تحلیل زمانی بیان ژن در دو رقم گندم مقاوم به بلایت فوزاریومی خوشه و شناسایی ژن‌های کانونی با استفاده از داده‌های ریزآرایه و RNA-Seq

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 گروه گیاه‌پزشکی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران.

2 بخش اگرواکولوژی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی داراب، دانشگاه شیراز

3 بخش تحقیقات گیاه‌پزشکی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان فارس، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، داراب، ایران.

چکیده

بیماری بلایت فوزاریومی خوشه،‌ ناشی از گونه مرکب Fusarium graminearum، یکی از مخرب‌ترین بیماری‌های گندم در مناطق گرم و مرطوب است که هم‌زمانی دوره گلدهی با بارندگی‌های شدید، شدت خسارت آن را تشدید می‌کند. این مطالعه با هدف تحلیل سیستماتیک داده‌های ریزآرایه زمانی جهت شناسایی ژن‌های کانونی کلیدی، خوشه‌های هم‌بیان، و درک سازوکارهای مولکولی پاسخ گندم به این بیماری انجام شد. داده‌های ریزآرایه بیان ژن دو رقم گندم مقاوم، نیوبای (Nyubai) و ووهان 1 (Wuhan 1)، از پایگاه داده بیان ژن GEO (Gene Expression Omnibus) استخراج و پس از نرمال‌سازی اثر دسته‌ای (Batch effect) آن‌ها با استفاده از الگوریتم ComBat حذف گردید. سپس با بهره‌گیری از تحلیل شبکه همبستگی ژنی (Gene Correlation Network Analysis)، 850 ژن با برهم‌کنش معنی‌دار شرایط مایه‌زنی × زمان (FDR < 0.05) شناسایی و بر اساس الگوهای بیان در شرایط تنش توسط الگوریتم k-means در دو خوشه متمایز ۴۴۸ و ۴۰۲ ژنی گروه‌بندی شدند. در نهایت، 10 ژن کانونی با بیشترین درجه اتصال برای هر خوشه تعیین شد. آنالیز غنی‌سازی نشان داد خوشه یک با فعال‌سازی مسیرهای انتقال‌دهنده‌های ABC، متابولیسم گلوتاتیون و پیام‌رسانی MAPK نقش کلیدی در دفاع مستقیم از طریق ژن‌های کیتیناز، گلوکاناز و مهارکننده‌های پروتئاز ایفا می‌کند. در مقابل خوشه دو با مشارکت در مسیرهای پیام‌رسانی هورمونی و سیستمیک از طریق ژن‌های کیناز و گلوکوزیداز پاسخ دفاعی ثانویه را واسطه‌گری می‌نماید. اعتبارسنجی با داده‌های RNA-Seq مستقل نیز صحت نتایج را تأیید کرد. یافته‌های این پژوهش مبنای ارزشمندی برای مطالعات عملکردی آینده و توسعه نشانگرهای مولکولی مقاومتی فراهم می‌کند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Time-course gene expression analysis in two wheat cultivars resistant to Fusarium head blight and identification of hub genes using microarray and RNA-Seq data

نویسندگان [English]

  • Zahra Amjadi 1
  • Habiballah Hamzehzarghani 1
  • Zahra Zinati 2
  • Farideh Farahbakhsh 3
1 Plant Protection Department, College of Agriculture, Shiraz University, Shiraz, Iran.
2 Department of Agroecology, College of Agriculture and Natural Resources of Darab, Shiraz University, Shiraz,, Iran
3 Plant Protection Research Department, Fars Agricultural and Natural Resources and Education Center, Agricultural Research, Education, and Extension Organization (AREEO), Darab, Iran.
چکیده [English]

Fusarium head blight (FHB), caused by Fusarium graminearum species complex (FGSC), is one of the most destructive diseases of wheat in warm and humid regions, particularly when anthesis coincides with heavy rainfall. This study aimed to systematically analyze time-series microarray data to identify co-expression modules, key hub genes, and elucidate the molecular mechanisms underlying wheat's response to FGSC. Gene expression data from two FHB-resistant wheat cultivars, Nyubai and Wuhan 1, were retrieved from the Gene Expression Omnibus (GEO) database. After normalization, batch effects were removed using the ComBat algorithm. Through Gene Correlation Network Analysis (GCNA), 850 genes with significant condition × time interaction (FDR < 0.05) were identified and clustered into two distinct modules containing 448 and 402 genes, respectively, based on stress expression patterns using the k-means algorithm. For each cluster, ten hub genes with the highest connectivity were selected. Cluster 1, characterized by activation of ABC transporters, glutathione metabolism, and MAPK signaling pathways, plays a crucial role in direct defense through chitinase, glucanase, and protease inhibitor genes. Cluster 2 mediates secondary defense responses via kinase and glucosidase genes through involvement in hormonal and systemic signaling pathways. Validation using an independent RNA-Seq dataset confirmed the reliability of these results. These results provide valuable insights into wheat defense mechanisms against FHB and offer candidate genes for future functional studies and resistance marker development.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Microarray
  • Clustering
  • Defense mechanism
  • Wheat
  • Fusarium graminearum
بیماریهای گیاهی

مقالات آماده انتشار، اصلاح شده برای چاپ
انتشار آنلاین از تاریخ 28 بهمن 1404

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار