SUPERVISOR
Ghodratollah Saeidi,Amir Hosein Goli,Badraldinebrahim Seyed tabatabaei,Majid Talebi
قدرت اله سعیدی (استاد راهنما) سیدامیرحسین گلی (استاد مشاور) بدرالدین ابراهیم سیدطباطبایی (استاد راهنما) مجید طالبی (استاد مشاور)
STUDENT
Shima Gharibi
شیما غریبی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389
TITLE
Study of Secondary Metabolites and Gene Expression of Phenylpropanoid Pathway and Enzymatic Antioxidants Genes in Achillea under Drought Condition
The country of Iran has valuable genetic resources of medicinal plants. Yarrow ( Achillea ) belongs to Anthemideae subfamily and Asteraceae family possesses more than 100 species in the world. Nineteen Achillea species were distributed in different parts of Iran. These species have different pharmaceutical properties and they can be also used for landscaping purposes in arid environments. Drought is one of the physical stresses and considered as one of the most limiting factors of plant growth and production in Iran and some other countries of the world. Environmental stresses can cause metabolism disorders in plant cells which lead to increase Reactive Oxygen Species (ROS). Plants can decrease the destructive effect of ROS by using enzymatic and non-enzymatic antioxidants. Furthermore, accumulation of free radicals can elevate flavonoids and phenolics content in plant cells, because of their considerable antioxidant activity. In the present study, genetic variation for drought tolerance and secondary metabolite in 20 accessions belonging to seven Achillea species ( A. millefolium , A. pachycephala , A. aucherii , A. tenuifolia , A. kellalensis, A. filipendulina and A. nobilis ) were evaluated under 4 different irrigation regimes. The study was performed as a factorial experiment (20×4) in a randomized complete block design (RCBD) with 3 replications for 2 years in green house. The results revealed that A . pachycephala accession from Salafchegan possessed the highest phenolic, flavonoid content and antioxidant activity in both stress and non-stress conditions, while A. kellalensis and A. nobilis accessions had the lowest amount of these compounds. Furthermore , A. pachycephala and A. aucherii showed more tolerance to drought stress in comparing to the other accessio therefore, for molecular studies the species of A. pachycephala was used. In molecular study, eight genes relating to enzymatic antioxidants ( apx1, gpx1, cat2, dhar, mdar, fe-sod, gr1 and aox1) and seven genes involving flavonoid synthesis ( chi, chs1, pal2, f3h1, f3'h, f3'5'h and fls1 ) were detected. The conserved sequences of these genes were used for primer designing and the amplified fragments in A. pachycephala were sequenced. Then, the expression of the genes was evaluated in stress condition at seven days intervals using Real time PCR. Moreover, in order to evaluate the product of the genes in stress condition, antioxidant enzyme activity was measured. Furthermore, the amount of relevant phenolic acid and flavonoids were determined by High Performance Liquid Chromatography (HPLC). In the initial days of drought stress, the plants increased gene expression of antioxidant enzymes for plant defense. In the seventh day of stress, the concentration of hydrogen peroxide was elevated in compared with control. In the day of 14 and 21th of stress, gene expression of enzymatic antioxidants was also increased and in the day of 28, the highest expression of these genes along with the highest amount of hydrogen peroxide was observed. The HPLC analysis determined 10 major compounds in studied genotype. In overall, the concentration of the most important phenolic acids and flavonoids such as chlorogenic acid, p-coumaric acid, rutin, luteolin-7-o glycoside, 1,3 dicaffeoylquinic acid, luteolin, apigenin and kaempferol were elevated in the day of 21 in compared with control, while they were decreased in the day of 28, in spite of the highest gene expression of phenyl propanoids pathway genes in this day. Therefore, in 21 days of drought stress, the change of gene expression and activation of the primary enzymatic defense system can be used for defeating the oxidative stress. The duration of drought stress can lead to use the secondary antioxidant system (non enzymatic antioxidants) by plant. Take into consideration that before severity of the stress, the phenyl propanoid genes were responsible for storage of phenolic acids and flavonoids; however by activation of secondary defense system, theses important medicinal compounds with high antioxidant activity were responsible to defeat the ROS. Therefore, these compounds were oxidized and their amount was decreased at the day of 28 of drought stress
ایران دارای ذخایر ارزشمند ژنتیکی از بسیاری گیاهان دارویی می باشد. بومادران ( Achillea ) گیاهی است از زیرخانواده Anthemideae و خانواده Asteraceae که بیش از 100 گونه در جهان دارد. نوزده گونه آن درمناطق مختلف ایران پراکنده شده اند. این گونه ها خواص دارویی متعددی دارند و می توانند در فضای سبز مناطق خشک مورد استفاده قرار گیرند. خشکی از جمله تنش های فیزیکی است که به عنوان مهم ترین عامل محدود کننده رشد و تولید گیاهان در اکثر نقاط جهان و ایران شناخته شده است. تنش های محیطی سبب بروز اختلالات متابولیسمی در سلول های گیاهی می گردند که یکی از عوامل اصلی این اختلالات افزایش تولید انواع گونه های فعال اکسیژن (ROS) می باشد. گیاهان می توانند توسط سیستم های آنتی اکسیدانی آنزیمی و غیرآنزیمی اثرات مخرب گونه های فعال اکسیژن را کاهش دهند. علاوه بر این، تجمع رادیکال های آزاد باعث افزایش فلاونوئیدها و اسیدهای فنولیک در سلول گیاهی می شود، زیرا این ترکیبات از خاصیت آنتی اکسیدانی بالایی برخوردار هستند. در این پژوهش میزان تحمل به خشکی 20 ژنوتیپ از هفت گونه Achillea ( A. millefolium, A. pachycephala, A. aucherii, A. tenuifolia , A. kellalensis , A. filipendulina , A. nobilis ) و تغییرات میزان متابولیت های ثانویه این گیاهان در سطوح مختلف آبیاری بررسی شد. آزمایش به صورت فاکتوریل 4×20 در قالب طرح بلوک کاملا تصادفی با سه تکرار انجام شد که در آن ژنوتیپ ها در چهار سطح آبیاری ارزیابی شدند. نتایج نشان داد که ژنوتیپ A.pachycephala از منطقه سلفچگان دارای بیشترین میزان ترکیبات فنولیک، فلاونوئید و فعالیت آنتی اکسیدانی در مقایسه با سایر ژنوتیپ ها در شرایط تنش و غیر تنش بود، درحالی که دو گونه A. kellalensis و A. nobilis کمترین مقادیر ترکیبات ذکر شده را داشتند. علاوه بر این، دو گونه A. pachycephala و A. aucherii بیشترین قدرت زنده مانی را در شرایط تنش نشان دادند. بنابراین، به منظور انجام مطالعات مولکولی گونه A. pachycephala انتخاب گردید. در این بخش از پژوهش، هشت ژن مربوط به آنتی اکسیدان های آنزیمی( apx1 ، gpx1 ، cat2 ، dhar ، mdar ، fe-sod ، gr1 و aox1 ) و هفت ژن دخیل در مسیر سنتز فلاونوئیدها ( chi1 ، chs1 ، pal2 ، f3h1 ، f3'h1 ، f3'5'h و fls1 ) ردیابی و شناسایی شدند. سپس نواحی انتخابی و حفاظت شده هر ژن در سایر گونه های گیاهی شناسایی و در گیاه بومادران توالی یابی گردید. تغییرات بیان ژن های مذکور در شرایط تنش و در بازه های زمانی هفت روزه با آزمایش Real Time PCR مورد بررسی قرار گرفت. همچنین جهت بررسی روند تغییرات محصولات این ژن ها در شرایط تنش، فعالیت آنزیم های آنتی اکسیدانی سنجیده شد و غلظت اسیدهای فنولیک و فلاونوئیدها با دستگاه کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا(HPLC) مورد بررسی قرار گرفت. در روزهای نخست تنش خشکی، گیاه با افزایش بیان ژن های آنتی اکسیدانی آنزیمی، سیستم دفاعی اولیه خود را فعال کرد. در روز هفتم غلظت رادیکال آزاد پراکسید هیدروژن نسبت به نمونه شاهد افزایش قابل توجهی داشت. در روزهای چهاردهم و بیست ویکم بیان ژن های آنتی اکسیدان های آنزیمی به صورت معنی داری از سایر بازه های زمانی بالاتر بود. در روز بیست و هشتم فعالیت این آنزیم ها به موازات به حداکثر رسیدن غلظت H 2 O 2 در سلول ها به بیشترین میزان خود رسید. آزمایش HPLC در گیاه بومادران ده ترکیب مهم دارویی را مشخص ساخت. در مجموع، در روز بیست و یکم پس از شروع تنش میزان کلروژنیک اسید، پی کوماریک اسید، روتین، لوتئولین 7-اوگلیکوزاید، 1،3 دی کافئولکوئینیک اسید، لوتئولین، آپی ژنین و کائمفرول به حداکثر میزان خود در مقایسه با نمونه شاهد رسیدند و با گذشت زمان در روز بیست و هشتم علی رغم بیان بالاتر ژن های مسیر فنیل پروپانوئید از غلظت این ترکیبات کاسته شد. بنابراین، در طول 21 روز دوره کم آبی، گیاه با تغییرات بیان ژن ها و فعال ساختن سیستم اولیه دفاعی، سعی در مبارزه با تنش اکسیداتیو می نماید. با طولانی تر شدن دوره تنش گیاه وادار به استفاده از سیستم ثانویه دفاعی(آنتی اکسیدان های غیر آنزیمی) می شود. مکانیسم های پیچیده سلولی تا قبل از شدید شدن تنش با تغییر بیان ژن های مسیر فنیل پروپانوئید باعث ذخیره اسیدهای فنولیک و فلاونوئیدها در گیاه شد. با فعال شدن سیستم ثانویه دفاعی این ترکیبات مهم دارویی با خاصیت آنتی اکسیدانی خود به مبارزه با ROS می پردازند. بنابراین، این ترکیبلات در روز 28 ام اکسید شده و از میزان آنها کاسته می شود. کلمات کلیدی : بومادران، خشکی، فنولیک، فلاونوئید، فعالیت آنتی اکسیدانی، بیان ژن