افزایش بازده انقلاب سبز پایدار از طریق تعدیل کروماتین پاسخگو به نیتروژن در برنج

مقدمه

انقلاب سبز دهه ۱۹۶۰ تولید غلات را تا حدی از طریق پذیرش گسترده گونه‌های گیاهی نیمه پاکوتاه افزایش داد.​ شبه کوتولگی مفید به ترتیب در گونه‌های انقلاب سبز گندم و برنج توسط آلل های جهش‌یافته با کاهش ارتفاع - ۱ (‏Rht-1)‏و نیمه پاکوتاه (‏sd1) ‏اعطا می‌شود. این آلل ها باعث تجمع پروتئین‌های DELLA سرکوب‌کننده رشد می‌شوند، که اشکال نرمال آن با حضور موتیف اسید آمینه AspGlu - Leu - Leu - Ala مشخص می‌شوند. ​ گیاهان نیمه پاکوتاه اولیه در برابر خوابیدگی مقاومت کردند اما برای به حداکثر رساندن عملکرد به ورودی‌های بالای کود نیتروژن نیاز داشتند. به طور معمول، ژیبرلین رشد را با تحریک تخریب DELLA همان طور که توسط گیرنده ژیبرلین جی‌آی‌دی۱ ( GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 )، پروتیین جعبه اف جی‌آی‌دی ۲ ( GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF2 )، و کمپلکس SCF حاوی یوبی کوییتین ( Skp , Cullin , F - box containing ) ‏تنظیم شده‌است، افزایش می‌دهد. ​ باروری نیتروژن باعث افزایش در عملکرد دانه با ادغام سه جز (‏تعداد پنجه، تعداد دانه و وزن دانه)‏ تعیین می‌شود اما کاربرد خارجی جیبرلین تعداد پنجه در برنج را کاهش می‌دهد. در اینجا، ما پرسیدیم که چگونه کود نیتروژن بر علامت‌دهی ژیبرلین تاثیر می‌گذارد که پنجه زنی برنج را تنظیم می‌کند. باروری نیتروژن، محصول را افزایش می‌دهد اما استفاده بیش از حد در کشاورزی، محیط‌زیست را تخریب می‌کند. آینده کشاورزی پایدار نیازمند بهبود بهره‌وری مصرف نیتروژن است.​ ​

ریشه

افزایش پنجه زنی، کود نیتروژن و کاشت با تراکم بالا همه به عملکرد بالای انواع برنج انقلاب سبز کمک می‌کنند. افزایش تعداد پنجه با وجود کاهش کود نیتروژن می‌تواند به حفظ عملکرد و در عین حال کاهش اثرات زیست‌محیطی کشاورزی کمک کند. برای بررسی اثر ژیبرلین بر پنجه زنی برنج ارتقا یافته با نیتروژن، ما از غربالگری ژنتیکی برای شناسایی جهش در ژن ngr۵ (‏واکنش رشد پنجه به واسطه نیتروژن) ‏استفاده کردیم. گیاهان حامل جهش ngr۵ پنجه‌های کمتری را نشان دادند؛ تعداد پنجه نسبت به عرضه نیتروژن حساس نبود. مطالعات ژنتیکی و بیوشیمیایی بیشتر مکانیزم‌های زیربنایی تعامل بین نیتروژن و اثرات واسطه جیبرلین بر تعداد پنجه را تعریف کرد. ​

نتایج

ما دریافتیم که افزایش منبع نیتروژن، تکثیر و فراوانی فاکتور رونویسی دامنه APETALA2 برنج را افزایش می‌دهد که توسط یک آلل NGR5 ( NITROGENMEDIATED TILLER GROWTH RESPONSE 5 ) کد شده‌است. NGR5 با یک جز از کمپلکس سرکوب‌کننده پلی کمب ۲ (‏PRC۲) ‏تعامل می‌کند و الگوی تریمتیلاسیون لیزین اسید فسفریک با عرض ژنوم ۲۷ (‏H۳K۲۷me۳)‏ را در صورت وجود نیتروژن تغییر می‌دهد . میزان این تغییر در گیاهان ngr5 یا با تیمار ژیبرلین کاهش یافت. آنالیز واکنش زنجیره‌ای پلیمراز RNA و ایمونورسوب کروماتین (‏ChIP) ‏نشان داد که افزایش در منبع نیتروژن، فراوانی mRNA ها را که با علامت‌دهی استریگولاکتون مشخص شده‌بود، کاهش داد. ​

آنالیز واکنش زنجیره‌ای پلیمراز RNA و ایمونورسوب کروماتین (‏ChIP)‏نشان داد که افزایش در منبع نیتروژن، فراوانی mRNA های مشخص‌شده توسط سیگنال دهی استیریگولاکتون و دیگر ژن‌های مهار شاخه [‏ مانند Dwarf14 (‏D۱۴) ‏و پروتئین اتصال دهنده شبه ۱۴ (‏OsSPL14)‏]‏ را به شیوه‌ای وابسته به دوز کاهش داد. ​

عدم وجود عملکرد D۱۴ یا OsSPL۱۴ از طریق تنظیم پنجه زنی برنج از ‏Ngr۵ ‏منبعث شد. سپس متوجه شدیم که افزایش غیر مستقیم تعداد پنجه ناشی از نیتروژن، نمونه انواع برنج انقلاب سبز، در گیاهانی با جهش ngr۵ لغو شد. ​

این مشاهدات نشان می‌دهد که بکارگیری NGR۵ محور PRC۲، اصلاح H۳K۲۷me۳ سرکوب‌کننده ژن مهار شاخه هدف را ترویج می‌دهد در نتیجه باعث افزایش تعداد پنجه می‌شود. از سوی دیگر، افزایش وابستگی به نیتروژن NGR۵ در تعداد پنجه در انواع مختلف برنج انقلاب سبز افزایش می‌یابد و این اثر توسط تیمار جیبرلین مهار می‌شود. اگرچه فراوانی NGR۵ به طور منفی با مقدار جیبرلین در ارتباط است اما ژیبرلین موجب بی‌ثباتی NGR۵ می‌شود نه به تخریب DELLA القا شده توسط ژیبرلین وابسته است و نه به پایین‌دست آن. علاوه بر این NGR۵ با گیرنده ژیبرلین GID۱ و پروتئین‌های DELLA تعامل دارد. این نشان می‌دهد که ژیبرلین تخریب پروتسوزومی NGR۵ را به خاطر ژیبرلین تخریب DELLAs نیست بلکه به خاطر فعل و انفعال تقویت‌کننده - جیبرلین NGR۵ - GID۱ است که منجر به توزیع پلی یوبی NGR۵ و تخریب متعاقب در پروتسوزوم می‌شود. تجمع پروتیین‌های DELLA بصورت رقابتی تعامل GID۱ - NGR۵ را مهار کرده در نتیجه تثبیت NGR۵ با کاهش تخریب واسطه جیبرلین - GID۱ آن می‌شود. ​

نتیجه‌گیری

ما نتیجه می‌گیریم که لقاح نیتروژن برنامه‌ریزی مجدد ژنوم متیلاسیون H۳K۲۷me۳ را از طریق بکارگیری PRC۲ وابسته به NGR۵ تغییر می‌دهد. در برنج، متیلاسیون ژن‌هایی که مانع پنجه زنی می‌شوند را سرکوب می‌کند و در نتیجه تعداد پنجه را افزایش می‌دهد. NGR۵ هدف ژیبرلین - GID۱ ترویج تخریب پروتاسومال است. مدولاسیون تعاملات رقابتی بین NGR۵، پروتئین‌های DELLA، و GID۱ با وجود کاهش ورودی‌های کود نیتروژن، افزایش عملکرد دانه در ارقام ممتاز برنج را ممکن می‌سازد. چنین تغییراتی در بازده و استفاده از نهاده‌ها می‌تواند پایداری کشاورزی و امنیت غذایی را ارتقا دهد. ​

این متن ترجمه‌ای نیمه‌خودکار (همراه با پس‌ویرایش انسانی) از خلاصه مقاله Enhanced sustainable green revolution yield via nitrogen-responsive chromatin modulation in rice چاپ‌شده در مجله Science به تاریخ ۷ فوریه ۲۰۲۰ است.

با توجه به وجود فرمول‌های فراوان در متن که موجب تضعیف کیفیت ترجمه‌ماشینی می‌شود می‌توانید ترجمه این مقاله و مقالات مشابه را با هزینه‌ای بسیار پایین به سیستم ترجمه نسل جدید (ترنج) سفارش دهید.