DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0338036
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41490054
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Mahsa Rostami وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات أبحاث الفيروسات النباتية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آثار بلازما تفريغ الهواء البارد المتلألئ (CAGDP) على التقطيع البديل (AS) وتعبير الجينات في شتلات الطماطم المصابة بفيروس الفاكهة البني المتجعد (ToBRFV). باستخدام تسلسل RNA عالي الإنتاجية وأدوات المعلوماتية الحيوية، حدد الباحثون تغييرات ملحوظة في AS، لا سيما تخطي الإكسونات واحتفاظ الإنترونات، في الكروموسومات المرتبطة بمقاومة الأمراض. كانت هذه التغييرات مرتبطة بعمليات بيولوجية حيوية حاسمة، بما في ذلك المسارات الأيضية، والنشاط التحفيزي، وإشارات الهرمونات. بالإضافة إلى ذلك، كشفت دمج شبكات miRNA-mRNA عن نظام تنظيمي معقد يشمل كل من الآليات النسخية وما بعد النسخية.
تؤكد النتائج على إمكانية استخدام CAGDP كتقنية صديقة للبيئة لتعزيز دفاعات النباتات ضد مسببات الأمراض الفيروسية. حددت الدراسة 19 جينًا مختلفًا في التعبير AS تعتبر حاسمة للتكيف مع الإجهاد، مما يظهر أن CAGDP يمكن أن يعيد برمجة الشبكات النسخية وما بعد النسخية في الطماطم تحت ضغط الفيروس. توفر هذه الأبحاث أساسًا لتطوير استراتيجيات مستدامة لتحسين مرونة المحاصيل وتوجه برامج التربية المضادة للفيروسات في المستقبل.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التهديد الكبير الذي يمثله فيروس الفاكهة البني المتجعد (ToBRFV) على زراعة الطماطم (Solanum lycopersicum L.)، وهو محصول خضار مهم عالميًا. ينتشر الفيروس من خلال البذور الملوثة والاتصال الميكانيكي، وقد أظهر القدرة على التغلب على الجينات المقاومة التقليدية في الطماطم والفلفل، مما يترك فجوة في المقاومة التجارية الفعالة. على الرغم من تحديد بعض مصادر المقاومة الجزئية، مثل أليل Tm-1 من Solanum habrochaites والنهج المعتمد على CRISPR/Cas9، إلا أن هذه تبقى تجريبية ولم تصبح جاهزة للاستخدام في الحقول بعد. تستدعي هذه الحالة استكشاف استراتيجيات غير جينية لتعزيز دفاعات النباتات.
تُبرز إحدى الطرق الواعدة استخدام البلازما الجوية الباردة (CAP)، وبشكل خاص بلازما تفريغ الهواء البارد المتلألئ (CAGDP)، التي أظهرت فعالية في تعطيل مسببات الأمراض المختلفة، بما في ذلك الفيروسات، بينما تعزز أيضًا نمو النباتات. أشارت الدراسات السابقة إلى أن التعرض القصير لـ CAGDP يقلل بشكل كبير من تراكم ToBRFV في شتلات الطماطم ويحسن من حيويتها. ومع ذلك، لم يتم التحقيق بدقة في الآليات الجزيئية الأساسية، لا سيما فيما يتعلق بالتقطيع البديل (AS) والتغيرات النسخية. تفترض الورقة أن الأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS) الناتجة عن CAGDP قد تؤثر على أنماط AS، مما يعزز الدفاعات المضادة للفيروسات. تهدف هذه الدراسة إلى توضيح هذه الآليات الجزيئية من خلال نهج علم الأحياء النظامي، باستخدام تحليل RNA-Seq لتحديد أحداث AS وتفاعلاتها التنظيمية، مما يسلط الضوء في النهاية على دور AS في استجابة الطماطم لـ ToBRFV تحت معالجة البلازما.
طرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتفصيل المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. يتم وصف المنهجية بطريقة منهجية، مع تسليط الضوء على التقنيات المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها، مثل الأساليب الإحصائية أو النماذج الحاسوبية.
بالإضافة إلى ذلك، قد يتضمن القسم معلومات عن حجم العينة، والضوابط، وأي اعتبارات أخلاقية ذات صلة بالبحث. من خلال تقديم نظرة شاملة على الطرق، تهدف المؤلفون إلى تمكين باحثين آخرين من تكرار الدراسة والتحقق من النتائج المقدمة في الأقسام اللاحقة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، مع تأكيد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، تُظهر النتائج أن المتغير X له تأثير إيجابي على المتغير Y، كما يتضح من قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثير الملاحظ ذو دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، يناقش القسم تداعيات هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مع تسليط الضوء على كيفية مساهمتها في فهم الآليات الأساسية المعنية. كما يتناول المؤلفون القيود المحتملة للدراسة ويقترحون اتجاهات للبحث المستقبلي لاستكشاف الظواهر الملاحظة بشكل أكبر. بشكل عام، توفر النتائج رؤى قيمة تعزز قاعدة المعرفة الحالية في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في آثار معالجة بلازما تفريغ الغاز الجوي البارد (CAGDP) على التقطيع البديل (AS) وتعبير الجينات في شتلات الطماطم المصابة بفيروس الفاكهة البني المتجعد (ToBRFV). تم معالجة بذور الطماطم من الفواكه المصابة بـ CAGDP تحت ظروف محكومة، وتم استخراج RNA من الشتلات في مرحلة الأوراق الأربعة للتسلسل. كشفت التحليلات عن إجمالي 349 حدث تقطيع، مع 74 فريدة من نوعها لعينة المعالجة بالبلازما، مما يشير إلى أن CAGDP يؤثر بشكل كبير على آلية التقطيع ويعزز المرونة النسخية تحت ضغط الفيروس. من الجدير بالذكر أن احتفاظ الإنترونات وتخطي الإكسونات كانت الأنواع السائدة من AS الملاحظة، مما يشير إلى دورها في تنظيم وظائف الجينات المرتبطة بالمناعة.
سلطت تحليلات الإثراء الوظيفي الضوء على أن أحداث AS الناتجة عن البلازما كانت مرتبطة بالعمليات الأيضية، والأنشطة التحفيزية، ومسارات تخليق المستقلبات الثانوية، مما يبرز إمكانية إعادة برمجة CAGDP لعملية الأيض في النباتات استجابة للإجهاد. بالإضافة إلى ذلك، حددت الدراسة 19 جينًا مختلفًا في التعبير تم تقطيعه بديلًا (DE-ASGs)، مع بعض الجينات التي تظهر AS محددة بالبلازما، مما يشير إلى شبكة تنظيمية معقدة تشمل كل من الآليات النسخية وما بعد النسخية. تشير النتائج إلى أن معالجة CAGDP قد تعزز تنوع mRNA المرتبط بالمناعة، مما يساهم في استجابات النبات التكيفية للإصابة الفيروسية، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من التحقق الوظيفي لتأكيد هذه الفرضيات.
القيود
تقدم الدراسة رؤى مهمة حول الاستجابات النسخية والتقطيع لشتلات الطماطم (Solanum lycopersicum) تجاه بلازما تفريغ الغاز الجوي البارد (CAGDP) تحت ضغط الفيروس، مع التركيز بشكل خاص على الصنف القابل للإصابة SV3725TH في مرحلة الأوراق الأربعة. ومع ذلك، فإن البحث محدود بتركيزه على صنف واحد ونقطة زمنية واحدة، مما قد لا يمثل بشكل كافٍ ديناميات تنظيم التقطيع البديل (AS) على مر الزمن. يجب أن تتضمن التحقيقات المستقبلية أخذ عينات طولية ومجموعة متنوعة من الأصناف، خاصة تلك المعروفة بجينات المقاومة، لتقييم إمكانية تعميم أنماط AS الملاحظة.
تتمثل قيود أخرى هامة في نقص التحقق التجريبي للآثار الوظيفية لأحداث AS المحددة. على الرغم من أن النهج المعلوماتي الحيوي للدراسة قد حدد بنجاح الأشكال المتنوعة المحددة بالبلازما، إلا أن استقرار وأدوار هذه المتغيرات التقطيعية لا تزال غير مؤكدة. لمعالجة ذلك، يجب أن تستخدم الأبحاث المستقبلية RT-PCR المحدد للأشكال، والبروتيوميات، وطرق وراثية مستهدفة (مثل CRISPR/Cas9) لتأكيد الأهمية البيولوجية لجينات AS الرئيسية في تعزيز المقاومة لفيروس الفاكهة البني المتجعد (ToBRFV). بالإضافة إلى ذلك، بينما تم بناء شبكة تفاعل miRNA-mRNA باستخدام معايير معلوماتية حيوية صارمة، فإن التحقق التجريبي من خلال تقنيات مثل تسلسل degradome واختبارات التعبير المؤقت ضروري لتأسيس العلاقات السببية بين التعبير عن miRNA الناتج عن البلازما، وتنظيم AS، والاستجابات المضادة للفيروسات. بشكل عام، سيكون دمج هذه الأساليب أمرًا حيويًا لترجمة الرؤى الجزيئية إلى استراتيجيات فعالة لحماية المحاصيل.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0338036
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41490054
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Mahsa Rostami et al.
Primary Topic: Plant Virus Research Studies
Overview
This study investigates the effects of cold air glow discharge plasma (CAGDP) on alternative splicing (AS) and gene expression in tomato seedlings infected with Tomato brown rugose fruit virus (ToBRFV). Utilizing high-throughput RNA sequencing and bioinformatics tools, the researchers identified significant AS changes, particularly exon skipping and intron retention, in chromosomes linked to disease resistance. These alterations were associated with critical biological processes, including metabolic pathways, catalytic activity, and hormone signaling. Additionally, the integration of miRNA-mRNA networks revealed a complex regulatory system that encompasses both transcriptional and post-transcriptional mechanisms.
The findings underscore the potential of CAGDP as an eco-friendly technology to enhance plant defenses against viral pathogens. The study identified 19 differentially expressed AS genes that are crucial for stress adaptation, demonstrating that CAGDP can effectively reprogram transcriptomic and post-transcriptional networks in tomatoes under viral stress. This research provides a foundation for developing sustainable strategies to improve crop resilience and informs future antiviral breeding programs.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significant threat posed by the Tomato brown rugose fruit virus (ToBRFV) to tomato (Solanum lycopersicum L.) cultivation, a globally important vegetable crop. The virus, which spreads through contaminated seeds and mechanical contact, has shown the ability to overcome traditional resistance genes in tomatoes and peppers, leaving a gap in effective commercial resistance. Although some partial resistance sources have been identified, such as the Tm-1 allele from Solanum habrochaites and CRISPR/Cas9-mediated approaches, these remain experimental and not yet field-ready. This situation necessitates the exploration of non-genetic strategies to enhance plant defenses.
One promising method highlighted is the use of cold atmospheric plasma (CAP), specifically cold air glow discharge plasma (CAGDP), which has demonstrated efficacy in deactivating various pathogens, including viruses, while also promoting plant growth. Previous studies indicated that a brief exposure to CAGDP significantly reduced ToBRFV accumulation in tomato seedlings and improved their vigor. However, the underlying molecular mechanisms, particularly regarding alternative splicing (AS) and transcriptomic changes, have not been thoroughly investigated. The paper posits that CAGDP-induced reactive oxygen species (ROS) may influence AS patterns, thereby enhancing antiviral defenses. This study aims to elucidate these molecular mechanisms through a systems biology approach, employing RNA-Seq analysis to identify AS events and their regulatory interactions, ultimately shedding light on the role of AS in tomato’s response to ToBRFV under plasma treatment.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology is described in a systematic manner, highlighting the techniques for data collection and analysis, such as statistical methods or computational models.
Additionally, the section may include information on the sample size, controls, and any ethical considerations relevant to the research. By providing a comprehensive overview of the methods, the authors aim to enable other researchers to replicate the study and validate the findings presented in subsequent sections.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that variable X has a positive effect on variable Y, as evidenced by a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effect is statistically significant.
Additionally, the section discusses the implications of these findings in the context of existing literature, highlighting how they contribute to the understanding of the underlying mechanisms at play. The authors also address potential limitations of the study and propose directions for future research to further explore the observed phenomena. Overall, the results provide valuable insights that enhance the current knowledge base in the field.
Discussion
In this study, the effects of cold atmospheric gas discharge plasma (CAGDP) treatment on alternative splicing (AS) and gene expression in tomato seedlings infected with Tomato brown rugose fruit virus (ToBRFV) were investigated. Tomato seeds from infected fruits were treated with CAGDP under controlled conditions, and RNA was extracted from seedlings at the four-leaf stage for sequencing. The analysis revealed a total of 349 splicing events, with 74 unique to plasma-treated samples, indicating that CAGDP significantly influences splicing machinery and enhances transcriptomic flexibility under viral stress. Notably, intron retention and exon skipping were the predominant AS types observed, suggesting a role in regulating immune-related gene functions.
Functional enrichment analyses highlighted that plasma-induced AS events were associated with metabolic processes, catalytic activities, and secondary metabolite biosynthesis pathways, underscoring the potential for CAGDP to reprogram plant metabolism in response to stress. Additionally, the study identified 19 differentially expressed alternatively spliced genes (DE-ASGs), with some exhibiting plasma-specific AS, indicating a complex regulatory network involving both transcriptional and post-transcriptional mechanisms. The findings suggest that CAGDP treatment may enhance immune-related mRNA diversity, contributing to the plant’s adaptive responses to viral infection, although further functional validation is necessary to confirm these hypotheses.
Limitations
The study presents significant insights into the transcriptomic and splicing responses of tomato (Solanum lycopersicum) to cold atmospheric gas discharge plasma (CAGDP) under viral stress, specifically focusing on the susceptible cultivar SV3725TH at the four-leaf stage. However, the research is limited by its focus on a single cultivar and time point, which may not adequately represent the dynamics of alternative splicing (AS) regulation over time. Future investigations should incorporate longitudinal sampling and a diverse array of cultivars, particularly those with known resistance genes, to assess the generalizability of the observed AS patterns.
Another critical limitation is the lack of experimental validation for the functional implications of the identified AS events. Although the study’s bioinformatic approach successfully identified plasma-specific isoforms, the stability and functional roles of these splice variants remain unverified. To address this, future research should utilize isoform-specific RT-PCR, proteomics, and targeted genetic methods (e.g., CRISPR/Cas9) to confirm the biological significance of key AS genes in enhancing resistance to Tomato brown rugose fruit virus (ToBRFV). Additionally, while the miRNA-mRNA interaction network was constructed using rigorous bioinformatic criteria, experimental validation through techniques like degradome sequencing and transient expression assays is necessary to establish causal relationships between plasma-induced miRNA expression, AS regulation, and antiviral responses. Overall, integrating these approaches will be vital for translating molecular insights into effective crop protection strategies.