Γονιδιακή έκφραση γενετικού υλικού σόγιας σε συνθήκες υδατικής καταπόνησης

Abstract

Η σόγια αποτελεί ένα από τα περισσότερο σημαντικά ψυχανθή σε παγκόσμιο επίπεδο και μία πολλά υποσχόμενη καλλιέργεια για την εκμετάλλευσή της σε πλήθος εφαρμογών στη βιομηχανία. Το γεγονός ότι ανήκει στην κατηγορία των ευαίσθητων φυτών στην έλλεψη επαρκούς εδαφικής υγρασίας, δικαιολογεί την αναγκαιότητα υλοποίησης βελτιωτικών προγραμμάτων με στόχο την παραγωγή ποικιλιών ανθεκτικών στην περιβαλλοντική αυτή καταπόνηση. Προϋπόθεση για την επιτυχή διεξαγωγή τέτοιων προγραμμάτων είναι η αποσαφήνιση των μοριακών μηχανισμών που ειπεσέρχονται στην εκδήλωση του γνωρίσματος της ανθεκτικότητας. Προς την κατεύθυνση αυτή, η παρούσα μελέτη επικεντρώθηκε, στην ανάλυση της έκφρασης γονιδίων μεταγραφικών παραγόντων και άλλων λειτουργικών πρωτεϊνών που σχετίζονται με το γνώρισμα της ανθεκτικότητας στη σόγια. Ειδικότερα, μελετήθηκε η απόκριση σε μεταγραφικό επίπεδο δύο ποικιλιών σόγιας, μίας ανθεκτικής και μίας ευαίσθητης, υπό συνθήκες υδατικής καταπόνησης. Παράλληλα, ελέγχθηκε το προφίλ γονιδιακής έκφρασης σε δύο αναπτυξιακά στάδια για την ανάδειξη ενδεχόμενης επαγωγής έκφρασης που εξαρτάται από το αναπτυξιακό στάδιο των φυτών. Από τα πειραματικά αποτελέσματα προέκυψαν ισχυρές ενδείξεις για τη συσχέτιση ορισμένων γονιδίων με την έκφραση του γνωρίσματος της ανθεκτικότητας. Από τα γονίδια που κωδικοποιούν μεταγραφικούς παράγοντες της οικογένειας NAC, βρέθηκε ότι η έκφραση του γονιδίου nac127 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταυτοποίηση ανθεκτικών γονοτύπων τόσο κατά το νεαρό (V1) όσο και κατά το μεταγενέστερο (V6) στάδιο ανάπτυξης, ενώ το γονίδιο nac 101 μπορεί να αποτελέσει δείκτη ανθεκτικότητας κατά το V1 αναπτυξιακό στάδιο. Στις περισσότερες των περιπτώσεων επίσης, και τα άλλα nac γονίδια που εξετάστηκαν, παρουσίασαν σημαντική υπερέκφραση κάτω από συνθήκες υδατικής ανεπάρκειας σε ώριμο αναπτυξιακό στάδιο. Η μελέτη των υπολοίπων μεταγραφικών παραγόντων, ανέδειξε την έκφραση του γονιδίου nya3 ως υποψήφιο δείκτη για την ταυτοποίηση ανθεκτικών γονοτύπων και στα δύο αναπτυξιακά στάδια που μελετήθηκαν. Το προφίλ έκφρασης των γονιδίων ereb και areb1 δύναταιεπίσης να διακρίνει την ανθεκτικότητα σε φυτά νεαρού αναπτυξιακού σταδίου ενώ αντίθετα, η έκφραση του γονιδίου hsfa1 μπορεί να αποτελέσει διαγνωστικό εργαλείο για την επιλογή φυτών στο V6 στάδιο. Όσον αφορά στο προφίλ έκφρασης γονιδίων που κωδικοποιούν λειτουργικές πρωτεΐνες απόκρισης στην υδατική ανεπάρκεια, τα γονίδια defensin, gol και pip1b βρέθηκαν να υποεκφραζονται στην ευαίσθητη και υπερεκφράζονται στην ανθεκτική ποικιλία κατά το V1 αναπτυξιακό στάδιο, υποδεικνύοντας τη ενδεχόμενη χρησιμότητα τους για επιλογές σε στάδιο αυτό. Αντίστοιχα ήταν τα αποτελέσματα της μεταγραφομικής ανάλυσης για το γονίδιο p5cs στην περίπτωση των φυτών V6 σταδίου. Το ίδιο μεταγραφικό προφίλ προέκυψε και από την ανάλυση έκφρασης του γονιδίου gst4, γεγονός που υποδεικνύει τη δυνατότητα χρήσης του ως ισχυρό υποψήφιο δείκτη επιλογής. Επικρατέστερη όλων των περιπτώσεων των γονιδίων που κωδικοποιούν λειτουργικές πρωτεΐνες προστασίας της σόγιας από την υδατική καταπόνηση που εξετάστηκαν, ήταν αυτή του γονιδίου hsp70. Η έκφραση του γονιδίου αυτού μπορεί να αξιοποιηθεί για την ταυτοποίηση ανθεκτικών γονοτύπων σόγιας και στα δύο υπό μελέτη αναπτυξιακά στάδια, με σαφέστατα μεγαλύτερη ευχέρεια διάκρισης των γονοτύπων κατά το αναπτυξιακό στάδιο V1. Στο σύνολό τους, τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας υπογραμμίζουν σαφώς τη δυνατότητα ταυτοποίησης και επιλογής ανθεκτικού στην ξηρασία γενετικού υλικού σόγιας, μέσω του μεταγραφικού προφίλ συγκεκριμένων γονιδίων-δεικτών. Αξιοσημείωτη είναι η δυνατότητα διάκρισης της ανθεκτικότητας από τα πρώιμα αναπτυξιακά στάδια, γεγονός που καθιστά εφικτή την αναβάθμιση της αποτελεσματικότητας επιλογών κατά τα στάδια αυτά. Τα γονίδια που προτείνονται ως εν δυνάμει εργαλεία αξιοποίησής τους για την ανίχνευση ανθεκτικού γενετικού υλικού πρέπει να ελεγχθούν για την αξιοπιστία τους. Στο πλαίσιο αυτό, είναι απαραίτητη η διεξαγωγή πρόσθετων πειραμάτων μεταγραφομικής καθώς και η συσχέτιση των αποτελεσμάτων τους με την αξιολόγηση του υπό μελέτη γενετικού υλικού, μέσω της εκατοστιαίας απώλειας της απόδοσης υπό συνθήκες υδατικής καταπόνησης σε πειράματα αγρού.

Soybean is one of the most important legumes worldwide, with numerous uses in the food, feed and industry sector. The fact that soybean crops suffer from the lack of adequate soil moisture, justifies the need for breeding programs aiming at producing drought tolerant varieties. Understanding the molecular mechanisms that underlie the trait, is a prerequisite for the success in such an endeavor. To this purpose, the present study concentrated in analyzing the gene expression profile of transcription factors and other functional proteins associated with the trait of drought tolerance in soybean. A drought susceptible and a drought tolerant variety were studied for their response, at the transcriptome level, when subjected to drought stress. At the same time, gene expression profile was determined at two developmental stages in order to investigate a possible dependence of the induction of expression to the crop age. The results provided strong indications that certain genes are associated to the drought tolerance phenotype. Among the genes encoding for the NAC family transcription factors, the nac127 gene expression was found capable to identify drought tolerant genotypes both at a young (V1) and at a later (V6) growth stage, while that of the nac 101 gene could serve as a drought tolerant marker at the V1 stage. In most cases also, the other NAC family genes were significantly over-expressed under drought at a mature stage. The rest of the transcription factors revealed the nya3 gene as a candidate marker to select for tolerant genotypes at both developmental stages. The expression profile of the ereb and areb1 genes also could be used to select tolerant plants early, whereas that of the hsfa1 gene to select at the V6 stage. As for the genes encoding for functional proteins in response to inadequate soil moisture, the defensin, go and pip1b genes were found under-expressed in the susceptible and over-expressed in the tolerant variety at the V1 stage, pointing to their usefulness for early selection. Transcription analysis for the p5cs gene in plants at the V6 stage gave analogous results. The same transcription profile was obtained by analysing the gst4 gene, thus rendering it as a strong selection marker. Among all genes encoding functional proteins of interest, the expression profile of the hsp70 gene proved very significant and could be employed for selection purposes at both developmental stages studied, although with a much higher discriminant power at the V1 stage. In conclusion, the findings of this study strongly support the possibility to identify and select drought tolerant soybean gerplasm by exploiting the trancription profile of certain genes as suitable markers. The possibility revealed for ealy selection, is of outmost importance for the efficiency of any relevant breeding task. Obviously however, further validation and corellation with yield data in the field is still a needed for an immediate application .