه رقم انار به روش مبتنی بر CTAB استخراج و cDNA آن ها سنتز شد. پس از طراحی جفت آغازگرهای اختصاصی، دمای اتصال مناسب هر یک از آن ها در واکنشPCR با شیب دمایی مشخص شد و اندازه گیری میزان بیان نسبی هفت ژن دخیل در مسیر بیوسنتز کاروتنویید در واکنش Real-Time PCR صورت گرفت. استخراج کاروتنویید بر اساس بتاکاروتن استاندارد با حلال ان هگزان- استون (1:1) انجام شد. با توجه به اختلاف معنی دار میزان کاروتنویید بین ارقام مورد مطالعه و مراحل رشدی می توان نتیجه گرفت، میزان کاروتنویید پوست انار تحت تاثیر رقم و مرحله رشدی است. هر سه رقم در طول رشد کاهش کاروتنویید را نشان دادند. بیشترین میزان کاروتنویید (36/169 میکروگرم بر گرم وزن تر) در مرحله اول رقم سفید اندازه گیری شد. در بین سه رقم از مرحله اول تا پنجم بیشترین مقدار کاروتنویید مربوط به رقم سفید و از مرحله ششم تا هشتم در رقم قرمز اندازه گیری شد. با مقایسه میانگین در کل مراحل رشدی، بیشترین مقدار کاروتنویید به ترتیب در رقم ملس اصفهان، شیرین پوست سفید ساوه و پوست سیاه یزد اندازه گیری شد. بیان همه ژن های مورد بررسی تحت تاثیر مرحله رشدی قرار گرفت و رقم اثر معنی دار بر میزان بیان نسبی ژن های PSY ، ZDS ، LCYB ، ZISO و CHYB داشت. اثر رقم بر روی بیان نسبی ژن های LCYE و CRTISO معنی دار نبود. در این پژوهش بیان ژن ها در ارقام انار متفاوت بود. در مقایسه بین سه رقم بیشترین بیان ژن های PSY ، ZDS ، LCYB ، ZISO و CHYB مربوط به رقم قرمز و بیشترین بیان ژن های CRTISO و LCYE مربوط به رقم سیاه بود. ژن های مورد مطالعه در هر رقم با توجه به مراحل رشدی بیان متفاوت نشان دادند به طوری که در رقم پوست سیاه یزد بالاترین میزان بیان ژن های LCYB ، CHYB و CRTISO در مرحله پنجم و ژن های PSY ، ZDS و ZISO در مرحله هفتم رشدی مشاهده شد. در رقم شیرین پوست سفید ساوه ژن های ایزومراز CRTISO و ZISO در مرحله پنجم و ژن های PSY ، LCYB و LCYE در مرحله دوم رشدی بالاترین میزان بیان را داشتند. در رقم ملس اصفهان بالاترین میزان بیان هفت ژن مورد مطالعه در مرحله هفتم اندازه گیری شد. ممکن است بیان بالای هم زمان ژن های LCYB و LCYE در مراحل آخر رشد رقم قرمز و ابتدای مراحل رشد در ارقام سفید و سیاه نشان از تولید آلفاکاروتن و در پی آن لوتئین باشد. اما در مراحل اولیه رشد رقم قرمز و مراحل آخر رشد در دو رقم سفید و سیاه با کاهش بیان LCYE ممکن است مسیر به سمت بتاکاروتن پیش رود. با این حال، آنالیز ژن LCYB پیچیده است چون همپوشانی عملکرد آن در بیوسنتز بتاکاروتن و آلفاکاروتن وجود دارد. عدم تطابق میزان بیان ژن های مسیر با محتوای کاروتنویید می تواند مربوط به نقش آنتی اکسیدانی کاروتنویید در تنش باتوجه به عدم امکان کنترل شرایط محیطی و تجزیه کاروتنویید در اثر فعالیت Carotenoids cleavage dioxygenases ( CCD ) باشد. کلمات کلیدی: انار، کاروتنویید، بیان ژن، qPCR