DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1682825
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41658559
تاريخ النشر: 2026-01-22
المؤلف: NaiPeng Ren وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة الاستجابات الفسيولوجية، والترانسكريبتومية، والبروتيومية لاثنين من أصناف البرسيم، “دونغنونغ رقم 1″ المقاوم للبرد و”بارا 218TR” الحساس للبرد، تجاه إجهاد التجمد عند -5°C. تكشف النتائج أن “دونغنونغ رقم 1” يظهر مستويات أعلى بشكل ملحوظ من إنزيمات مضادات الأكسدة والمواد المنظمة للأسموزية، إلى جانب محتوى أقل من المالونديالديهايد (MDA) وتسرب الإلكتروليت النسبي (REL) مقارنةً بـ “بارا 218TR.” حدد تحليل الترانسكريبتوم الجينات المعبر عنها بشكل مختلف (DEGs) الغنية في عائلة عوامل النسخ AP2/ERF-ERF ومسارات الإشارة المختلفة، مما يشير إلى شبكة تنظيمية معقدة تشارك في تحمل إجهاد التجمد.
سلط تحليل شبكة التعبير الجيني المشترك الموزون (WGCNA) الضوء على أن DEGs المتعلقة بتخليق البروتين، وإشارات الكالسيوم، والتخفيف من سمية الحديد هي ضرورية للاستجابات الفسيولوجية تجاه إجهاد التجمد. كما كشف التحليل البروتيومي أن البروتينات ذات الوفرة المختلفة (DAPs) تلعب أدوارًا رئيسية في الحفاظ على استقرار البروتين، والدفاع المضاد للأكسدة، وتنظيم الأيض. تؤكد التحليلات المدمجة للترانسكريبتوم والبروتيوم على أهمية المسارات المرتبطة بتمثيل الكربوهيدرات، والدفاع ضد الإجهاد البيولوجي، وتعديل جدار الخلية، وتخليق الفينيل بروبانويد في استجابة البرسيم لأضرار الصقيع. تعزز هذه الأبحاث من فهم الآليات الجزيئية الكامنة وراء مقاومة التجمد في البرسيم وتضع الأساس لتحديد الجينات المرشحة التي قد تمنح تحملًا أفضل للبرد.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية البرسيم (Medicago sativa L.)، وهو نبات عشبي معمر قوي، خاصة في سياق تعرضه للإجهاد البارد بسبب تغير المناخ العالمي. يواجه البرسيم، المعروف بزراعته الواسعة وانتشاره العالي في المناطق المعتدلة، تحديات مثل الشتاء القاسي الذي يؤثر سلبًا على إنتاجيته وجودته، مما يؤثر بدوره على استدامة تربية الحيوانات. تسلط الورقة الضوء على الحاجة الملحة للبحث الذي يركز على تعزيز تحمل البرسيم للبرد من خلال التكيفات الفسيولوجية، بما في ذلك تراكم الأحماض الدهنية غير المشبعة، والأحماض الأمينية، والمواد المنظمة للأسموزية مثل البرولين الحر والسكريات القابلة للذوبان، والتي تعمل كمواد واقية من التجمد.
علاوة على ذلك، توضح المقدمة الآليات الجزيئية الكامنة وراء تحمل البرد، مع التأكيد على دور جينات وبروتينات معينة، مثل تلك الموجودة في مسار إشارة ICE1-CBF، والتي تعتبر حاسمة للتكيف مع البرد. تهدف الدراسة إلى التحقيق في الفروقات في الاستجابات للتجمد بين صنفين من البرسيم، “دونغنونغ رقم 1” و”بارا 218TR”، باستخدام مزيج من التحليلات الفسيولوجية والترانسكريبتومية والبروتيومية. من خلال تحديد الجينات الوظيفية المرتبطة باستجابات الإجهاد البارد، تسعى الأبحاث إلى المساهمة في فهم مرونة البرسيم تجاه الإجهاد غير الحيوي وإبلاغ برامج التربية التي تهدف إلى تحسين تحمل البرد.
الطرق
في هذه الدراسة، تم اختيار صنفين من البرسيم، “دونغنونغ رقم 1″ (D)، المعروف بتحمله للبرد، و”بارا 218TR” (B)، المعروف بحساسيته للبرد، بناءً على أبحاث سابقة (Xuan et al., 2024). تم تعقيم البذور وإنباتها على ورق ترشيح معقم، وتم زرع الشتلات المتجانسة في أصص تحتوي على مزيج من التربة المغذية والفيرميكوليت. نمت النباتات تحت ظروف محكومة (25-27°C، 16/8 ساعة فترة ضوئية) لمدة 28 يومًا قبل الخضوع لعلاج تمرين منخفض الحرارة عند 4°C لمدة يومين، تلاها تبريد تدريجي إلى -5°C لمدة تجمد قدرها 5 ساعات و30 دقيقة.
تضمن التصميم التجريبي أربع نقاط زمنية لجمع العينات خلال علاج التجمد: 0 ساعة، 2 ساعة، 4 ساعات، و6 ساعات. تم تصنيف العينات من “دونغنونغ رقم 1” على أنها D-0، D-2، D-4، وD-6، بينما تم تصنيف العينات من “بارا 218TR” على أنها B-0، B-2، B-4، وB-6. بعد الحصاد، تم تجميد جميع العينات في النيتروجين السائل وتخزينها عند -80°C للتحليلات اللاحقة. تهدف هذه المنهجية إلى توضيح الاستجابات الفسيولوجية لصنفين من البرسيم تجاه إجهاد التجمد.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. عادةً ما يتضمن بيانات كمية، وتحليلات إحصائية، وتمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول لتوضيح النتائج. غالبًا ما تتم مقارنة النتائج مع الفرضيات أو الأهداف الأولية الموضحة في المقدمة، مما يبرز الاتجاهات أو الأنماط المهمة التي لوحظت في البيانات.
بالإضافة إلى ذلك، قد يناقش القسم تداعيات هذه النتائج فيما يتعلق بالأدبيات الحالية، مع التركيز على كيفية مساهمتها في الفهم الأوسع للموضوع. كما يتم تناول أي نتائج غير متوقعة أو شذوذ، مما يوفر رؤى حول القيود المحتملة أو المجالات التي تحتاج إلى مزيد من التحقيق. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتوضيح الأدلة التجريبية التي تدعم استنتاجات البحث.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم الاستجابات الفسيولوجية والجزيئية لصنفين من البرسيم، “دونغنونغ رقم 1” و”بارا 218TR”، تجاه إجهاد التجمد. أشارت معدلات البقاء بعد التجمد إلى أن “دونغنونغ رقم 1” أظهر تحملًا أكبر، بمعدل بقاء قدره 50% مقارنةً بـ 23.33% لـ “بارا 218TR.” كشفت التقييمات الفسيولوجية أن “دونغنونغ رقم 1” كان لديه أنشطة أعلى من إنزيمات مضادات الأكسدة (APX، GR، وCAT) وتراكم أكبر من المواد المنظمة للأسموزية (البرولين، السكريات القابلة للذوبان، والبروتينات القابلة للذوبان) خلال الإجهاد، مما يشير إلى آلية دفاع مضادة للأكسدة وتنظيم أسموزي أكثر فعالية. بالإضافة إلى ذلك، تم الحفاظ على استقرار الغشاء بشكل أفضل في “دونغنونغ رقم 1″، كما يتضح من انخفاض محتوى المالونديالديهايد (MDA) وتسرب الإلكتروليت النسبي (REL).
كشف تحليل الترانسكريبتوم عن عدد أكبر من الجينات المعبر عنها بشكل مختلف (DEGs) في “دونغنونغ رقم 1” مقارنةً بـ “بارا 218TR”، خاصة عند علامة الأربع ساعات، مع غنى ملحوظ في المسارات المتعلقة بمعالجة البروتين، وتفاعلات النبات مع مسببات الأمراض، وإشارات الهرمونات. حددت الدراسة عوامل النسخ الرئيسية، وخاصة من عائلة AP2/ERF، التي قد تلعب أدوارًا حاسمة في استجابة إجهاد التجمد. علاوة على ذلك، سلط تحليل شبكة التعبير الجيني المشترك الموزون الضوء على الجينات المرشحة المرتبطة بالخصائص الفسيولوجية، مما يعزز الفكرة بأن “دونغنونغ رقم 1” يستخدم نهجًا متعدد الأوجه للتخفيف من إجهاد التجمد من خلال تعزيز تنظيم الجينات وتعديلات الأيض. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على أهمية فهم الآليات الجينية والفسيولوجية الكامنة وراء تحمل الإجهاد في البرسيم، مما قد يُعلم استراتيجيات التربية لتحسين المرونة في الممارسات الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1682825
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41658559
Publication Date: 2026-01-22
Author(s): NaiPeng Ren et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
This study investigates the physiological, transcriptomic, and proteomic responses of two alfalfa cultivars, the cold-tolerant “Dongnong NO.1” and the cold-sensitive “Bara 218TR,” to freezing stress at -5°C. The findings reveal that “Dongnong NO.1” exhibits significantly higher levels of antioxidant enzymes and osmoregulatory substances, alongside lower malondialdehyde (MDA) content and relative electrolyte leakage (REL) compared to “Bara 218TR.” Transcriptomic analysis identified differentially expressed genes (DEGs) enriched in the AP2/ERF-ERF transcription factor family and various signaling pathways, indicating a complex regulatory network involved in freezing stress tolerance.
Weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) highlighted that DEGs related to protein synthesis, calcium signaling, and the mitigation of iron toxicity are crucial for the physiological responses to freezing stress. Proteomic analysis further revealed that differentially abundant proteins (DAPs) play key roles in maintaining protein stability, antioxidant defense, and metabolic regulation. The integrated analysis of transcriptomics and proteomics underscores the importance of pathways associated with carbohydrate metabolism, biotic stress defense, cell wall modification, and phenylpropanoid biosynthesis in alfalfa’s response to frost damage. This research enhances the understanding of the molecular mechanisms underlying freezing resistance in alfalfa and lays the groundwork for identifying candidate genes that may confer enhanced cold tolerance.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of alfalfa (Medicago sativa L.), a resilient perennial herbaceous plant, particularly in the context of its vulnerability to cold stress due to global climate change. Alfalfa, known for its extensive cultivation and high prevalence in temperate regions, faces challenges such as severe winters that adversely affect its yield and quality, thereby impacting animal husbandry sustainability. The paper highlights the urgent need for research focused on enhancing alfalfa’s cold tolerance through physiological adaptations, including the accumulation of unsaturated fatty acids, amino acids, and osmoregulatory substances like free proline and soluble sugars, which serve as cryoprotectants.
Furthermore, the introduction outlines the molecular mechanisms underlying cold tolerance, emphasizing the role of specific genes and proteins, such as those in the ICE1-CBF signaling pathway, which are crucial for cold acclimation. The study aims to investigate the differences in freezing responses between two alfalfa cultivars, “Dongnong NO.1” and “Bara 218TR,” using a combination of physiological, transcriptomic, and proteomic analyses. By identifying functional genes associated with cold stress responses, the research seeks to contribute to the understanding of alfalfa’s resilience to abiotic stress and inform breeding programs aimed at improving cold tolerance.
Methods
In this study, two alfalfa cultivars, “Dongnong NO.1” (D), characterized by cold tolerance, and “Bara 218TR” (B), known for its cold sensitivity, were selected based on prior research (Xuan et al., 2024). Seeds were sterilized and germinated on sterile filter paper, with uniform seedlings transplanted into pots containing a nutrient soil and vermiculite mixture. The plants were grown under controlled conditions (25-27°C, 16/8 h photoperiod) for 28 days before undergoing a low-temperature exercise treatment at 4°C for two days, followed by a gradual cooling to -5°C for a freezing duration of 5 hours and 30 minutes.
The experimental design included four time points for sample collection during the freezing treatment: 0 h, 2 h, 4 h, and 6 h. Samples from “Dongnong NO.1” were labeled D-0, D-2, D-4, and D-6, while those from “Bara 218TR” were labeled B-0, B-2, B-4, and B-6. After harvesting, all samples were frozen in liquid nitrogen and stored at -80°C for subsequent analyses. This methodology aims to elucidate the physiological responses of the two alfalfa cultivars to freezing stress.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. It typically includes quantitative data, statistical analyses, and visual representations such as graphs or tables to illustrate the outcomes. The results are often compared against the initial hypotheses or objectives outlined in the introduction, highlighting significant trends or patterns observed in the data.
Additionally, the section may discuss the implications of these findings in relation to existing literature, emphasizing how they contribute to the broader understanding of the topic. Any unexpected results or anomalies are also addressed, providing insights into potential limitations or areas for further investigation. Overall, this section serves to clearly communicate the empirical evidence supporting the research conclusions.
Discussion
In this study, the physiological and molecular responses of two alfalfa cultivars, “Dongnong NO.1” and “Bara 218TR,” to freezing stress were evaluated. The survival rates post-freezing indicated that “Dongnong NO.1” exhibited greater tolerance, with a survival rate of 50% compared to 23.33% for “Bara 218TR.” Physiological assessments revealed that “Dongnong NO.1” had higher activities of antioxidant enzymes (APX, GR, and CAT) and greater accumulation of osmoregulatory substances (proline, soluble sugars, and soluble proteins) during stress, suggesting a more effective antioxidant defense and osmoregulation mechanism. Additionally, membrane stability was better maintained in “Dongnong NO.1,” as indicated by lower malondialdehyde (MDA) content and relative electrolyte leakage (REL).
Transcriptome analysis revealed a higher number of differentially expressed genes (DEGs) in “Dongnong NO.1” compared to “Bara 218TR,” particularly at the 4-hour mark, with significant enrichment in pathways related to protein processing, plant-pathogen interactions, and hormone signaling. The study identified key transcription factors, particularly from the AP2/ERF family, that may play crucial roles in the freezing stress response. Furthermore, weighted gene co-expression network analysis highlighted candidate hub genes associated with physiological traits, reinforcing the notion that “Dongnong NO.1” employs a multifaceted approach to mitigate freezing stress through enhanced gene regulation and metabolic adjustments. Overall, these findings underscore the importance of understanding the genetic and physiological mechanisms underlying stress tolerance in alfalfa, which could inform breeding strategies for improved resilience in agricultural practices.