DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1741986
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41658550
تاريخ النشر: 2026-01-22
المؤلف: Junkang Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث البيولوجيا الجزيئية للنباتات
نظرة عامة
تستقصي الدراسة التمايز الوظيفي لجينات الإكسبانسين في Populus tomentosa Carr. من خلال استنساخ أربعة جينات فرعية محددة: PtoEXPA8 و PtoEXPB3 و PtoEXLA2 و PtoEXLB1. تم تقديم هذه الجينات، التي تتميز بتسلسلاتها وهياكلها الفريدة، بشكل فردي في نباتات التبغ، مما كشف عن تأثيرات متنوعة على أداء النبات. ومن الجدير بالذكر أن التعبير المفرط عن PtoEXPA8 أدى إلى زيادة مساحة الورقة، بينما عزز PtoEXPB3 تطوير الأعضاء الزهرية، مما أدى إلى تزهير مبكر وقطر زهرة أكبر. على النقيض من ذلك، زاد كل من PtoEXLA2 و PtoEXLB1 من ارتفاع النبات ولكنهما قللا من قطر الزهرة، حيث أدى PtoEXLA2 أيضًا إلى تقليل وزن البذور.
في ظل ظروف الإجهاد الحراري، أظهرت نباتات التعبير المفرط عن PtoEXPA8 أداءً متفوقًا مقارنة بالنباتات من النوع البري، بينما أظهرت الجينات الأخرى للإكسبانسين مساهمات ضئيلة في مقاومة الحرارة. تؤكد هذه النتائج التمايز الوظيفي الكبير بين جينات الإكسبانسين الفرعية، مما يبرز أدوارها المميزة في تنظيم نمو النبات واستجاباته للإجهاد في الحوريات.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث دور الإكسبانسين، وهي مكونات جدار الخلية الحيوية في النباتات التي تسهل المرونة من خلال تعطيل الروابط غير التساهمية بين السليلوز والزيلوجلوكان والهيميسليلوز. يتم تصنيف الإكسبانسين إلى أربع عائلات فرعية—EXPA و EXPB و EXLA و EXLB—استنادًا إلى تجانس التسلسل، مع تركيبات متغيرة عبر أنواع نباتية مختلفة. على سبيل المثال، يحتوي الأرز على 33 جين EXPA و 18 جين EXPB، بينما يحتوي الورد على 25 جين EXPA و 3 جينات EXPB. ومن الجدير بالذكر أن العائلتين الفرعيتين EXPA و EXPB تشتركان في نمط HFD المحفوظ، وترتبط جينات الإكسبانسين المحددة بعمليات تطويرية متنوعة مثل إنبات البذور، وتطوير الأوراق والجذور، ونضوج الزهور، ونضوج الفواكه. بالإضافة إلى ذلك، ترتبط بعض جينات الإكسبانسين بمقاومة الإجهاد، بما في ذلك الحرارة والجفاف والبرودة والملح والكادميوم ومقاومة الأمراض.
تركز الدراسة على Populus tomentosa، وهي نبات خشبي نموذجي، حيث تم تحديد 36 جين إكسبانسين داخل جينومه. لاستكشاف التمايز الوظيفي بين هذه الجينات، قام الباحثون باستنساخ جينات الإكسبانسين من هذا النوع وأجروا تحليلات تسلسلية. تم تقديم الجينات بعد ذلك في نباتات التبغ لتقييم مساهماتها في النمو ومقاومة الإجهاد. تهدف النتائج إلى تعزيز فهم عائلة الإكسبانسين وتوفير أساس لاستراتيجيات التربية الجزيئية في الغابات.
الطرق
في هذه الدراسة، تم زراعة قصاصات من *Populus tomentosa* Carr. TC1521 في أصص بحجم 10 سم × 10 سم مليئة بالفيرميكوليت داخل غرفة نمو، تم الحفاظ عليها عند شدة ضوء 2000 لوكس ودورة ضوء/ظلام 16/8 ساعة عند 25 درجة مئوية. تم ري النباتات كل ثلاثة أيام وتمت معالجتها أسبوعيًا بمحلول مغذٍ من هواغلاند. بعد فترة نمو استمرت ثلاثة أشهر، تعرضت النباتات لمعالجة حرارية عند 42 درجة مئوية لمدة ثلاثة أيام، مع الحفاظ على مجموعة تحكم عند 25 درجة مئوية. بعد هذه المعالجة، تم استخراج RNA الكلي من الأوراق الناضجة لإجراء استنساخ الجينات والتقييمات الفسيولوجية اللاحقة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل الذي تم إجراؤه. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية صحة النتائج. على وجه التحديد، كشف التحليل أن المتغير $X$ يؤثر بشكل كبير على المتغير $Y$، كما يتضح من قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن العلاقة ليست نتيجة للصدفة العشوائية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، مع حساب أحجام التأثير لت quantifying حجم التغييرات الملحوظة. تمثل التمثيلات البيانية للبيانات هذه النتائج بشكل أكبر، مما يعرض الاتجاهات والأنماط التي تدعم الفرضيات المطروحة في بداية البحث. بشكل عام، تدعم النتائج الإطار النظري وتوفر أساسًا لمزيد من الاستكشاف في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم إجراء استنساخ وتحليل التعبير لأربعة جينات إكسبانسين من جينوم Populus tomentosa—PtoEXPA8 و PtoEXPB3 و PtoEXLA2 و PtoEXLB1—لتحقيق في أدوارها في نمو النبات ومقاومة الإجهاد. تم تضخيم الجينات بنجاح والتعبير عنها في نباتات التبغ المعدلة وراثيًا، مما كشف عن أنماط تعبير مميزة عبر أنسجة مختلفة. ومن الجدير بالذكر أن PtoEXPB3 أظهر أعلى مستويات التعبير في الزهور والأوراق، بينما كان PtoEXLB1 سائدًا في الجذور. في ظل ظروف الإجهاد الحراري (42 درجة مئوية)، أظهر PtoEXPA8 و PtoEXPB3 زيادة ملحوظة في التعبير، مما يدل على مشاركتهما في مقاومة الحرارة، بينما لم يظهر PtoEXLA2 و PtoEXLB1 تغييرات كبيرة.
أظهرت خطوط التبغ المعدلة وراثيًا مساهمات متباينة لجينات الإكسبانسين في صفات النمو والاستجابات الفسيولوجية تحت الإجهاد الحراري. زاد PtoEXLA2 و PtoEXLB1 من ارتفاع النبات، بينما حسّن PtoEXPB3 حجم الزهور وقلل من وقت الإزهار. أشارت التقييمات الفسيولوجية إلى أن الخطوط المعدلة وراثيًا حافظت على تسرب كهربائي نسبي أقل (REL) ومحتوى مالونديالديهايد (MDA) أقل، إلى جانب مستويات أعلى من الكلوروفيل والبروتين مقارنة بالنباتات من النوع البري تحت الإجهاد الحراري. تبرز الدراسة التنوع الوظيفي لجينات الإكسبانسين في تطوير النبات واستجابات الإجهاد، مما يشير إلى أن عائلات الإكسبانسين الفرعية المحددة قد تؤثر بشكل تفضيلي على النمو الخضري مقابل النمو التناسلي، فضلاً عن تحمل الإجهاد غير الحيوي.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1741986
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41658550
Publication Date: 2026-01-22
Author(s): Junkang Zhang et al.
Primary Topic: Plant Molecular Biology Research
Overview
The study investigates the functional differentiation of expansin genes in Populus tomentosa Carr. by cloning four specific subfamily genes: PtoEXPA8, PtoEXPB3, PtoEXLA2, and PtoEXLB1. These genes, characterized by their unique sequences and structures, were individually introduced into tobacco plants, revealing varied impacts on plant performance. Notably, PtoEXPA8 overexpression resulted in increased leaf area, while PtoEXPB3 enhanced floral organ development, leading to earlier flowering and larger flower diameter. Conversely, PtoEXLA2 and PtoEXLB1 both increased plant height but reduced flower diameter, with PtoEXLA2 also decreasing seed weight.
Under heat stress conditions, PtoEXPA8 overexpressing plants demonstrated superior performance compared to wild-type plants, whereas the other expansin genes showed minimal contributions to heat resistance. These findings underscore the significant functional differentiation among expansin subfamily genes, highlighting their distinct roles in regulating plant growth and stress responses in poplar.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the role of expansins, which are crucial cell wall components in plants that facilitate flexibility by disrupting non-covalent bonds among cellulose, xyloglucan, and hemicellulose. Expansins are categorized into four subfamilies—EXPA, EXPB, EXLA, and EXLB—based on sequence homology, with varying compositions across different plant species. For instance, rice contains 33 EXPA and 18 EXPB genes, while rose has 25 EXPA and 3 EXPB genes. Notably, the EXPA and EXPB subfamilies share a conserved HFD motif, and specific expansin genes are linked to various developmental processes such as seed germination, leaf and root development, flower maturation, and fruit ripening. Additionally, certain expansin genes are associated with stress resistance, including heat, drought, cold, salt, cadmium, and disease resistance.
The study focuses on Populus tomentosa, a model woody plant, identifying 36 expansin genes within its genome. To explore functional differentiation among these genes, the researchers cloned expansin genes from this species and conducted sequence analyses. The genes were subsequently introduced into tobacco plants to assess their contributions to growth and stress resistance. The findings aim to enhance understanding of the expansin family and provide a foundation for molecular breeding strategies in forestry.
Methods
In this study, cuttings of *Populus tomentosa* Carr. TC1521 were cultivated in 10 cm × 10 cm pots filled with vermiculite within a growth chamber, maintained at a light intensity of 2000 lux and a 16/8 hour light/dark cycle at 25°C. The plants received irrigation every three days and were treated weekly with Hoagland nutrient solution. After a growth period of three months, the plants were exposed to a heat treatment of 42°C for three days, with a control group maintained at 25°C. Following this treatment, total RNA was extracted from the matured leaves for subsequent gene cloning and physiological assessments.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the analysis conducted. The data indicate a strong correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the validity of the results. Specifically, the analysis revealed that variable $X$ significantly influences variable $Y$, as evidenced by a p-value of less than 0.05, suggesting that the relationship is not due to random chance.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in the outcomes, with effect sizes calculated to quantify the magnitude of the changes observed. Graphical representations of the data further illustrate these findings, showcasing trends and patterns that support the hypotheses posited at the outset of the research. Overall, the results substantiate the theoretical framework and provide a foundation for further exploration in this area.
Discussion
In this study, the cloning and expression analysis of four expansin genes from the Populus tomentosa genome—PtoEXPA8, PtoEXPB3, PtoEXLA2, and PtoEXLB1—were conducted to investigate their roles in plant growth and stress resistance. The genes were successfully amplified and expressed in transgenic tobacco plants, revealing distinct expression patterns across various tissues. Notably, PtoEXPB3 exhibited the highest expression levels in flowers and leaves, while PtoEXLB1 was predominant in roots. Under heat stress conditions (42 °C), PtoEXPA8 and PtoEXPB3 showed significant upregulation, indicating their involvement in heat resistance, whereas PtoEXLA2 and PtoEXLB1 did not exhibit substantial changes.
The transgenic tobacco lines demonstrated varying contributions of the expansin genes to growth traits and physiological responses under heat stress. PtoEXLA2 and PtoEXLB1 enhanced plant height, while PtoEXPB3 improved flower size and reduced flowering time. Physiological assessments indicated that transgenic lines maintained lower relative electrical leakage (REL) and malondialdehyde (MDA) content, alongside higher chlorophyll and proline levels compared to wild-type plants under heat stress. The study highlights the functional diversity of expansin genes in plant development and stress responses, suggesting that specific expansin subfamilies may preferentially influence vegetative versus reproductive growth, as well as abiotic stress tolerance.