Mohammad Mahdi Taghvaei* ,Habibollah Samizadeh Lahiji e Mohammad Mohsenzadeh Golfazani

Departamento de Biotecnologia Vegetal, Faculdade de Agricultura, Universidade de Guilan, Rasht, Irã

* Correspondência: mahdi.taghvaei@gmail.com

Recebido: 30 de outubro de 2020 Aceito: 29 de novembro de 2021

Resumo

A colza é a terceira maior fonte de óleo vegetal e uma das plantas de óleo essencial em todo o mundo. O estresse por frio é um dos fatores críticos que afetam o rendimento das plantas. Portanto, melhorar a tolerância ao estresse pelo frio é necessário para aumentar o rendimento. O presente estudo investigou o comportamento da expressão dos genes BnCAT1 e BnCSD1 em uma cultivar tolerante e sensível sob estresse por frio (4 °C). Além disso, foram analisadas as redes de interação proteína-proteína das enzimas CATs e CSDs e sua associação com outras enzimas antioxidantes. Além disso, os microRNAs direcionados a BnCAT1 e BnCSD1genes foram previstos. Este estudo indicou muitas interações diretas e indiretas e a associação entre os componentes do sistema antioxidante vegetal. No entanto, não só as enzimas CATs e CSDs têm uma relação entre si, mas também interagiram diretamente com as enzimas ascorbato peroxidase e glutationa redutase. Além disso, 23 e 35 microRNAs efetivos foram previstos para os genes BnCAT1 e BnCSD1 , respectivamente. Os resultados da expressão gênica indicaram uma expressão elevada de BnCAT1 e BnCSD1 em cultivares tolerantes e sensíveis. No entanto, esse aumento foi mais perceptível na cultivar tolerante. Assim, o BnCSD1O gene teve a maior expressão na primeira hora de estresse por frio, principalmente na 12ª h, e o gene BnCAT1 apresentou a maior expressão na 48ª h. Este resultado pode indicar uma relação funcional entre essas enzimas.

Retomar

Le colza representa la troisième source d’huile végétale et un oléoprotagineux essentiel dans le monde. Le stress lié au froid est l’un des facteurs critiques qui effectent le rendement des plantes. Por consequência, l’amélioration de la tolérance au stress froid s’avère nécessaire pour augmenter le rendement. O estudo anterior examina a variação da expressão dos genes BnCAT1 e BnCSD1, que apresenta uma cultivar tolérant e uma outra sensível ao estresse lié au froid (4 °C). Além disso, les réseaux d’interaction protéine-protéine d’enzymes (catalase CAT e superóxido dismutase CSD), e sua associação com outras enzimas antioxidantes em análise. Além disso, os microARNs ciblant os genes BnCAT1 e BnCSD1 são identificados. Cette étude a souligné de nombreuses interações diretas e indiretas et l’association entre les composants du système antioxidant des plantes. Não apenas as enzimas CATs e CDSs estão entre elas, mais as enzimas interagissaient également directement avec l’ascorbate peroxidase et la glutationa redutase. De plus, respectivamente 23 e 35 microARN étaient associado a uma modificação da expressão dos genes BnCAT1 e BnCSD1. Os resultados da expressão génétique ont indiqué une expression élevée de BnCAT1 et BnCSD1 chez les cultivars tolérants et sensibles. Cependant, cette augmentation était plus marquée chez le cultivar tolérant. Além disso, le gène BnCSD1 avait l’expression la plus élevée em les premières heures d’exposition au froid, em particular à la 12 Não apenas as enzimas CATs e CDSs são encontradas entre elas, mais as enzimas interagissaient également directement avec l’ascorbate peroxidase et la glutationa redutase. De plus, respectivamente 23 e 35 microARN étaient associado a uma modificação da expressão dos genes BnCAT1 e BnCSD1. Os resultados da expressão génétique ont indiqué une expression élevée de BnCAT1 et BnCSD1 chez les cultivars tolérants et sensibles. Cependant, cette augmentation était plus marquée chez le cultivar tolérant. Além disso, le gène BnCSD1 avait l’expression la plus élevée em les premières heures d’exposition au froid, em particular à la 12 Não apenas as enzimas CATs e CDSs estão entre elas, mais as enzimas interagissaient également directement avec l’ascorbate peroxidase et la glutationa redutase. De plus, respectivamente 23 e 35 microARN étaient associado a uma modificação da expressão dos genes BnCAT1 e BnCSD1. Os resultados da expressão génétique ont indiqué une expression élevée de BnCAT1 et BnCSD1 chez les cultivars tolérants et sensibles. Cependant, cette augmentation était plus marquée chez le cultivar tolérant. Além disso, le gène BnCSD1 avait l’expression la plus élevée em les premières heures d’exposition au froid, em particular à la 12 respectivo 23 e 35 microARN étaient associa a uma modificação da expressão dos genes BnCAT1 e BnCSD1. Os resultados da expressão génétique ont indiqué une expression élevée de BnCAT1 et BnCSD1 chez les cultivars tolérants et sensibles. Cependant, cette augmentation était plus marquée chez le cultivar tolérant. Além disso, le gène BnCSD1 avait l’expression la plus élevée em les premières heures d’exposition au froid, em particular à la 12 respectivo 23 e 35 microARN étaient associa a uma modificação da expressão dos genes BnCAT1 e BnCSD1. Os resultados da expressão génétique ont indiqué une expression élevée de BnCAT1 et BnCSD1 chez les cultivars tolérants et sensibles. Cependant, cette augmentation était plus marquée chez le cultivar tolérant. Além disso, le gène BnCSD1 avait l’expression la plus élevée em les premières heures d’exposition au froid, em particular à la 12e  h, tandis que le gène BnCAT1 a montré l’expression la plus élevée à la 48 e  h. Ce résultat peut indiquer uma relação fonctionnelle entre ces enzimas.

Palavras-chave: radicais livres / expressão gênica / microRNA / interações proteicas / string

Mots clés : radicaux libres / expressão génétique / microARN / interações proteicas / colza

© MM Taghvaei et al. , Publicado pela EDP Ciências, 2022

Este é um artigo de Acesso Aberto distribuído sob os termos da Licença Creative Commons Attribution ( https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 ), que permite uso, distribuição e reprodução irrestritos em qualquer meio, desde que o trabalho original seja devidamente citado.

Realçar

  • O padrão de expressão dos genes BnCAT1 e BnCSD1 em duas cultivares de canola sob estresse por frio (4 °C) foi investigado.
  • Foram analisadas as redes de interação proteína-proteína das enzimas CATs e CSDs e sua associação com outras enzimas antioxidantes.
  • Os microRNAs direcionados aos genes BnCAT1 e BnCSD1 foram previstos.

1. Introdução

A colza tem um lugar significativo entre as oleaginosas anuais e é considerada a oleaginosa anual mais importante nas regiões temperadas, frias e úmidas. A colza é a terceira maior fonte de óleo vegetal do mundo, depois da soja e do óleo de palma.Wanasundara et ai. , 2017 ). O crescimento e o desenvolvimento das plantas são adversamente alterados por estresses ambientais, incluindo estresses abióticos.Raza, 2020 ). Estresses abióticos (seca, inundação, salinidade, oxidação, frio, calor, metais pesados) são a principal causa do declínio global das safras. Eles são responsáveis ​​pela redução dos rendimentos de mais de 50% dos produtos agrícolas primários (Raza et ai. , 2019 ,2020a ).

O estresse pelo frio é um dos principais fatores que limitam o crescimento e a produção das culturas; portanto, aumentar a tolerância ao frio da cultura é crucial para aumentar o rendimento da cultura. Além disso, o frio causa estresse oxidativo e leva à peroxidação lipídica e degradação da clorofila. A tolerância ao estresse pelo frio está associada ao aumento da atividade antioxidante e diminuição do acúmulo de peróxido de hidrogênio.Xie et ai. , 2019 ). O estresse por frio em plantas é tipicamente classificado como resfriamento (acima de 0-15°C) e congelamento (abaixo de 0°C).Thomashow, 1999 ).

Muitas atividades celulares serão suficientemente danificadas quando uma planta for exposta a temperaturas excepcionalmente baixas. O primeiro alvo de dano de baixa temperatura está na membrana celular das plantas, transformando o estado físico da membrana da fase líquida cristalina para a fase sólida gelatinosa. Essas alterações ocorrem na membrana celular causando outras alterações na célula ou planta. A temperatura fria causa a formação de cristais de gelo intracelulares, perturbando os órgãos sensíveis da planta ( Raza, 2020). Além disso, o frio afeta o acúmulo de espécies reativas de oxigênio (ROS). À medida que a temperatura diminui, as atividades das enzimas e dos sistemas inibitórios de ROS normalmente diminuem. Portanto, a planta não consegue lidar adequadamente com a produção de ROS. A investigação de fatores influentes no dano celular mostrou que as EROs são as principais causas de danos durante estresses abióticos, levando a mudanças nos fatores envolvidos na preservação de compostos de membrana, compostos anticongelantes, antioxidantes e muitos outros processos.Hasanuzzaman et al. , 2020 ;Ele et ai. , 2021 ). A produção excessiva de espécies reativas de oxigênio sob estresse por frio pode causar sérios danos oxidativos às plantas. Mecanismos de defesa antioxidante foram desenvolvidos em plantas para reduzir os efeitos adversos das EROs nas células vegetais.Kalisz et ai. , 2016 ;Rezaie et ai. , 2020 ). O acúmulo de ROS terá impactos prejudiciais, principalmente nas membranas, e pode levar ao vazamento de íons. Além disso, baixas temperaturas causam a formação de estruturas secundárias no RNA, afetando a expressão gênica. Além disso, a temperatura de congelamento terá efeitos muito mais destrutivos (Gustavo et ai. , 2004 ). As plantas desenvolveram seu mecanismo de defesa antioxidante para manter o equilíbrio de ROS porque um aumento excessivo de ROS leva à perda de moléculas-chave de sinalização intracelular ( Xie et al. , 2019 ).

As EROs, como peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ), superóxido (O  ) e radicais hidroxila (HO 2 ), são derivados do oxigênio (O 2 ) mais reativos e considerados respostas gerais a estresses bióticos e abióticos. As EROs são produzidas naturalmente nos cloroplastos, mitocôndrias, membranas plasmáticas, apoplastos, retículo endoplasmático, peroxissomo e parede celular. Portanto, a planta deve manter seus sistemas de eliminação para lidar com esses fatores destrutivos. Vários estudos confirmaram a importância crítica do sistema de defesa antioxidante intracelular contra vários estresses.Cavallini et ai. , 2016 ; Hasanuzzaman et al. , 2020 ). O sistema de defesa antioxidante inclui componentes enzimáticos e não enzimáticos para a inibição de ROS em vários órgãos intracelulares como cloroplastos, peroxissomos, membranas plasmáticas e retículo endoplasmático.Sharma et ai. , 2012 ). Os antioxidantes enzimáticos contêm enzimas como superóxido dismutase (SOD), catalase (CAT), glutationa peroxidase (GPX), ascorbato peroxidase (APX), guaiacol peroxidase (GPOX), monohidro ascorbato redutase (MDHAR), dehidroascorbato redutase (DHAR) e glutationa S -transferases (GST). Antioxidantes não enzimáticos incluem ácido ascórbico, glutationa, carotenóides, tocoferóis, prolina, glicina e glutationa.Pandey et ai. , 2017 ).

As enzimas superóxido dismutase atuam como antioxidantes e preservam os componentes celulares contra as EROs.Alscher et ai. , 2002 ). Quando uma molécula de O 2 absorve um elétron da cadeia de transferência, ela é reduzida a O  . O superóxido é um fator disruptivo para enzimas, DNA e oxidação lipídica.Smirnof, 1993 ). A SOD catalisa a produção de O 2 e H 2 O 2 a partir do superóxido e, consequentemente, reduz seus efeitos adversos. As concentrações de SOD normalmente aumentam com níveis crescentes de estresse oxidativo. Dividir as várias formas de SOD ajuda a planta a neutralizar o estresse de forma muito mais eficaz. A catalase é uma enzima antioxidante encontrada em todos os organismos aeróbicos que catalisa a conversão eficiente de H 2 O 2 em água e oxigênio em células orgânicas expostas ao estresse ambiental. Catalase existe em todos os principais locais de produção de H 2 O 2em células vegetais (como peroxissomos, mitocôndrias, citossóis e cloroplastos). Muitas formas moleculares de isoenzimas de catalase indicam seu papel significativo no sistema vegetal. O ponto crítico desta enzima é que ela é principalmente ativa em altas concentrações de H 2 O 2 (Sharma, 2014 ). Parece que essas duas enzimas antioxidantes (CAT e SOD) cooperam para a desintoxicação de ROS ( Fig. 1 ) (Sewelam et ai. , 2016 ). Essas possíveis associações podem ser examinadas analisando as redes de interação de proteínas. As redes de interação proteína-proteína são examinadas como um indicador valioso para a compreensão adequada dos processos celulares. Fundamentalmente, as proteínas atuam como uma rede interagindo umas com as outras.Taghvaei et ai. , 2019 ). Os microRNAs são um dos elementos reguladores pós-transcricionais mais críticos. Essas sequências de 21 a 22 nucleotídeos regulam a atividade do gene complementando com seu mRNA. Em outras palavras, a ligação completa com a região alvo leva à clivagem e, no caso de ligação incompleta, impede a tradução do gene alvo (Bartel, 2004 ).

É necessário examinar as interações de proteínas e genes e outros fatores envolvidos em sistemas responsivos ao estresse para produzir plantas tolerantes ao estresse. A colza tem um genoma complicado como resultado de sua história evolutiva, tornando-se um genoma atraente para pesquisas de melhoramento de plantas.Raza et ai. , 2020b ). Estresses abióticos são os fatores mais cruciais que afetam o rendimento da colza. Portanto, é essencial investigar os mecanismos de tolerância ao frio e o papel dos genes tolerantes ao frio na colza. Na resposta da planta ao estresse por frio, o sistema de defesa antioxidante é de grande importância. Estudos valiosos e abrangentes podem ser feitos usando estudos de bioinformática, análise de rede de proteínas e investigação de microRNAs como os reguladores de genes pós-transcricionais mais importantes. Portanto, o presente estudo foi conduzido para esclarecer as relações e interações no sistema de defesa antioxidante e o comportamento alterado da expressão gênica sob estresse por frio em cultivares sensíveis e tolerantes.

Figura 1A relação entre a atividade da superóxido dismutase e a enzima catalase – SOD converte o radical superóxido em peróxido de hidrogênio, e a catalase converte o peróxido de hidrogênio em água ( Sewelam et al. , 2016 ).

2. Materiais e métodos

2.1 Investigação de interações de proteínas

No presente estudo, para investigar as interações de proteínas no sistema de defesa antioxidante da canola, suas informações e identidade genética foram obtidas usando o banco de dados UniProt. Posteriormente, foi usado no banco de dados STRING para identificar interações proteína-proteína (PPIs). Esse banco de dados contém informações de várias fontes, incluindo dados experimentais, métodos computacionais de previsão, e é atualizado continuamente. Neste banco de dados, cada interação recebe uma pontuação de 0 a 1, a pontuação mínima de interação necessária foi definida como a mais alta (0,7) (Szklarczyk et ai. , 2019 ; Taghvaei et ai. , 2019 ).

2.2 Construção da árvore filogenética

Para investigar e comparar as relações evolutivas de diferentes tipos de enzimas catalase e superóxido dismutase entre Brassica napus e Arabidopsis thaliana , as sequências existentes de Catalase 1 ( CAT1 ) e Superóxido dismutase [Cu–Zn] 1 ( CSD1 ) foram retiradas do banco de dados do NCBI . ClustalW foi usado para o alinhamento das sequências (Thompson et ai. , 1994 ). Os resultados do alinhamento foram usados ​​para construir árvores filogenéticas pelo software MEGAX (Kumar et ai. , 2018 ) usando o método Neighbor-joining (NJ) e análise Bootstrap com 1000 replicações (Gupta et ai. , 2019 ).

2.3 Previsão de microRNAs

Para identificar microRNAs direcionados aos genes BnCAT1 e BnCSD1 , foi usado o banco de dados online psRNATarget 2017 (o parâmetro de expectativa foi definido como 4). Assim, todas as sequências de microRNA de plantas identificadas (miRBase Release 22.1, outubro de 2018) foram usadas para pesquisar os genes BnCAT1 e BnCSD1 . Neste estudo, sequências de microRNAs foram dadas ao software para encontrar o direcionamento dos genes. Esta plataforma foi projetada especificamente para prever microRNAs e genes-alvo em plantas (Dai et ai. , 2018 ). Além disso, o software Cytoscape versão 3.8 foi usado para mapear a relação entre os microRNAs previstos e os genes estudados (Shannon et ai. , 2003 ).

2.4 Materiais vegetais e condições de tratamento

Duas cultivares de canola, Sarigol (sensível) e Zarfam (tolerante) foram selecionadas (Safaei et ai. , 2018 ). As sementes das cultivares foram obtidas do instituto de melhoramento de sementes e plantas (Karaj, Irã). As sementes foram esterilizadas por imersão em etanol 70% por 1 minuto e em solução de hipoclorito de sódio (5%) por 1 minuto, em seguida lavagem com água estéril deionizada (Gao et ai. , 2016 ). As sementes foram então colocadas em uma câmara de crescimento a 25°C (Laboratório de Biotecnologia da Faculdade de Agricultura da Universidade de Guilan, Irã). Em seguida, sementes germinadas sadias foram transferidas para vasos para cultivo hidropônico. Um sistema hidropônico fechado e solução nutritiva Hoagland na metade da concentração foram usados ​​para o cultivo de plantas (Epstein e Bloom, 2004 ). Duas cultivares de colza, “Zarfam” (uma cultivar tolerante ao frio) e “Sarigol” (uma cultivar sensível ao frio), foram cultivadas sob 16 horas de luz (25 °C)/8 horas de escuro (22 °C). C) fotoperíodo (fotointensidade 6000 Lx). As plantas foram expostas a 4 °C por 0, 4, 8, 12, 24 e 48 h para analisar os genes antioxidantes da colza sob estresse por frio. No caso dos controles, as plantas foram expostas a 25°C por 0, 4, 8, 12, 24 e 48 h. As folhas juvenis tratadas e não tratadas foram então colhidas em nitrogênio líquido e armazenadas a -80 ° C (Megha et ai. , 2018 ).

2.5 Extração de RNA e síntese de cDNA

A extração do RNA foi realizada com o reagente TRIzol (Invitrogen, EUA) de acordo com as instruções do fabricante. A quantidade e a qualidade do RNA extraído foram examinadas por Nanodrop® One (Thermo Fisher Scientific®) e eletroforese em gel de agarose 1%. DNase I.Rnase-free (Sinaclon, Irã) foi usado para remover a contaminação do DNA genômico. Consequentemente, o kit First Strand cDNA Synthesis (Sinaclon, Irã) foi usado para fazer cDNA. Após a síntese do cDNA, o tubo foi transferido para um freezer a -80°C.

2.6 Projeto de primers específicos

Para desenhar os iniciadores, as sequências de BnCAT1 , BnCSD1 e BnActin (como gene de referência) foram obtidas da base de dados NCBI. Os primers foram desenhados usando os softwares Oligo 7 e Primer3. Além disso, a sequência dos primers e sua temperatura de fusão foram avaliadas por análise de Oligo e finalmente verificadas quanto à especificidade em NCBI Primer-BLAST ( Tabela 1 ).tabela 1

Especificações dos primers usados ​​na reação de PCR em tempo real.

2.7 análise qRT-PCR da expressão gênica

A expressão de genes candidatos foi examinada por PCR em tempo real nas cultivares Zarfam (tolerante) e Sarigol (sensível). O qRT-PCR foi realizado usando um SYBR Green qPCR 2X (Sinaclon, Irã). As reações foram realizadas em máquina de PCR em tempo real LightCycler 96 (Roche, Basel, Suíça) com as seguintes condições de amplificação: ativação a 50°C por 2 min; 95°C durante 2 min; seguido de 40 ciclos a 95°C por 15 s e 58°C por 20 s; e 72°C por 15 s e manutenção final a 4°C. Todas as reações foram realizadas em três réplicas biológicas, cada uma com três réplicas técnicas. Os resultados de qRT-PCR foram normalizados da seguinte forma: os valores de CT da amostra foram determinados e padronizados com base na reação prime de controle do gene de actina e o 2 -ΔΔCT foi aplicado para calcular as mudanças relativas na expressão gênica de experimentos qRT-PCR (Schmittgen e Livak, 2008 ). A análise estatística foi realizada usando um desenho de parcelas subdivididas no tempo pelo software SAS, Versão [9,4].

3 Resultados e discussão

3.1 Interações proteína-proteína

Este estudo investiga as interações proteicas entre as enzimas envolvidas no sistema antioxidante da colza (especialmente catalase e superóxido dismutase). Para tanto, foi utilizada a plataforma STRING, na qual os nós representam proteínas e conexões que representam interações conhecidas ou previstas e diretas ou indiretas. A relação entre os nós foi baseada justamente nas informações presentes extraídas de bases de dados e artigos relevantes. Por padrão, essa rede especifica todas as interações de proteínas com a pontuação mínima de interação necessária de 0,4. No entanto, um coeficiente mais rigoroso (0,7) foi utilizado no presente estudo para aumentar a precisão das interações. Posteriormente, as interações entre três enzimas CAT e oito SOD mostraram 11 nós e 45 bordas ( Fig. 2), todos localizados na rede. Os resultados indicaram que esses dois grupos de antioxidantes estavam intimamente relacionados entre si. Conforme mostrado na Figura 2 , houve uma interação direta entre as enzimas CAT e CSD. Além disso, a relação entre as enzimas CAT e CSD e enzimas conhecidas do sistema antioxidante da colza foi examinada, incluindo enzimas catalase, enzimas superóxido dismutase, enzimas APX, MDHAR, DHAR, GST e glutationa redutase (GR). Como resultado, foram observados 35 nós e 192 bordas ( Fig. 3 ), e todas as proteínas foram localizadas na rede. Conforme mostrado na Figura 3, a enzima CAT1 interagiu diretamente com os grupos SOD, GR e APX1. A enzima CSD1 interagiu diretamente tanto com o grupo catalase quanto com os grupos enzimáticos GR e ascorbato peroxidase (APX6, APX2, APX1). Esses resultados indicaram a extensa e dependente relação de enzimas envolvidas no sistema de defesa antioxidante da planta.

Figura 2Rede de interação proteína-proteína das enzimas catalase e superóxido dismutase usando o banco de dados STRING, os nós coloridos representam as proteínas e as linhas coloridas representam suas interações com base nas referências do banco de dados.

Fig. 3Rede de interação proteína-proteína usando o banco de dados STRING para investigar as relações entre as enzimas catalase e superóxido dismutase com outros grupos antioxidantes de colza. Os nós coloridos representam proteínas e as linhas coloridas representam suas interações entre si com base nas referências do banco de dados.

3.2 Análise evolutiva

Arabidopsis compartilha uma ancestralidade comum recente com muitas espécies, incluindo várias culturas produtoras de óleo, a maioria das quais são espécies de Brassica.Parkin et ai. , 2005 ). A colza originou-se da hibridização interespecífica entre B. rapa e B. oleracea . Após essa colisão do genoma, B. napus sustentou uma vasta reestruturação do genoma por meio de trocas cromossômicas homeólogas, resultando em deleções e duplicações segmentares generalizadas (Lee et ai. , 2020 ). As relações evolutivas foram investigadas usando sequências conhecidas no banco de dados NCBI ( BnSODs , BnCATs , AtSODs e AtCATs ). Observou-se que os BnSODs e BnCATs mostraram uma relação filogenética com AtSODs e AtCATs em cada grupo ( Fig. 4 ). No entanto, em estudos recentes, foi realizada uma análise genômica ampla do genoma da Brassica napus . Como resultado, eles classificaram os BnCATs em quatro grupos, incluindo 14 BnCATs e BnSODsem três grupos, incluindo 31 genes BnSOD (14 BnCSDs , 11 BnFSDs e seis BnMSDs ). Além disso, eles descobriram que os BnSODs e BnCATs têm uma relação filogenética mais próxima com as Brassica oleracea ( BolCATs e BolSODs ) e Brassica rapa ( BraCATs e BraSODs ) em cada grupo. A investigação de colinearidade exibiu fortes ortólogos de genes SOD e genes CAT entre B. napus e três espécies intimamente relacionadas ( B. rapa, B. oleracea eA. thaliana ) (Raza et ai. , 2021 ;Su et ai. , 2021 ).

Fig. 4Construímos árvores filogenéticas para dois grupos de enzimas em Brassica napus (Bn) e Arabidopsis thaliana (At): (a) catalase e (b) superóxido dismutase. O alinhamento múltiplo foi realizado com o software ClustalW, e a construção da árvore foi realizada com o software MEGA X com método NJ e teste Bootstrap com 1000 repetições.

3.3 MicroRNAs visando BnCAT1 e BnCSD1

A regulação da expressão gênica nos níveis pós-transcricional e pós-traducional desempenha um papel significativo na resposta da planta ao estresse. Os microRNAs são um dos reguladores pós-transcricionais da expressão gênica, que desempenham um papel essencial na resposta a estresses abióticos. Os microRNAs exercem sua atividade regulatória clivando os mRNAs alvo ou inibindo a tradução. Em outras palavras, a presença de bases complementares entre o gene alvo e o miRNA é um fator chave no mecanismo funcional do miRNA. De acordo com estudos anteriores, a complementaridade completa de bases entre genes alvo e miRNA leva à clivagem do gene alvo. Um pareamento incompleto de bases impede a tradução do transcrito do gene alvo ( Bartel, 2004). MicroRNAs são evolutivamente conservados em espécies de plantas e geralmente pertencem a famílias evolutivas conservadas.Millar e Waterhouse, 2005 ;Moran et ai. , 2017 ). Portanto, microRNAs identificados em outras espécies vegetais podem ser utilizados para estudos preliminares e de bioinformática. O psRNATarget foi desenvolvido para identificar alvos de sRNA de plantas (1) analisando a correspondência complementar entre a sequência de sRNA e a sequência de mRNA alvo usando um esquema de pontuação predefinido e (2) avaliando a acessibilidade do local alvo ( Dai et al. , 2018 ). Portanto, microRNAs direcionados aos genes BnCAT1 e BnCSD1 foram previstos ( Tabelas 2 e 3 ). Além disso, as informações detalhadas dos miRNAs identificados são apresentadas na Tabela de Material Suplementar S1 e na Tabela S2. As relações entre microRNAs e genes alvo foram mostradas na Figura 5 . Os resultados indicaram que o gene BnCSD1 foi regulado por 35 tipos de microRNAs em plantas. A maioria deles (24) pertencia à família bem conhecida e altamente conservada de miR398, seguida pela família miR8167. No entanto, miR398 foi identificado como um regulador para este gene em colza. Dentre esses microRNAs, apenas dois deles regularam a atividade gênica por inibição da tradução. No estudo recente, 30 miRNAs de sete famílias visando 13 genes BnSODs foram bioinformaticamente identificados em B. napus . Seus resultados mostraram que a família bna-miR159 tinha como alvo BnCSD7 , BnCSD14e BnCSD10 direcionado à família bna- miR166 e BnCSD2 direcionado à família bna-miR172 e BnCSD10 direcionado à família bna- miR397 ( Su et al. , 2021 ). Em estudos anteriores, as famílias miR398 e miR8167 foram mencionadas como reguladores primários do Cu/Zn-SOD ( Gupta et al. , 2019 ). No entanto, miR398 foi identificado em vários estudos como um dos microRNAs mais eficazes no frio.Sunkar e Zhu, 2004 ;Liu et ai. , 2008 ;Cao et ai. , 2014 ;Wang et ai. , 2014 ;Sun et ai. , 2015 ; Megha et ai. , 2018 ). Além disso, o exame do gene BnCAT1 revelou que este gene foi alvo de 23 microRNAs reguladores. Pelo contrário, a diversidade de microRNAs direcionados a esse gene foi maior do que o gene BnCSD1 . No entanto, a maior abundância de microRNAs direcionados a BnCAT1 foi relacionada à família miR393. De acordo com a pesquisa anterior, o papel dessa família de microRNAs conservados na resposta ao estresse pelo frio havia sido identificado ( Sunkar e Zhu, 2004 ;Zhang et ai. , 2014 ;Koc et ai. , 2015 ;Liu et ai. , 2017 ). Além disso, no estudo recente, cinco membros da família bna-miR166 e um membro da família bna-miR393 visando três genes CAT ( BnCAT4 , BnCAT6 e BnCAT8 ) foram bioinformaticamente identificados em B. napus ( Raza et al. , 2021 ). Além disso, em outras pesquisas, observou-se alteração da expressão de miR166 em mandioca sob condições de estresse por frio e seca e em repolho chinês sob condições de estresse por calor (Li et ai. , 2017 ). Por outro lado, o papel de miR398, miR5717 e miR393 na colza, em resposta ao estresse por frio, foi comprovado pelo sequenciamento de miRNA ( Megha et al. , 2018 ).mesa 2

MicroRNAs identificados que afetam o gene CAT1 usando o software psRNATarget com o valor esperado 4.Tabela 3

MicroRNAs identificados que afetam o gene CSD1 usando o software psRNATarget com o valor esperado 4.

Fig. 5As relações entre os microRNAs que afetam os genes BnCAT1 e BnCSD1 foram mapeadas usando o software Cytoscape. A figura à direita representa o gene BnCAT1 e a figura à esquerda representa o gene BnCSD1 . A cor vermelha indica microRNAs que bloqueiam a tradução gênica, as formas de losango representam microRNAs observados em colza sob estresse por frio ( Megha et al. , 2018 ), e a cor verde indica microRNAs localizados individualmente, outros grupos com a mesma cor representam a família microRNA.

3.4 Mudanças morfológicas em plantas a 4°C

O estudo anterior sobre as cultivares Zarfam e Sarigol a -4 °C descobriu que o estresse por temperatura de congelamento tem efeitos morfológicos específicos na cultivar Sarigol. Em plântulas de Sarigol, a desidratação e murcha das plantas foram observadas nas 4-6 h após o tratamento a frio (-4 °C) e continuaram até o final da 24ª h. No entanto, em mudas de Zarfam após tratamento a frio, não foi observada diferença significativa em relação às condições normais de crescimento ( Safaei et al. , 2018). Essa mudança fenotípica poderia revelar a resistência da cultivar Zarfam e a sensibilidade da cultivar Sarigol ao estresse por frio. As observações neste estudo indicaram que a temperatura de resfriamento (4 °C) não teve um efeito fenotipicamente significativo em ambas as cultivares de colza. No entanto, foi observada leve desidratação no início do estresse na cultivar sensível (Sarigol). No entanto, esta temperatura não teve um efeito perceptível na planta fenotipicamente e não levou à morte da planta dentro de 48 h ( Fig. 6 ). No entanto, examinar a resposta no nível molecular pode revelar mais diferenças.

Fig. 6Tratamento a frio (4 °C) em duas cultivares de Brassica napus em um período de 48 h (16 h de luz e 8 h de escuridão). (a) lado esquerdo: genótipo Zarfam e (b) lado direito: genótipo Sarigol.

3.5 Os padrões de expressão do BnCSD1 e BnCAT1

Entre as enzimas antioxidantes, a SOD é a primeira linha de defesa celular contra EROs que elimina principalmente radicais superóxidos e os converte em peróxido de hidrogênio.Kim et ai. , 2010 ). Os padrões de expressão do gene BnCSD1 foram examinados sob estresse por frio a 4°C por 48 h ( Fig. 7 ). Os resultados mostraram aumento da expressão desse gene em ambas as cultivares de canola, Zarfam (tolerante) e Sarigol (sensível). O presente estudo observou que 4 h após a exposição ao estresse, devido ao estresse e ao aumento da produção de superóxido de radicais livres, o nível de expressão do gene BnCSD1 em ambas as cultivares aumentou. Após 8 h, a planta sensível não conseguiu manter a expressão de BnCSD1 . Como resultado, observou-se uma diminuição na expressão gênica, e esta quantidade permaneceu quase constante por 12 h após o estresse. Por outro lado, o BnCSD1o nível de expressão permaneceu alto na cultivar tolerante, e 12 h após a exposição ao estresse, o maior nível de expressão desse gene foi observado. A rápida reação inicial à desintoxicação de ROS é necessária para manter o ciclo de Calvin e a transpiração.Yabuta et ai. , 2002 ). Parece que ao produzir altos níveis de BnCSD1 na 12ª h de exposição ao estresse, a planta tolerante contra-atacou rapidamente com a produção de radicais superóxidos. Finalmente, devido à adaptação ao estresse da planta, o nível de expressão de BnCSD1 foi reduzido e quase estabilizado em 24 e 48 h. No entanto, ao mesmo tempo, a quantidade de BnCSD1 em Sarigol aumentou. Portanto, parece que a planta sensível ainda estava tentando lidar com condições estressantes. Como a SOD é produzida em resposta ao O radicais livres, parece que a resposta das plantas tolerantes a esse radical livre foi mais capaz, estável e rápida. Essas alterações dependem do poder inibitório do sistema antioxidante e da presença de radicais livres superóxidos nas duas cultivares. Em outras palavras, a quantidade de produção de radicais livres pode ser diferente entre as duas cultivares. A atividade da SOD foi significativamente aumentada em colza sob condições de estresse por frio ( He et al. , 2021 ). Em tomate ( Solanum lycopersicum ), a superexpressão do gene StSOD1 levou à tolerância ao estresse de 4°C (Che et ai. , 2020 ). Outro estudo sobre o perfil de expressão do gene SOD também confirmou sua expressão aumentada sob estresse por frio (Hu et ai. , 2019 ). Um maior acúmulo de SiCSD foi observado em folhas rapidamente expostas ao frio (4°C) e ao estresse hídrico, o que pode ser um mecanismo urgente para desintoxicar as EROs e proteger contra o estresse ambiental. Além disso, as mutações csd1 e csd2 resultaram em resistência e aumento do acúmulo de H 2 O 2 no arroz (Li et ai. , 2019 ).

Foi revelado que a expressão dos genes CAT e APX é induzida após tratamentos com frio, estresse oxidativo e ABA.Du et ai. , 2008 ). BnCAT1 é um jogador significativo na eliminação de H 2 O 2 produzido sob vários estresses ambientais (Xu et ai. , 2013 ). Examinando os padrões de expressão do gene BnCAT1 durante estresse por frio de 4 °C por 48 h mostrou o aumento da expressão desse gene em ambas as cultivares. Inicialmente, 4 h após a exposição ao estresse, foi observado um leve aumento no nível de expressão em ambas as cultivares. Em seguida, observou-se tendência decrescente, principalmente na cultivar tolerante. Essa tendência decrescente continuou até 12 h após a exposição ao estresse e até se aproximou de zero. Provavelmente, porque a quantidade de radicais hidrogênio no início do estresse é menor que o número de radicais superóxido, a expressão de BnCAT1 ocorre em menor grau durante este período de tempo. Na planta tolerante, 12 h após o estresse por frio, a maior quantidade de BnCSD1nível de expressão foi observado, e a menor quantidade de expressão de BnCAT1 foi observada ao mesmo tempo. No entanto, após 24 h, uma tendência crescente foi novamente observada e atingiu o valor mais alto em 48 h ( Fig. 7 ). No entanto, esta tendência ascendente na cultivar sensível começou antes da 12ª h de tratamento de estresse, e aumentou e se estabilizou às 24ª e 48ª h. Por outro lado, apesar do aumento do nível de expressão de BnCSD1 , que ocorreu principalmente nas primeiras horas, BnCAT1O nível de expressão de aumentou nas últimas horas. Esse fenômeno pode ser devido a dois possíveis motivos: primeiro, como resultado das interações protéicas reveladas, outras enzimas estão diretamente relacionadas à catalase, como a APX e a GR e, portanto, provavelmente no início do estresse, essas enzimas exercem a atividade de remoção do peróxido de hidrogênio. Por exemplo, um exame dos genes CAT3 , CAT1 e CAT2 de Saccharum spontaneum revelou que eles foram significativamente superregulados sob estresse de frio. Os genes GPX e GR foram regulados positivamente sob estresse de baixa temperatura (Selvarajan et ai. , 2018 ). Em segundo lugar, como mencionado, a catalase é ativada em altas concentrações de H 2 O 2 ; portanto, a concentração dessa substância pode ter aumentado ao longo do tempo (a atividade da SOD também produz H 2 O 2 ). Como resultado, a planta elevou o nível de expressão do gene catalase na última hora. Considerando que o substrato para a atividade da CAT é o H 2 O 2 , um subproduto da ação da SOD, suas funções devem ser acopladas para obter um efeito sinérgico na tolerância ao estresse (Xu et ai. , 2014 ). Estudos publicados também confirmaram que o estresse pelo frio aumentou a atividade da catalase e da superóxido dismutase em B. oleracea (Soengas et ai. , 2018 ;Wojciechowska et ai. , 2013 ). Outro estudo em batata-doce ( Ipomoea batatas ) indicou que a superexpressão de IbCAT2 deu tolerância ao sal e à seca em Escherichia coli e Saccharomyces cerevisiae . A resposta positiva do IbCAT2 aos estresses abióticos implicados pelo IbCAT2 pode desempenhar uma função significativa nas respostas ao estresse.Huang et ai. , 2020 ). O estresse abiótico interrompe o equilíbrio metabólico das células vegetais, resultando em uma perda do equilíbrio da produção de ROS e eliminação no citoplasma, cloroplastos e mitocôndrias nas plantas. Portanto, o processo fisiológico de concentração tóxica de ROS em plantas pode ser reduzido através do desenvolvimento de um sistema de defesa antioxidante e de eliminação de ROS complicado e eficiente.Ritonga e Chen, 2020 ).

Fig. 7Padrão de expressão de genes sob tratamento a frio a 4 °C por PCR em tempo real nas cultivares Zarfam e Sarigol. O histograma ciano representa a Zarfam (tolerante), e o histograma laranja representa as cultivares Sarigol (sensíveis). O eixo X representa o tempo após a exposição a 4°C ao frio e o eixo Y representa o nível de expressão relativa dos genes BnCAT1 e BnCSD1 . (a) Padrão de expressão de BnCSD1 . (b) Padrão de expressão de BnCAT1 . As diferentes letras maiúsculas são significativamente diferentes no nível 0,05.

4. Conclusão

Este estudo identificou e investigou as possíveis interações do sistema antioxidante e microRNAs direcionados aos genes BnCAT1 e BnCSD1 usando bancos de dados online. O efeito do estresse por frio (4°C) em 48 h na expressão desses genes foi posteriormente examinado. As interações protéicas revelaram interações extensas e próximas dentro do sistema antioxidante, e parece que esses sistemas atuam de forma interdependente em resposta a estresses. Em outras palavras, não apenas as enzimas CATs e CSDs tiveram uma relação entre si, mas também interagiram diretamente com os grupos APX e GR. Os microRNAs também são fatores críticos que afetam a expressão dos genes durante o estresse e desempenham um papel fundamental na regulação da expressão dos genes após a transcrição. Este estudo também mostrou que BnCAT1e os genes BnCSD1 são direcionados por muitos microRNAs altamente conservados em plantas. Utilizando os resultados desta pesquisa pode ser realizada uma análise completa e abrangente em pesquisas futuras investigando o comportamento de expressão desses microRNAs sob estresse por frio em uma cultivar de colza tolerante e sensível. A expressão dos genes BnCAT1 e BnCSD1 aumentou durante o estresse em plantas sensíveis e tolerantes, mas esse aumento foi mais perceptível em uma cultivar tolerante. A maior expressão do BnCSD1foi observada nas primeiras horas de exposição ao estresse, principalmente na 12ª h. Em outras palavras, o sistema de defesa da planta tolerante parece agir mais rápido e neutralizar os radicais superóxidos de forma eficiente. No entanto, o produto dessa reação é o radical peróxido de hidrogênio. Em contraste, o gene BnCAT1 responsável pela manutenção de H 2 O 2radicais tiveram o maior nível de expressão na 48ª h. Portanto, a cooperação BnCAT1 com a enzima BnCSD1 pode melhorar um sistema de defesa eficaz contra os radicais livres. No entanto, outros componentes do sistema de defesa antioxidante devem ser estudados para entender melhor esses mecanismos, como as enzimas APX e GR. Eles podem ser objeto de pesquisas posteriores; portanto, a natureza interativa dessas enzimas e os sistemas envolvidos na resposta a espécies reativas de oxigênio e estresse por frio poderiam ser melhor compreendidos com tais experimentos.

Conflito de interesses

Os autores declaram que não há conflito de interesse.

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado pela Fundação Nacional de Ciência do Irã (número de concessão: 95814286).

Referências

  • Alscher RG, Erturk N, Heath LS. 2002. Papel das superóxido dismutases (SODs) no controle do estresse oxidativo em plantas. J Exp Bot 53: 1331–1341. [Google Scholar]
  • Bartel DP. 2004. MicroRNAs: Genômica, biogênese, mecanismo e função. Célula 116: 281–297. [Google Scholar]
  • Cao X, Wu Z, Jiang F, Zhou R, Yang Z. 2014. Identificação de microRNAs de tomate responsivos ao estresse de resfriamento e seus genes-alvo por sequenciamento de alto rendimento e análise de degradoma. BMC Genom 15: 1130. [Google Scholar]
  • Cavallini G, Sgarbossa A, Parentini I, et al. 2016. Dolichol: Um componente da maquinaria antioxidante celular. Lipídios 51: 477-486. [Google Scholar]
  • Che Y, Zhang N, Zhu X, Li S, Wang S, Si H. 2020. Maior tolerância das plantas de batata transgênicas que superexpressam Cu/Zn superóxido dismutase a baixa temperatura. Sci Hortic 261: 108949. [Google Scholar]
  • Dai X, Zhuang Z, Zhao PX. 2018. psRNATarget: Um servidor de análise de alvo de RNA pequeno de planta (versão 2017). Nucl Ácidos Res 46: W49–W54. [Google Scholar]
  • Du YY, Wang PC, Chen J, Song CP. 2008. Análise funcional abrangente da família de genes catalase em Arabidopsis thaliana . J Integral Plant Biol 50: 1318–1326. [Google Scholar]
  • Epstein E, Bloom AJ. 2004. Nutrição mineral de plantas: Princípios e perspectivas. Sinauer. [Google Scholar]
  • Gao F, Wang N, Li H, et ai. 2016. Identificação de microRNAs responsivos à seca e seus alvos em Ammopiptanthus mongolicus usando sequenciamento de alto rendimento. Sci Rep 6: 1–16. [Google Scholar]
  • Gupta S, Dong Y, Dijkwel PP, Mueller-Roeber B, Gechev TS. 2019. A análise do genoma de genes antioxidantes de ROS em espécies de ressurreição sugere um envolvimento de sistemas distintos de desintoxicação de ROS durante a dessecação. Int J Mol Sci 20: 3101. [Google Scholar]
  • Gusta L, Wisniewski M, Nesbitt N, Gusta M. 2004. O efeito da água, açúcares e proteínas no padrão de nucleação e propagação de gelo em folhas de canola aclimatadas e não aclimatadas. Plant Physiol 135: 1642-1653. [Google Scholar]
  • Hasanuzzaman M, Bhuyan M, Zulfiqar F, et al. 2020. Espécies reativas de oxigênio e defesa antioxidante em plantas sob estresse abiótico: revisitando o papel crucial de um regulador de defesa universal. Antioxidantes 9. [Google Scholar]
  • He H, Lei Y, Yi Z, et al. 2021. Study on the mechanism of exogenous serotonin improving cold tolerance of rapeseed (Brassica napus L.) seedlings. Plant Growth Regul 94: 161–170. [Google Scholar]
  • Hu X, Hao C, Cheng Z-M, Zhong Y. 2019. Genome-wide identification, characterization, and expression analysis of the grapevine superoxide dismutase (SOD) family. Int J Genom 2019. [Google Scholar]
  • Huang S, Zhou J, Gao L, Tang Y. 2020. Plant miR397 and its functions. Funct Plant Biol 48: 361–370. [Google Scholar]
  • Kalisz A, Pokluda R, Jezdinský A, et al. 2016. Chilling-induced changes in the antioxidant status of basil plants. Acta Physiol Plantarum 38: 196. [Google Scholar]
  • Kim MD, Kim YH, Kwon SY, Yun DJ, Kwak SS, Lee HS. 2010. Enhanced tolerance to methyl viologen-induced oxidative stress and high temperature in transgenic potato plants overexpressing the CuZnSOD, APX and NDPK2 genes. Physiologia Plant 140: 153–162. [Google Scholar]
  • Koc I, Filiz E, Tombuloglu H. 2015. Assessment of miRNA expression profile and differential expression pattern of target genes in cold-tolerant and cold-sensitive tomato cultivars. Biotechnol Biotechnol Equip 29: 851–860. [Google Scholar]
  • Kumar S, Stecher G, Li M, Knyaz C, Tamura K. 2018. MEGA X: Molecular evolutionary genetics analysis across computing platforms. Mol Biol Evolut 35: 1547–1549. [Google Scholar]
  • Lee H, Chawla HS, Obermeier C, Dreyer F, Abbadi A, Snowdon R. 2020. Chromosome-scale assembly of winter oilseed rape Brassica napusFront Plant Sci 11: 496. [Google Scholar]
  • Li S, Yu X, Lei N, et al. 2017. Genome-wide identification and functional prediction of cold and/or drought-responsive lncRNAs in cassava. Sci Rep 7: 45981. [Google Scholar]
  • Li Y, Cao XL, Zhu Y, et al. 2019. Osa-miR398b boosts H2O2 production and rice blast disease-resistance via multiple superoxide dismutases. New Phytol 222: 1507–1522. [Google Scholar]
  • Liu H-H, Tian X, Li Y-J, Wu C-A, Zheng C-C. 2008. Microarray-based analysis of stress-regulated microRNAs in Arabidopsis thalianaRna 14: 836–843. [Google Scholar]
  • Liu Y, Wang K, Li D, Yan J, Zhang W. 2017. Enhanced cold tolerance and tillering in switchgrass (Panicum virgatum L.) by heterologous expression of Osa-miR393a. Plant Cell Physiol 58: 2226–2240. [Google Scholar]
  • Megha S, Basu U, Joshi RK, Kav NN. 2018. Physiological studies and genome-wide microRNA profiling of cold-stressed Brassica napusPlant Physiol Biochem 132: 1–17. [Google Scholar]
  • Millar AA, Waterhouse PM. 2005. Plant and animal microRNAs: Similarities and differences. Funct Integr Genom 5: 129–135. [Google Scholar]
  • Moran Y, Agron M, Praher D, Technau U. 2017. The evolutionary origin of plant and animal microRNAs. Nat Ecol Evolut 1: 0027. [Google Scholar]
  • Pandey S, Fartyal D, Agarwal A, et al. 2017. Abiotic stress tolerance in plants: Myriad roles of ascorbate peroxidase. Front Plant Sci 8: 581. [Google Scholar]
  • Parkin IA, Gulden SM, Sharpe AG, et al. 2005. Segmental structure of the Brassica napus genome based on comparative analysis with Arabidopsis thalianaGenetics 171: 765–781. [Google Scholar]
  • Raza A. 2020. Eco-physiological and biochemical responses of rapeseed (Brassica napus L.) to abiotic stresses: consequences and mitigation strategies. J Plant Growth Regul: 1–21. [Google Scholar]
  • Raza A, Razzaq A, Mehmood SS, et al. 2019. Impact of climate change on crops adaptation and strategies to tackle its outcome: A review. Plants 8: 34. [Google Scholar]
  • Raza A, Ashraf F, Zou X, Zhang X, Tosif H. 2020a. Plant adaptation and tolerance to environmental stresses: Mechanisms and perspectives. In. Plant ecophysiology and adaptation under climate change: mechanisms and perspectives I. Springer, pp. 117–145. [Google Scholar]
  • Raza A, Hafeez MB, Zahra N, et al. 2020b. The plant family Brassicaceae: Introduction, biology, and importance. In: The plant family Brassicaceae. Springer, pp. 1–43. [Google Scholar]
  • Raza A, Su W, Gao A, et al. 2021. Catalase (CAT) gene family in rapeseed (Brassica napus L.): Genome-wide analysis, identification, and expression pattern in response to multiple hormones and abiotic stress conditions. Int J Mol Sci 22: 4281. [Google Scholar]
  • Rezaie R, Mandoulakani BA, Fattahi M. 2020. Cold stress changes antioxidant defense system, phenylpropanoid contents and expression of genes involved in their biosynthesis in Ocimum basilicum L. Sci Rep 10: 1–10. [Google Scholar]
  • Ritonga FN, Chen S. 2020. Physiological and molecular mechanism involved in cold stress tolerance in plants. Plants 9: 560. [Google Scholar]
  • Safaei M, Lahiji HS, Kumleh HH. 2018. The effect of cold stress on the expression of several genes associated with cold signal transduction system pathway in cultivars of canola (Brassica napus). Ind J Forensic Med Toxicol 12. [Google Scholar]
  • Schmittgen TD, Livak KJ. 2008. Analyzing real-time PCR data by the comparative C T method. Nat Protoc 3: 1101. [Google Scholar]
  • Selvarajan D, Mohan C, Dhandapani V, et al. 2018. Differential gene expression profiling through transcriptome approach of Saccharum spontaneum L. under low temperature stress reveals genes potentially involved in cold acclimation. 3 Biotech 8: 195. [Google Scholar]
  • Sewelam N, Kazan K, Schenk PM. 2016. Global plant stress signaling: Reactive oxygen species at the cross-road. Front Plant Sci 7: 187. [Google Scholar]
  • Shannon P, Markiel A, Ozier O, et al. 2003. Cytoscape: A software environment for integrated models of biomolecular interaction networks. Genom Res 13: 2498–2504. [Google Scholar]
  • Sharma I. 2014. Catalase: A versatile antioxidant in plants. In: Ahmad P, ed. Oxidative damage to plants. Academic Press, pp. 131–148. [Google Scholar]
  • Sharma P, Jha AB, Dubey RS, Pessarakli M. 2012. Reactive oxygen species, oxidative damage, and antioxidative defense mechanism in plants under stressful conditions. J Bot 2012. [Google Scholar]
  • Smirnof N. 1993. The role of active oxygen in the response of plants to water deficit and desiccation. New Phytol 125: 27–58. [Google Scholar]
  • Soengas P, Rodríguez VM, Velasco P, Cartea ME. 2018. Effect of temperature stress on antioxidant defenses in Brassica oleraceaACS Omega 3: 5237–5243. [Google Scholar]
  • Su W, Raza A, Gao A, et al. 2021. Genome-wide analysis and expression profile of superoxide dismutase (SOD) gene family in rapeseed (Brassica napus L.) under different hormones and abiotic stress conditions. Antioxidants 10: 1182. [Google Scholar]
  • Sun X, Fan G, Su L, et al. 2015. Identification of cold-inducible microRNAs in grapevine. Front Plant Sci 6: 595. [Google Scholar]
  • Sunkar R, Zhu J-K. 2004. Novel and stress-regulated microRNAs and other small RNAs from Arabidopsis. The Plant Cell 16: 2001–2019. [Google Scholar]
  • Szklarczyk D, Gable AL, Lyon D, et al. 2019. STRING v11: Protein–protein association networks with increased coverage, supporting functional discovery in genome-wide experimental datasets. Nucl Acids Res 47: D607–D613. [Google Scholar]
  • Taghvaei MM, Samizadeh Lahiji H, Bakhtiarizadeh MR, Mohsenzadeh Golafazani M. 2019. Bioinformatics analysis of microRNAs related to cold stress and their effects on proteins associated with fatty acids metabolism in rapeseed (Brassica napus L.). J Crop Biotechnol 9: 41–58. [Google Scholar]
  • Thomashow MF. 1999. Plant cold acclimation: Freezing tolerance genes and regulatory mechanisms. Ann Rev Plant Biol 50: 571–599. [Google Scholar]
  • Thompson JD, Higgins DG, Gibson TJ. 1994. CLUSTAL W: Improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, position-specific gap penalties and weight matrix choice. Nucl Acids Res 22: 4673–4680. [Google Scholar]
  • Wanasundara J, Tan S, Alashi A, Pudel F, Blanchard C. 2017. Proteins from canola/rapeseed: Current status. Sustainable protein sources. Academic Press, pp. 285–304. [Google Scholar]
  • Wang B, Sun Y-F, Song N, et al. 2014. MicroRNAs involving in cold, wounding and salt stresses in Triticum aestivum L. Plant Physiol Biochem 80: 90–96. [Google Scholar]
  • Wojciechowska R, Hanus-Fajerska EJ, Kolton A, Kaminska I, Grabowska A, Kunicki E. 2013. The effect of seedling chilling on glutathione content, catalase and peroxidase activity in Brassica oleracea L. var. italica. Acta Soc Bot Pol 82. [Google Scholar]
  • Xie X, He Z, Chen N, Tang Z, Wang Q, Cai Y. 2019. The roles of environmental factors in regulation of oxidative stress in plant. BioMed Res Int 2019. [Google Scholar]
  • Xu J, Duan X, Yang J, Beeching JR, Zhang P. 2013. Coupled expression of Cu/Zn-superoxide dismutase and catalase in cassava improves tolerance against cold and drought stresses. Plant Signal Behav 8: e24525. [Google Scholar]
  • Xu J, Yang J, Duan X, Jiang Y, Zhang P. 2014. Increased expression of native cytosolic Cu/Zn superoxide dismutase and ascorbate peroxidase improves tolerance to oxidative and chilling stresses in cassava (Manihot esculenta Crantz). BMC Plant Biol 14: 1–14. [Google Scholar]
  • Yabuta Y, Motoki T, Yoshimura K, Takeda T, Ishikawa T, Shigeoka S. 2002. Thylakoid membrane-bound ascorbate peroxidase is a limiting factor of antioxidative systems under photo-oxidative stress. Plant J 32: 915–925. [Google Scholar]
  • Zhang Y, Zhu X, Chen X, et al. 2014. Identification and characterization of cold-responsive microRNAs in tea plant (Camellia sinensis) and their targets using high-throughput sequencing and degradome analysis. BMC Plant Biol 14: 271. [Google Scholar]

Cite this article as: Taghvaei MM, Samizadeh Lahiji H, Mohsenzadeh Golfazani M. 2022. Evaluation of expression changes, proteins interaction network, and microRNAs targeting catalase and superoxide dismutase genes under cold stress in rapeseed (Brassica napus L.). OCL 29: 3.

Supplementary Material

Table S1. Identified microRNAs affecting CAT1 gene using psRNATarget software with the expected value 4.

Table S2. Identified microRNAs affecting CSD1 gene using psRNATarget software with the expected value 4.(Access here)

All Tables

Table 1

Specifications of primers used in real-time PCR reaction.In the textTable 2

Identified microRNAs affecting CAT1 gene using psRNATarget software with the expected value 4.In the textTable 3

Identified microRNAs affecting CSD1 gene using psRNATarget software with the expected value 4.In the text

All Figures

Fig. 1The relationship between superoxide dismutase activity and catalase – SOD enzyme converts the superoxide radical to hydrogen peroxide, and catalase converts hydrogen peroxide to water (Sewelam et al., 2016).
In the text
Fig. 2Protein-protein interaction network of catalase and superoxide dismutase enzymes using the STRING database, colored nodes represent proteins, and colored lines represent their interactions based on the references the database.
In the text
Fig. 3Protein-protein interaction network using the STRING database to investigate the relationships between catalase and superoxide dismutase enzymes with other rapeseed’s antioxidant groups. Colored nodes represent proteins, and colored lines represent their interactions with each other based on the references in the database.
In the text
Fig. 4Constructed phylogenetic trees for two groups of enzymes in Brassica napus (Bn) and Arabidopsis thaliana (At): (a) catalase and (b) superoxide dismutase. Multiple alignment was performed using ClustalW software, and tree construction was performed using MEGA X software with NJ method and Bootstrap test with 1000 replications.
In the text
Fig. 5Relationships between microRNAs affecting BnCAT1 and BnCSD1 genes were mapped using Cytoscape software. The figure on the right represents the BnCAT1 gene, and the left figure represents the BnCSD1 gene. The red color indicates microRNAs that block gene translation, the rhombus shapes represent microRNAs observed in rapeseed under cold stress (Megha et al., 2018), and the green color indicates Individually located microRNAs, other groups with the same color represent the microRNA family.
In the text
Fig. 6Tratamento a frio (4 °C) em duas cultivares de Brassica napus em um período de 48 h (16 h de luz e 8 h de escuridão). (a) lado esquerdo: genótipo Zarfam e (b) lado direito: genótipo Sarigol.
No texto
Fig. 7Padrão de expressão de genes sob tratamento a frio a 4 °C por PCR em tempo real nas cultivares Zarfam e Sarigol. O histograma ciano representa a Zarfam (tolerante), e o histograma laranja representa as cultivares Sarigol (sensíveis). O eixo X representa o tempo após a exposição a 4°C ao frio e o eixo Y representa o nível de expressão relativa dos genes BnCAT1 e BnCSD1 . (a) Padrão de expressão de BnCSD1 . (b) Padrão de expressão de BnCAT1 . As diferentes letras maiúsculas são significativamente diferentes no nível 0,05.
No texto

Índice

Artigo

Métricas

Serviços

Artigos relacionados

Efeito do sal na homeostase de EROs, peroxidação lipídica e mecanismos antioxidantes em células em suspensão de Pinus pinaster
Ann. Por. Sci. 66, 1-9 (2009)
Impacto da seca e do estágio de desenvolvimento foliar no sistema antioxidante enzimático de dois clones de Populus deltoides × nigra
Ann. Por. Sci. 63, 323-327 (2006)
Estudo dos efeitos biológicos e respostas relacionadas ao estresse oxidativo em plantas de Arabidopsis thaliana irradiadas com raios gama
Radioprotection, vol. 46, nº 6 (2011) S401-S407
Mais

Favoritos

OCL – Oleaginosas e gorduras, Culturas e Lipídios

Editor-chefe: Philippe GUESNET – Conselho Editorial
ISSN: 2272-6977 – eISSN: 2257-6614

Um site Vision4Press