Skip to main content
SUPERVISOR
محسن یاسایی (استاد مشاور) ابوذر سورنی (استاد مشاور) امیر مساح (استاد راهنما) حبیب اله حمزه زرقانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Farideh Farahbakhsh
فریده فرح بخش

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392

TITLE

Metabolomics and transcriptomics analysis of resistant and susceptible wheat cultivars infected to wheat streak mosaic virus at normal and high temperatures
Wheat streak mosaic virus (WSMV) causes an economically important disease in wheat and other gramineous plants in the world and Iran. Considering global climate change, the incidence of combined drought and heat stresses will considerably influence plant-pathogen interactions and likely increase the virus incidence in the future. So far, little information has been obtained about abiotic stress-virus interactions in plants. To evaluate wheat resistance to WSMV at low temperature and resistance breakdown at high temperature, we analyzed metabolic and volatile organic compounds (VOC) profiles of resistant (Adl-cross) and susceptible (Marvdasht) wheat cultivars to WSMV. Metabolites detected by LC-QTOF/MS in leaves of R and S plants at 24,48 and 72 hours post infection (hpi). WSMV and mock inoculated plants were used for discriminating the most significant metabolites and the metabolic pathways affected at both temperatures. At 24 hpi and 48 hpi at 20°C, the most important metabolites in R plants were coumarins, limited number of lipids, and unknown compounds, while in 72 hpi, in addition to coumarins, alkaloids and several amino acids were increased. Compared to 24 and 48 hpi, at 72 hpi, in R plants most metabolic pathways were up-regulated at 20°C. The resistances related specific pathways were amino acid metabolism, lipid metabolism and alkaloids pathways. The combined heat stress and pathogen related pathways were lipid metabolism and amino acid metabolism pathways. Some carbohydrate metabolism pathways were considered as heat stress related pathways and could be associated to resistance breakdown. On the other hand, the increased expression of lipid compounds especially at 24 hpi at 32°C in R plants can be attributed to plant adaptation to combined stressors such as pathogen and high temperature. Increased susceptibility of R plants at 32°C was coincided with a down-regulated expression of components of signal transduction pathways or in a decreased level of metabolites related to this pathway especially at a later time after infection leading to decreased metabolite signaling. Reduction of signaling components under combined stresses, is possibly brought by deactivating WSMV specific signaling networks leading to susceptibility response in R plants. In addition, VOCs were detected in leaves of R and S plants infected to WSMV at 20°C and 32°C at 24, 48 and 72 hpi by GC.MS-HS-SPME. At 20°C the compounds such as 6-methyl-5-hepten-2-one, heptanal, Z-1,5-octadien-3-ol showed the highest abundance in R plants compared to S plants at an earlier time especially, 48 hpi. Also, at 32°C, VOCs including heptanal, undecanal, farnesyl acetate and 2-pentenal had the most increased amounts at a later time. On the other hand, in R plants, several pathways were up-regulated commonly at 20°C and 32°C. Although, these pathways, were activated more rapidly at 20°C. At 32°C, most of these pathways were up-regulated at 72 hpi. The most important pathways related to combined stresses were included Lipoxygenase, cuticular wax biosynthesis, fatty acid and lipid biosynthesis. Phenyl ethanol biosynthesis pathway was up-regulated only at 32°C, which is probably related to tolerance to heat stress. In this study, we analyzed the transcriptome of R plants infected by WSMV by RNA-Seq at 72 hpi at 32°C. In total, 53,178 genes were affected in this interaction, of which 954 genes showed differential expression significantly at the 0.01 level. Several transcripts included pathogenesis-related protein genes, RNA-silencing genes, heat shock protein genes, transcription factor genes, protein kinase genes and auxin and lipoxygenase pathways genes were up-regulated, while most genes related to cell wall biosynthesis and chlorophyll biosynthesis showed down regulation. In addition, several pathways were significantly induced in wheat, including phenylpropanoid biosynthesis, secondary metabolite biosynthesis and metabolic pathways. These findings revealed that the recent increase of global temperature and the challenge of the breakdown of temperature-sensitive resistance should be considered more than ever. Key Words: Metabolome analysis, WSMV, VOCs, RNA-Seq, Triticum aestivum , temperature-sensitive resistance
ویروس موزائیک رگه ای گندم (wheat streak mosaic virus, WSMV) باعث ایجاد بیماری مهم از نظر اقتصادی در گندم و تعداد دیگری از گرامینه ها در ایران و جهان می شود. تغییر اقلیم جهانی و وقوع تنش های ترکیبی گرما و خشکی به طور قابل ملاحظه ای بر برهمکنش بیمارگر-گیاه اثر می گذارند و احتمالا باعث افزایش این ویروس در آینده می شوند. تاکنون اطلاعات کمی در مورد برهمکنش های تنش های غیر زیستی-ویروس های گیاهی، بدست آمده است. برای ارزیابی مقاومت گندم به ویروس موزائیک رگه ای گندم در دمای پایین و شکست مقاومت در دمای بالا، پروفایل های متابولیکی و ترکیبات آلی فرار ارقام گندم مقاوم (کراس عدل) و حساس (مرودشت) مایه زنی شده با WSMV و شاهد مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. متابولیت ها از طریق LC-QTOF/MS در برگ های گیاهان مقاوم و حساس در 24، 48 و 72 ساعت پس از مایه زنی ردیابی شدند. از گیاهان مایه زنی شده با ویروس و شاهد برای تفکیک و تمایز معنی دارترین متابولیت ها و مسیرهای متابولیتی تحت تاثیر هر دو دما استفاده شد. در 24 و 48 ساعت پس از مایه زنی در 20 درجه سلسیوس، مهم ترین متابولیت های دارای بالاترین فراوانی در گیاهان مقاوم کومارین ها، تعداد محدودی از لیپیدها و تعدادی ترکیبات ناشناخته بودند، در حالی که در 72 ساعت پس از مایه زنی، علاوه بر کومارین ها، آلکالوئیدها و چندین آمینواسید نیز افزایش نشان دادند. در مقایسه با زمان های 24 و 48 ساعت پس از مایه زنی در 20 درجه سلسیوس، در 72 ساعت پس از مایه زنی در گیاه مقاوم، بیشترین افزایش در تعدادی از مسیرها مشاهده شد. این مسیرهای اختصاصی مرتبط با مقاومت به ویروس شامل مسیرهای سوخت و ساز آمینواسید و لیپید و مسیرهای آلکالوئیدی بودند. مسیرهای مرتبط با تنش ترکیبی گرما و بیمارگر شامل مسیرهای سوخت و ساز آمینواسید و لیپید بودند. چندین مسیر سوخت و سازکربوهیدرات به عنوان مسیرهای اختصاصی مرتبط با تنش گرما در نظر گرفته شدند و می توانند مرتبط با شکست مقاومت باشند. از طرفی دیگر افزایش بیان ترکیبات لیپیدی مخصوصا در 24 ساعت پس از مایه زنی در 32 درجه سلسیوس همراه با کاهش بیان اجزاء مسیرهای انتقال سیگنال یا کاهش سطح متابولیت های مرتبط با این مسیر بویژه در زمان دیرتر پس از آلودگی منجر به کاهش سیگنال رسانی متابولیتی گردید. کاهش اجزاء سیگنال رسانی تحت تنش ترکیبی، احتمالا با غیرفعال کردن شبکه های سیگنال رسانی اختصاصی WSMV باعث ایجاد حساسیت در گیاهان مقاوم در دمای بالا شد. همچنین ترکیبات آلی فرار در برگ های گیاهان مقاوم و حساس آلوده به WSMV در 20 و 32 درجه سلسیوس در بازه های زمانی 24، 48 و 72 ساعت پس از مایه زنی از طریق GC.MS-HS-SPME ردیابی شدند. ترکیباتی مانند 6-methyl-5-hepten-2-one، Heptanal، Z-1,5-octadien-3-ol بیشترین فراوانی را در گیاهان مقاوم در مقایسه با گیاهان حساس در یک زمان زودتر بخصوص در 48 ساعت پس از مایه زنی در 20 درجه سلسیوس نشان دادند. همچنین در 32 درجه سلسیوس، ترکیباتی مانند Heptanal، Undecanal، Farnesyl acetate و 2-pentenal بیشترین افزایش مقدار را در زمان دیرتر نشان دادند. از طرف دیگر، در گیاهان مقاوم، چندین مسیر به طور مشترک در 20 و 32 درجه سلسیوس افزایش نشان دادند. اگرچه در 20 درجه سلسیوس، در زمان زودتر فعال شدند. در 32 درجه سلسیوس، اغلب این مسیرها در 72 ساعت پس از مایه زنی افزایش نشان دادند. مهمترین مسیرهای مرتبط با تنش ترکیبی شامل لیپوکسیژناز، بیوسنتز واکس کوتیکولی، بیوسنتز اسیدچرب و لیپید بودند. مسیر بیوسنتز فنیل اتانول تنها در 32 درجه سلسیوس فعال شد که احتمالا به طور اختصاصی مرتبط با مقاومت به تنش گرما می باشد. در این مطالعه، تجزیه و تحلیل ترانسکریپتوم رقم مقاوم گندم در دمای 32 درجه سلسیوس در 72 ساعت پس از مایه زنی از طریق RNA-Seq انجام شد. در مجموع، ????? ژن در این برهمکنش تحت تاثیر قرار گرفتند که از بین آن ها، ??? ژن اختلاف معنی دار در سطح 01/0 داشتند. بر اساس داده های ترانسکریپتومیکیس، ژن های مربوط به پروتئین های مرتبط با بیماری زایی، ژن های خاموشی RNA، ژن های پروتئین های شوک گرمایی، ژن های فاکتورهای نسخه برداری، ژن های پروتئین کینازها ، ژن های مسیر اکسین و لیپوکسیژناز دارای افزایش بیان بودند، در حالی که اکثر ژن های مربوط به بیوسنتز دیواره سلولی و بیوسنتز کلروفیل دارای کاهش بیان بودند. از طرفی دیگر در تجزیه و تحلیل ترانسکریپتوم، در پاسخ به آلودگی همزمان WSMV و دمای بالا، چندین مسیر در گندم به طور معنی‌داری القا شدند که شامل بیوسنتز فنیل پروپانوئید، بیوسنتز متابولیت های ثانویه و مسیرهای متابولیکی می باشند. این یافته ها اهمیت توجه به افزایش اخیر دمای کره زمین و چالش شکست مقاومت حساس به دما را بیش از پیش آشکار می سازد. کلمات کلیدی : تجزیه و تحلیل متابولوم، WSMV، ترکیبات آلی فرار، RNA-Seq، مقاومت حساس به دما، Triticum aestivum

ارتقاء امنیت وب با وف بومی