Pencirian gen hab terhadap tekanan biotik dan abiotik menggunakan pendekatan jaringan pengekspresan bersama di dalam Oryza sativa L.

Abstract

Perubahan iklim membawa kepada kemerosotan tanaman padi kerana faktor tekanan biotik dan abiotik, yang dikawal oleh beberapa gen. Kekurangan data dan maklumat gen yang terekspres semasa kedua-dua tekanan menjadi halangan utama dalam pemahaman mekanisme dan strategi tolerasi tekanan. Kajian ini dijalankan untuk mengenal pasti gen hab dan tapak jalan yang mengawal tindak balas terhadap tekanan biotik (penyakit karah dan penyakit merah virus) bersama tekanan abiotik (kemarau dan kemasinan) dalam padi (Oryza sativa L.) secara bersama. Bagi mencapai matlamat ini, profil pengekspresan gen bagi tekanan kemarau, kemasinan, penyakit karah dan penyakit merah virus diperoleh daripada pangkalan data Gene Expression Omnibus (GEO). Analisis pemerkayaan set gen (GSEA) telah dilakukan menggunakan pakej R CemiTool untuk mengesan modul pengekspresan bersama gen (mGCE), seterusnya jaringan interaksi protein-protein (PPI) telah dibina berasaskan mGCE dengan mengintegrasikan maklumat PPI pangkalan data STRING. Kemudian, analisis pemerkayaan fungsi dijalankan menggunakan analisis perwakilan berlebihan (ORA) untuk menentukan fungsi biologi sesuatu set gen. Algoritma Maximal Clique Centrality (MCC) kemudiannya digunakan pada setiap mGCN yang signifikan untuk mengenal pasti gen-gen yang sangat berinteraksi yang dikenali sebagai hab. Gen yang berperanan sebagai hab dalam tekanan biotik dan abiotik telah disahsahihkan melalui PCR Masa Nyata (Real-Time PCR). Hasil yang diperoleh daripada analisis GSEA menunjukkan terdapat empat set data dengan sejumlah modul M11, M12, M14, dan M46 telah dikawal atur merentasi semua tekanan dalam kemarau, kemasinan, peyakit karah dan penyakit merah virus. Analisis (ORA) menunjukkan setiap modul yang mewakili set data tekanan didapati terlibat dalam proses dan laluan yang berkaitan dengan tindak balas pengaktifan, termasuk kekurangan air, perkembangan akar, pertahanan terhadap kulat, dan rangsangan biotik. Menggunakan algoritma MCC, sejumlah 40 hab ditemui daripada empat modul, dan lima di antaranya secara signifikan hadir dalam tekanan biotik dan abiotik. Lima gen hab iaitu Protein Ribosomal S5 (RPS5), Protein Kinase G (PKG), Heat Shock Protein 90 (HSP90), Heat Shock Protein 70 (HSP70) dan Mini Chromosome Maintenance (MCM) dapat dilihat dalam kedua-dua tekanan dan dikaitkan dengan pengisyaratan tumbuhan, pengawal atur imun tumbuhan, keboleh hidupan sel dan spesies oksigen reaktif (ROS) serta tindak balas toleransi tekanan. Tambahan pula, analisis KEGG menunjukkan terdapat empat jalan utama yang berkaitan dengan jalan pengisyaratan tumbuhan, iaitu mengawal atur tindak balas imun tumbuhan, terlibat dalam interaksi tumbuhan patogen, dan replikasi DNA sebagai tindak balas terhadap tekanan abiotik serta biotik. Selain itu, satu protein utama yang menghubungkan kesemua gen hab ditemui iaitu Succinate Dehydrogenase 2-1 (SDH2-1) berperanan dalam menghasilkan tenaga ATP untuk keperluan tenaga sel. Pengesahsahihan melalui analisis PCR Masa Nyata menunjukkan RPS5, PKG, HSP70 dan HSP90 menunjukkan corak pengekspresan yang berbeza dan kebanyakannya dilihat sebagai tindak balas kepada keadaan tekanan tertentu. Kajian ini memberi penerangan tentang kepentingan interaksi biologi antara tekanan biotik dan abiotik dalam padi. Gen yang dikenal pasti boleh berfungsi sebagai calon berpotensi untuk program pembaikan tanaman masa depan, bertujuan untuk meningkatkan toleransi tekanan dan produktiviti pertanian keseluruhan.