DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0340688
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41570014
تاريخ النشر: 2026-01-22
المؤلف: Hanbing Hu وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث البيولوجيا الجزيئية للنباتات
نظرة عامة
تحدد هذه الدراسة بشكل منهجي وتصف بروتينات عائلة المنظم الصامت للمعلومات 2 (SIR2)، المشار إليها باسم SRTs، في محصول الزيت النباتي Brassica napus (اللفت). تم تحديد أربعة جينات SRT—BnaASRT1، BnaASRT2، BnaCSRT1، وBnaCSRT2—استنادًا إلى تشابهها مع SRTs في Arabidopsis والموقع الكروموسومي. تشفر هذه الجينات بروتينات تحتوي على مجالات SIR2 المحفوظة، مع عرض أكثر من 80% من هوية التسلسل وأكثر من 95% من التغطية مع نظيراتها في Arabidopsis. تشير تحليلات النشوء والتطور والتوزيع الجيني إلى أن هذه SRTs محفوظة تطوريًا، حيث نشأت من أحداث تكرار الجينوم الكامل وتم الاحتفاظ بها من خلال أسلاف ثنائية الصبغيات. تكشف التحليلات الهيكلية عن هياكل جينية محفوظة وزخارف، بينما تشير التغيرات في عناصر المحفز إلى تخصص وظيفي بين مجموعات SRT الفرعية.
وظيفيًا، تظهر BnaSRTs نشاط إزالة الأسيتيل من الهيستون، مع تقارب ارتباط قوي لمواقع الأسيتيل الرئيسية مثل H3K9ac. أدت دراسات التثبيط باستخدام النيكوتيناميد (NAM) إلى زيادة الأسيتيل من الهيستون وتغيير التعبير عن الجينات المتعلقة بالتمثيل الضوئي، والتمثيل الغذائي، واستجابات الإجهاد، مما يبرز دور BnaSRTs في التنظيم الجيني. تشير ملفات التعبير إلى أنماط تعبير محددة للأنسجة واستجابات ديناميكية للإجهادات غير الحيوية والعلاجات الهرمونية، مع تسليط الضوء بشكل خاص على التغيرات البارزة في التعبير عن BnaSRT2s. بشكل عام، توضح هذه الأبحاث الحفظ التطوري، والخصائص الهيكلية، والأدوار الوظيفية لـ SRTs في اللفت، مما يشير إلى إمكانياتها في الهندسة الجينية الوبائية بهدف تعزيز تحمل الإجهاد والخصائص الزراعية. هناك حاجة إلى تحقيقات مستقبلية لاستكشاف الآليات الكامنة وراء هذه الوظائف لتطبيقات التربية.
مقدمة
في المقدمة، يناقش المؤلفون الدور الحاسم لآليات التنظيم الجيني الوبائي، وخاصة تعديلات الهيستون، في نمو النباتات وتطورها تحت ظروف بيئية متغيرة. يتم تسليط الضوء على الأسيتيل من الهيستون، الذي يتم بوساطة ناقلات الأسيتيل من الهيستون (HATs) وإزالة الأسيتيل من الهيستون (HDACs)، كاستراتيجية رئيسية للنباتات للاستجابة للإجهادات البيئية. يمكن أن تعزز HDACs، التي تزيل مجموعات الأسيتيل من الهيستونات، أو تثبط التعبير الجيني من خلال تغيير بنية الكروماتين. تحدد الورقة ثلاث عائلات من HDACs في النباتات: الفئة الأولى (RPD3/HDA1)، الفئة الثانية (Sirtuin/SIR2)، والفئة الثالثة (HD2/HDAC tuin)، حيث تعتبر عائلة SIR2 مهمة بشكل خاص لتنظيم التمثيل الغذائي للطاقة ومسارات الإشارات الهرمونية.
يقدم المؤلفون مجموعة متنوعة من النتائج حول وظائف أعضاء عائلة SIR2 المحددة، مثل AtSRT1 وAtSRT2 في Arabidopsis، والتي تؤثر على عمليات مثل تثبيط الإزهار، والتمثيل الغذائي للطاقة، واستجابات الإجهاد. بالإضافة إلى ذلك، يلاحظون أدوار أعضاء SIR2 في أنواع أخرى، بما في ذلك الأرز والفراولة، في تنظيم النمو، والنضج، وتحمل الإجهاد. تختتم المقدمة بالتأكيد على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في عائلة SIR2 في Brassica napus (اللفت)، حيث يهدف المؤلفون إلى وصف أربعة أعضاء SIR2 المحددين من خلال تحليل النشوء والتطور، وفحص هيكل الجين، وملف التعبير تحت ظروف مختلفة، مما يضع أساسًا لفهم أدوارها التنظيمية في تطور النبات واستجابات الإجهاد.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات لجمع البيانات، بما في ذلك تقنيات أخذ العينات، والظروف التجريبية، وأي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الضوابط المنفذة للتحقق من النتائج والمعايير الخاصة بإدراج البيانات أو استبعادها. بشكل عام، يعمل هذا القسم كدليل شامل لتكرار الدراسة وفهم العمليات الأساسية التي أدت إلى النتائج المبلغ عنها.
نتائج
في هذا القسم، قام الباحثون بالتحقق من نتائج النسخ وأنماط التعبير من خلال PCR العكسي الكمي (qRT-PCR) بعد معالجة مواد اللفت مع مختلف الضغوط: 50 ميكرومتر NAM لمدة 5 أيام، 1.3% NaCl لمدة يومين، و20% PEG6000 لمدة يوم واحد. تم استخراج RNA الكلي باستخدام كاشف Trizol، وتم تحويل 1 ميكروغرام من RNA إلى DNA مكمل (cDNA) باستخدام مجموعة ABScript II لتخليق cDNA من الشريط الأول. تم إجراء اختبارات qRT-PCR على جهاز ABI 7900، باستخدام بروتوكول دوراني يتضمن تمييع أولي عند 95 درجة مئوية، يليه 42 دورة تضخيم وتحليل منحنى الانصهار.
تم قياس مستويات التعبير الجيني النسبية باستخدام طريقة 2⁻ΔΔCT، مع استخدام BnActin7 (EV116054) كجين مرجعي. يتم تفصيل البرايمرات المحددة المستخدمة في هذه التحليلات في الجدول S8. يضمن هذا النهج المنهجي التحقق القوي من أنماط التعبير الجيني استجابةً لعلاجات الإجهاد المطبقة، مما يوفر رؤى حول الاستجابات الجزيئية لللفت تحت ظروف الإجهاد.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم توصيف عائلة جينات SRT (Sirtuin) في Brassica napus من خلال تحليل شامل يتضمن استرجاع التسلسل، والتنبؤ الهيكلي، وتحليل النشوء والتطور، وملف التعبير. تم استخدام تسلسلات بروتين SRT من Arabidopsis thaliana وOryza sativa لتحديد أربعة جينات SRT في B. napus، تم تعيينها كـ BnaASRT1/2 وBnaCSRT1/2، استنادًا إلى مواقعها الكروموسومية وتشابهها. تم تقييم الخصائص الفيزيائية الكيميائية لهذه البروتينات، مما يكشف عن أوزان جزيئية تتراوح بين 39.63 إلى 54.20 كيلودالتون ونقاط كيميائية بين 6.62 و8.96. أشارت التنبؤات الهيكلية إلى درجة عالية من الحفظ بين BnaSRTs ونظيراتها في Arabidopsis، مما يشير إلى أصل تطوري مشترك.
استكشفت الدراسة أيضًا التوزيع الكروموسومي والتوزيع الجيني لـ BnaSRTs، مؤكدة وراثتها المستقرة من خلال عملية تعدد الصبغيات في B. napus. أشار تحليل إثراء GO إلى أن BnaSRTs تشارك في إزالة الأسيتيل من الهيستون وعمليات بيولوجية متنوعة، بما في ذلك استجابات الإجهاد. أظهرت دراسات الربط الجزيئي تقارب ارتباط قوي لـ BnaSRTs مع مواقع أسيتيل الهيستون، مما يشير إلى دورها المحتمل في تنظيم تعديلات الهيستون. علاوة على ذلك، كشف ملف التعبير عن أن BnaSRTs تعبر بشكل مختلف عبر أنسجة ومراحل تطور مختلفة، مع زيادة ملحوظة تحت ظروف الإجهاد غير الحيوي، مما يشير إلى دورها الحاسم في آليات استجابة الإجهاد في اللفت.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0340688
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41570014
Publication Date: 2026-01-22
Author(s): Hanbing Hu et al.
Primary Topic: Plant Molecular Biology Research
Overview
This study systematically identifies and characterizes the Silent Information Regulator 2 (SIR2) family proteins, referred to as SRTs, in the oilseed crop Brassica napus (rapeseed). Four SRT genes—BnaASRT1, BnaASRT2, BnaCSRT1, and BnaCSRT2—were identified based on their homology to Arabidopsis SRTs and chromosomal localization. These genes encode proteins with conserved SIR2 domains, exhibiting over 80% sequence identity and more than 95% coverage with their Arabidopsis counterparts. Phylogenetic and synteny analyses indicate that these SRTs are evolutionarily conserved, having originated from whole-genome duplication events and retained through diploid ancestors. Structural analyses reveal conserved gene architectures and motifs, while variations in promoter elements suggest functional specialization among the SRT subgroups.
Functionally, BnaSRTs demonstrate histone deacetylase activity, with a strong binding affinity to key acetylation sites such as H3K9ac. Inhibition studies using nicotinamide (NAM) resulted in increased histone acetylation and altered expression of genes related to photosynthesis, metabolism, and stress responses, underscoring the role of BnaSRTs in epigenetic regulation. Expression profiling indicates tissue-specific expression patterns and dynamic responses to abiotic stresses and hormonal treatments, particularly highlighting the prominent expression changes in BnaSRT2s. Overall, this research elucidates the evolutionary conservation, structural characteristics, and functional roles of SRTs in rapeseed, suggesting their potential for epigenetic engineering aimed at enhancing stress tolerance and agronomic traits. Future investigations are warranted to further explore the mechanisms underlying these functions for breeding applications.
Introduction
In the introduction, the authors discuss the critical role of epigenetic regulatory mechanisms, particularly histone modifications, in plant growth and development under varying environmental conditions. Histone acetylation, mediated by histone acetyltransferases (HATs) and histone deacetylases (HDACs), is highlighted as a key strategy for plants to respond to environmental stresses. HDACs, which remove acetyl groups from histones, can either promote or inhibit gene expression by altering chromatin structure. The paper identifies three families of HDACs in plants: Class I (RPD3/HDA1), Class II (Sirtuin/SIR2), and Class III (HD2/HDAC tuin), with the SIR2 family being particularly significant for regulating energy metabolism and hormone signaling pathways.
The authors present various findings on the functions of specific SIR2 family members, such as AtSRT1 and AtSRT2 in Arabidopsis, which influence processes like flowering suppression, energy metabolism, and stress responses. Additionally, they note the roles of SIR2 members in other species, including rice and strawberries, in regulating growth, ripening, and stress tolerance. The introduction concludes by emphasizing the need for further investigation into the SIR2 family in Brassica napus (rapeseed), where the authors aim to characterize four identified SIR2 members through phylogenetic analysis, gene structure examination, and expression profiling under various conditions, thereby establishing a foundation for understanding their regulatory roles in plant development and stress responses.
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 encompasses the protocols for data collection, including sampling techniques, experimental conditions, and any statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may describe the controls implemented to validate the findings and the criteria for data inclusion or exclusion. Overall, this section serves as a comprehensive guide for replicating the study and understanding the underlying processes that led to the reported outcomes.
Results
In this section, the researchers validated transcriptome results and expression patterns through quantitative reverse transcription PCR (qRT-PCR) following treatments of rapeseed materials with various stressors: 50 μM NAM for 5 days, 1.3% NaCl for 2 days, and 20% PEG6000 for 1 day. Total RNA was extracted using Trizol reagent, and 1 µg of RNA was reverse-transcribed into complementary DNA (cDNA) using the ABScript II First-Strand cDNA Synthesis Kit. The qRT-PCR assays were conducted on an ABI 7900 instrument, employing a cycling protocol that included initial denaturation at 95°C, followed by 42 amplification cycles and a melt-curve analysis.
Relative gene expression levels were quantified using the 2⁻ΔΔCT method, with BnActin7 (EV116054) serving as the reference gene. The specific primers utilized in these analyses are detailed in S8 Table. This methodological approach ensures robust validation of gene expression patterns in response to the applied stress treatments, providing insights into the molecular responses of rapeseed under stress conditions.
Discussion
In this study, the SRT (Sirtuin) gene family in Brassica napus was characterized through a comprehensive analysis involving sequence retrieval, structural prediction, phylogenetic analysis, and expression profiling. The SRT protein sequences from Arabidopsis thaliana and Oryza sativa were utilized to identify four SRT genes in B. napus, designated as BnaASRT1/2 and BnaCSRT1/2, based on their chromosomal locations and homology. The physicochemical properties of these proteins were assessed, revealing molecular weights ranging from 39.63 to 54.20 kDa and isoelectric points between 6.62 and 8.96. Structural predictions indicated a high degree of conservation between BnaSRTs and their Arabidopsis counterparts, suggesting a common evolutionary origin.
The study also explored the chromosomal distribution and synteny of BnaSRTs, confirming their stable inheritance through the polyploidization process of B. napus. GO enrichment analysis indicated that BnaSRTs are involved in histone deacetylation and various biological processes, including stress responses. Molecular docking studies demonstrated strong binding affinities of BnaSRTs to histone acetylation sites, suggesting their potential role in regulating histone modifications. Furthermore, expression profiling revealed that BnaSRTs are differentially expressed across various tissues and developmental stages, with significant upregulation under abiotic stress conditions, indicating their crucial role in stress response mechanisms in rapeseed.