Molecular insights into salinity tolerance mechanisms of date palm, based on methylome and transcriptome approaches

Molecular insights into salinity tolerance mechanisms of date palm, based on methylome and transcriptome approaches

مؤلف

AL-Harrasiyah, Ibtisam Rashid Said.

الناشر

Sultan Qaboos University

ميلادي

2019

اللغة

الأنجليزية

الموضوع

Date palm

الملخص الإنجليزي

Date palm (Phoenix dactylifera L.) is the primary agricultural crop in Oman. Recent statistics have indicated that there are 8,050,000 date palm trees, produce 172,866 tonnes of dates annually. Although date palm is relatively tolerant to salt-stress, the cultivation and hence the agricultural production of date palm trees was highly affected by soil salinity. Therefore, this study aims to investigate the response of this crop to salinity stress based on methylome and transcriptome approaches in order to understand the salinity response mechanism and, therefore, design an efficient strategy to produce salinity tolerant date palms. Initially, whole-genome bisulfite sequencing (WGBS) technique was used to identify differentially methylated regions (DMRs) in date palm genome in response to salt stress. The results revealed that the level of methylation within these DMRs was significantly (p < 0.05, FDR ≤0.05) increased in response to salinity. DNA methylation is known to play an essential role in regulating gene expression in response to abiotic stresses, including salinity. Therefore, mRNA sequencing was also conducted to identify significantly (p < 0.001, FDR ≤0.05) regulated genes (6,405), which were assigned to their DNA methylation level in the different gene regions. Integrative analysis of methylome and transcriptome revealed a negative correlation between mCG methylation located within the promoters and the gene expression, while a positive relationship was noticed between mCHG/mCHH methylation ratios and gene expression specifically when plants grew under control conditions. Functional enrichment analysis of significant DMGs (p ≤0.05), indicated that upregulated genes containing mCG were enriched in hydrogen ion transmembrane transport and regulation of protein kinase phosphorylation activity. Sodium hydrogen exchanger 6 (PdNHX6) and vascular highway 1-interacting kinase (PdVIK) genes were among those genes that were affected by salinity in terms of DNA methylation and gene expression level. Therefore, they were selected for functional characterization in a model plant, Arabidopsis thaliana. The results showed that heterologous overexpression of PdNHX6 in Arabidopsis enhanced tolerance to salt stress. The transgenic plants retained higher chlorophyll and water contents compared to the wild-type plants and were able to maintain a balanced Na+/K+ ratio under salt stress conditions. However, overexpression of PdVIK in Arabidopsis enhanced proline accumulation that might modulate the plant response to salt stress. Interestingly, PdVIK transgenic plants showed enhanced drought tolerance by maintaining better relative water content. The results obtained from this study highlights two important genes, that can be used to increase the tolerance of date palm to drought and salinity using conventional and unconventional breeding methods.

المجموعة

الرسائل والأطروحات

URL المصدر

https://hdl.handle.net/20.500.12408/4182

الملخص العربي

يعتبر نخيل التمر أحد أهم المحاصيل الزراعية في سلطنة عمان، حيث أشارت أخر الإحصائيات انه يوجد مايقارب 8 , 050 , 000 نخلة في السلطنة تسهم بإنتاج مايقارب 172 , 866 طن من التمرسنويا. وبالرغم من أن نبات نخيل التمر من النباتات المقاومة للملوحة نسبيا، فقد أثرت ملوحة التربة المتزايدة بشكل ملحوظ على زراعة وإنتاجية أشجار النخيل. من اجل ذلك، كان الهدف الرئيسي من هذا المشروع هو فهم آليات تحمل نخيل التمر للملوحه وذلك عن طريق تتبع أنماط وجود جزيء الميثيل على الموروثات المنسوخة من الحمض النوري و علاقتها في كمية التعبير الجيني لهذه الموروثات عند تعرض نبات النخيل للملوحة مقارنة بظروف النمو الطبيعية.
تم خلال هذه الدراسة استخلاص الحمض النووي من جذور نباتات نخيل تمت تحت ظروف طبيعية وأخرى تعرضت للملوحة، بعد ذلك تم معاملة الحمض النووي لكل منها بييكيريتات الصوديوم الحامضية ومن ثم تتبع أنماط وجود جزيء الميثيل باستخدام مبدأ تقنية الجيل المقبل من التسلسل (WGBS) من أجل تحديد المناطق ذات الأنماط المتباينة للميلة (DMR). اعتمادا على هذه المناطق (DMR أشارت النتائج أن تعرض نبات النخيل للملوحة يساهم في ارتفاع مستوى منيلة الحمض النووي (DNA methylation) وبالتالي تذبذب التعبير الجيني للموروثات المسؤولة عن استجابة النخيل للملوحة التي تم تحديدها باستخدام تقنية قراءة تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA sequencing method)، حيث أظهرت وجود 6 , 405 مورونا متباينة في التعبير الجيني نتيجة للملوحة (DEG). وقد تم ربط قيم التعبير الجيني لهذه الموروثات بمستوى المتبلة عبر مختلف المناطق الجينية من أجل دراسة العلاقة بينهما وقد أظهرت التحاليل وجود علاقة عكسية بين ميلة الحمض النووي ( تحديدا نوع mCG) في مناطق المحيزات (promoters) وبين التعبير الجيني للموروثات. بالمقابل كانت هناك علاقة طردية بين التعبير الجيني و ميلة الحمض النووي ( للنوعين mCHH و mCHG) وخاصة في الحمض النووي للنخيل تحت ظروف التمور الطبيعية.
تناول البحت أيضأ اجراء تحاليل دراسة شبكات التفاعل البيولوجي وكذلك الوظائف البيولوجية المرتبطة بالموروثات ذات الأنماط المتباينة للميلة (DMG5) وقد أظهرت النتائج أن الموروثات ذات التعبير الجيني المرتفع تساهم بشكل فعال في: (1) نقل أيون الهيدروجين عير غشاء الخلية النباتية، (2) تنظيم نشاط الإنزيمات المسؤلة عن إضافة مجموعة فوسفات إلى جزيء البروتين. لذلك تم اختيار اثنتين من جينات النخيل ذات الصلة بهذه الوظائف الحيوية واعتمادا على تباين نمط المتيلة والتعبير الجيني لكل منهما عند تعرض نبات النخيل للملوحة وهما: (sodium hydrogen exchanger 6 PdNHX6 و (vascular highway 1- interacting kinase ( PdVIK، حيت تم توصيف الوظائف الحيوية المرتبطة بكل منهما على حده في في النبات النموذجي رشاد أذن القار(Arabidopsis thaliana).
بالمقارنة مع النباتات الغير معدله وراتية والتي تمت في نفس الظروف البيئية، أحدأت عملية النقل الجيني بهدف زيادة التعيير الجيني مغاير المنشأ لموروت PdNHX6 الى تحسين مقاومة نبات رشاد اذن الفأر لملوحة التربة من خلال ارتفاع محتوى الماء والمحتوى الكلوروفيلي في النباتات المعدلة وراثية وقدرتها على تحقيق التوازن في نسبة أيونات البوتاسيوم الى الصوديوم. أما بالنسبة لموروك PdVIK ، فإن النباتات المعدلة وراثية، أظهرت معدلات تراكم عالية من الحمض الأميني البرولين تحت ظروف الملوحة وأبدت مقاومة ملحوظة للجفاف من خلال الحفاظ على مستوى مرتفع من المحتوى المائي.
وأخيرا، أن أهم مخرجات هذه الدراسة هو تحديد أهمية هذين الجينين في تحسين مقاومة نبات النخيل للملوحة والجفاف، مما قد يسهم مستقبلا في انتاج نباتات نخيل اكتر مقاومة للملوحة والجفاف باستخدام أساليب التقنيات الحيوية التقليدية وكذلك أساليب التقنية الحيوية الحديثة.

قالب العنصر

الرسائل والأطروحات الجامعية