نوع مقاله : پژوهشی- فارسی
نویسندگان
1 دانشیار میکروبیولوژی، مرکز پژوهشی فنآوری و فرآورده های میکروبی، دانشگاه تهران، ایران.
2 استادیار میکروبیولوژی، مرکز پژوهشی فنآوری و فرآورده های میکروبی، دانشگاه تهران، ایران.
3 کارشناس ارشد میکروبیولوژی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم دارویی، تهران، ایران.
4 استادیار میکروبیولوژی، مرکز تحقیقات بیوتکنولوژی کاربردی، دانشگاه علوم پزشکی بقیه الله (عج)، تهران، ایران.
5 دانشیار بیوتکنولوژی دارویی، دانشکده داروسازی، دانشگاه علوم پزشکی تهران، ایران.
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Introduction:Nep1 is a natural bio-herbicide protein which has an effective necrosis stimulant in dicotyledonous weeds. This protein was first purified in 1995 form fermentation broth of Fusarium oxysporum.
Materials and methods: In this study, the nep1gene was isolated form F. oxysporum, after removal of signal peptide from the beginning of the gene; final pET16b-nep1 construct was cloned and transformed into E. coli BL21 (DE3). The recombinant Nep1 was produced in
E. coli. Recombinant protein was purified, diluted and prepared for biological assay on weed.
Results: Two ml of recombinant Nep1 with 60 µg/ ml final concentrations was sprayed on Convolvulus arvensis. Our results showed necrosis and chlorosis symptoms were started on the plant leaves after 2 days, also significant necrosis on the leaves of C. arvensis was seen after
5 days. No necrosis lesion was seen in the negative control plants that sprayed only with buffer and denatured recombinant Nep1 in 100 ºC for 15 min.
Discussion and conclusion: Our results introduced recombinant Nep1 as a biological potent agent for biocontrol of C. arvensis.
کلیدواژهها [English]
مقدمه
باتوجه به افزایش روز افزون جمعیت جهان، نیاز به محصولات غذایی بیش از پیش احساس میشود. با وجود پیشرفتهای صنعتی بسیاری که از سال1940 تاکنون حاصل شده است، آفتها شامل علفهای هرز، حشرات و میکروارگانیسمهای بیماریزای گیاهی) همچنان مشکل اصلی، کاهش تولید در زمینهای کشاورزی به شمار میروند (1). کنترل علفهای هرز یکی از مسایل اصلی تولید محصولات زراعی در سرتاسر جهان است. روشهای کنترل علفهای هرز شامل روشهای جلوگیری کننده از رشد علفهای هرز، روشهای مکانیکی کنترل شامل رقابت و مدیریت کشت، روشهای کنترل شیمیایی و زیستی است (2). در این میان روش کنترل با کمک علفکشهای شیمیایی بیشتر استفاده شده است. با توجه به مقاومت بسیاری از آفتها و علفهای هرز به آفتکشهای شیمیایی و همچنین، آثار مضر شدید این آفتکشها بر سلامت محیط زیست و انسان (3)، استفاده از روشهای جایگزین بسیار مورد توجه قرار گرفته است که در این میان روشهای زیستی و استفاده از عوامل زیستی با توجه به عدم آلودگی محیط زیست و آثار اختصاصیتر مورد توجه زیادی هستند (3).
علفکشهای زیستی شامل میکروارگانیسمهای بیماریزای گیاهی یا ترکیبات میکروبی حاصل از میکروارگانیسمهای بیماریزا و غیر بیماریزا با عنوان فیتوتوکسینها هستند که برای کنترل علفهای هرز بهکار میروند (2).
پیچک صحرایی با نام علمی Convolvulus arvensis گیاهی دو لپه، چند ساله، خزنده، دارای سطح صاف و بدون کرک بوده و رشد رویشی آن از ابتدای بهار تا شروع سرمای سبک پاییز است. C. arvensisیکی از 10 گیاه هرز مهم و مسألهساز دنیاست و از گیاهان هرز مضر در باغات، مزارع گندم و محصولات تابستانه به شمار میآید (4 و 5). این گیاه، بومی اروپا و غرب آسیا بوده و در مناطق گرمسیری و معتدل توسعه یافته است (5). گیاه C. arvensisبا پیچیدن به دور غلات دانه ریز سبب ایجاد مشکل در امر برداشت آنها میشود. همچنین، این گیاه به سرما و یخبندان مقاوم بوده و آثار آسیبی شدیدی بر روی ذرت و نیشکر دارد (4 و 5).
استفاده از علفکشهای شیمیایی مهمترین راهکار مقابله با این علف هرز است. از جمله مهمترین علفکشهای شیمیایی مورد استفاده برای کنترل این گیاه میتوان به علف کش [1]2,4- D از گروه فنوکسی استیکاسید و همچنین، علفکش شیمیایی خطرناک [2]MCPA اشاره کرد (4). آثار تخریبی بالا روی محیط زیست و مقاوم شدن علفهای هرز از جمله پیچک به این علفکشها از جمله مهمترین مشکلات این آفتکشهای شیمیایی است. در روزهای گرم سال اسپری کردن این سموم، سبب تغییر فرمولاسیون آنها و به شدت برای انسانها سمی خواهد شد. همچنین، جذب پوستی این سموم عوارض جبران ناپذیری را به همراه دارد (5). سمیت بالای علفکشهای شیمیایی مورد استفاده برای کنترل C. arvensis برای انسان و محیط زیست و مقاوم شدن این علف هرز به این آفتکش ها، لزوم توجه به استفاده از عوامل جایگزین با کارایی بالا و سمیت کمتر را روشن میکند.
پروتئین Nep1[3] یک علفکش زیستی است که اولین بار در سال 1995توسط بیلی[4] از عصاره کشت قارچ Fusarium oxysporum کشف و خالصسازی شد (6). این پروتئین باعث تحریک تولید اتیلن و بافت مردگی در گیاهان دولپهای میشود. طیف میزبانی این پروتئین دامنه وسیعی از گیاهان دولپه است، اما در تک لپهایها فاقد خاصیت تخریبپذیری است. این پروتئین نقش مهمی در توسعه بیماری توسط F. oxysporum داشته (7 و 8) و به عنوان یک نامزد مناسب از علفکشهای زیستی در مزارع تک لپهای به ویژه مزارع غلات مثل گندم، برنج، جو، ذرت و... معرفی شده است (7 و 9).
هدف از انجام این پژوهش که برای نخستین بار انجام میشود، تولید پروتئین نوترکیب Nep1 به عنوان یک عامل زیستی توانمند برای کنترل علفهای هرز دو لپهای در مزارع غلات تک لپهای است. در این میان از علف هرز C. arvensis به عنوان یک علف هرز مقاوم و رایج در مزارع غلات تک لپهای مثل گندم و جو برای ارزیابی فعالیت پروتئین نوترکیب تولید شده استفاده شد.
.مواد و روشها
.کشت قارچ و استخراج RNA: به منظور کشت قارچ از Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici UTMC01733 (تهیه شده از کلکسیون میکروارگانیسمهای دانشگاه تهران[5]) در محیط زاپکس داکس برات[6] همراه با یک درصد کازو آمینواسید به مدت 4 روز، در دمای 30 درجه سانتیگراد و 200 دور در دقیقه استفاده شد. در روز چهارم مقدار 200 میلیگرم از میسلیوم قارچی در هاون سرد شستشو داده، با اتانول ریخته شد و به آن گوانیدین ایزوتیوسیانات 4/5 مولار با اسیدیته 5/6 به همراه نیتروژن مایع اضافه و تا رسیدن به یک پودر نرم به خوبی خرد شد. به منظور استخراج RNA، محلول سلولهای خرد شده بهدست آمده از مرحله قبل پس از هوموژن کردن در 75000 دور در دقیقه با هموژنایز (هایدولف- آلمان مدل سایلنت کروشر- اس[7]) با کیت استخراج RNA با خلوص بالا[8] شرکت روشه آلمان[9] استخراج شد.
.ساخت cDNA و انجام RT- PCR: مقدار دو میکرولیتر از RNA استخراج شده به منظور ساختن cDNA تک رشته توسط کیت اکسپند ریورس ترانس کریپتاز[10] شرکت روش آلمان استفاده شد. cDNA ساخته شده در ادامه برای تکثیر ژن nep1 با استفاده از پرایمرهای اختصاصی ژن استفاده شد. برای انجام PCR از پرایمر اختصاصی ژن رفت:
.5´CATATGGCCGTAGTTAACCAT3´.
با جایگاه برش آنزیمی NdeI و پرایمر اختصاصی ژن برگشت:
.5´GGATCCTCAGGACCAGGCCTT3´.
با جایگاه برش آنزیم BamHI استفاده شد. چرخههای PCR انجام شده برای تکثیر ژن nep1شامل مرحله واشرست در دمای 94 درجه سانتیگراد به مدت 30 ثانیه، دمای اتصال پرایمر 60 درجه سانتیگراد به مدت 30 ثانیه و دمای پلیمریزاسیون 72 درجه سانتیگراد به مدت 90 ثانیه و به شکل 30 چرخه انجام شد. محصول PCR به منظور تایید ژن جداسازی شده توسط شرکت ماکروژن (کره جنوبی) تعیین توالی شد (10).
.کلونینگ ژن nep1:محصول PCR به دست آمده به شکل انتهای صاف در ابتدا درون حامل pUC19 کلون و با روش شوک حرارتی و تیمار با CaCl2 به داخل سلولهای شایسته E. coli نوا- بلو[11] انتقال داده شد. پلاسمید نوترکیب از کلونیهای سفید استخراج شده و با آنزیمهای NdeI و BamHI شرکت فرمنتاس بریده شد. ژن nep1 بریده شده از روی ژل خالصسازی شد. برای تولید کلونهای نهایی واکنش اتصال بین حامل بیانی pET16b بریده شده با آنزیمهای NdeI و BamHI با قطعه nep1 با انتهای چسبنده مرحله قبل انجام شد. برای انتقال به میزبان نهایی از روش شوک حرارتی و تیمار با CaCl2 استفاده شد و محصول واکنش لیگاسیون به میزبان بیانی (DE3) BL21 E. coli انتقال داده شد. از کلونهای نوترکیب، پلاسمید استخراج و برای تایید نهایی انجام صحیح فرایند کلونینگ به شرکت ماکروژن (کره جنوبی) ارسال شد (10).
.تولید پروتئین Nep1 نوترکیب و خالصسازی آن: در ابتدا باکتری نوترکیب داخل محیط کشت LB همراه با 100 میکروگرم در میلیلیتر از آمپیسیلین، دمای 37 درجه سانتیگراد و دور همزن 200 دور در دقیقه کشت داده شد و پس از اینکه میزان جذب در طول موج 600 نانومتر به حدود 5/0 رسید، یک میلیمولار از محلول IPTG[12] برای القای بیان ژن به آن افزوده شد. پس از القای باکتریها به مدت 5 ساعت در همان دور و دما، روی شیکر قرار داده شدند. باکتریهای آماده شده در ادامه به مدت 10 دقیقه در 4000 دور در دقیقه سانتریفیوژ و رسوب سلولی دو بار با محلول سرم فیزیولوژی شستشو داده شدند. برای لیز سلولها به رسوب سلولی 100 میکروگرم در میلیلیتر از پودر لیزوزیم به همراه مهار کننده پروتئاز [13]PMSF با غلظت 1/0 میلیمولار اضافه و 30 دقیقه در دمای 37 درجه سانتیگراد نگهداری شد. با توجه به بیان برچسب هیستیدینی در ابتدای پروتئین نوترکیب برای خالصسازی پروتئین از ستونهای کروماتوگرافی
NI- NTI[14] و کیت استخراج پروتئین شرکت کیاژن[15] استفاده شد. از روش SDS- PAGE به منظور بررسی تولید و خالصسازی پروتئین نوترکیب تولید شده استفاده شد (10).
.کشت گیاه و سنجش فعالیت زیستی پروتئین نوترکیب تولید شده: بذر گیاه هرز C. arvensisاز شرکت ورتا صنعت اصفهان تهیه شد و در شرایط گلخانهای درون گلدانهای 10 سانتی متر کشت داده شد. گیاه بالغ 8 تا 10 هفتهای به منظور ارزیابی فعالیت زیستی پروتئین نوترکیب تولید شده استفاده شد. به منظور تعیین غلظت پروتئین تولید شده از روش برادفورد استفاده شد. از آلبومین سرم انسانی به منظور رسم منحنی استاندارد و تعیین غلظت پروتئین استفاده شد. پروتئین خالصسازی شده در محلول Tris- HCl با غلظت 1/0 میلیمولار رقیقسازی شد و مقدار 2 میلیلیتر از پروتئین رقیق شده با غلظت نهایی 60 میکروگرم در میلیلیتر در بین ساعتهای 10 تا14 به سطح برگهای گیاه بالغ اسپری شد. از اسپری محلول Tris- HCl با غلظت 1/0 میلیمولار به عنوان شاهد بر سطح گیاه اسپری شد. تمامی سنجشهای گیاهی دو بار و هر بار روی سه گیاه مستقل انجام شد.
.نتایج
.جداسازی ژن nep1 از قارچ Fusarium oxysporum: ژن nep1 قارچی دارای یک اینترون 58 نوکلئوتیدی است که در میان دو اگزون قرار گرفته است. به همین منظور برای جداسازی ژن از واکنش RT- PCR استفاده شد. پس از جداسازی RNA و انجام واکنش RT- PCR با پرایمرهای اختصاصی ژن nep1، یک قطعه حدود 700 نوکلئوتیدی جداسازی شد که در شکل 1 مشاهده میشود. قطعه جداسازی شده پس از خالصسازی تعیین توالی شد که نتایج انطباق توالی به دست آمده با توالی ثبت شده در بانک ژنی[16] 99 درصد هومولوژی بین ژن جداسازی شده با ژن nep1 جداشده از F. oxysporum با شماره دسترسی AF036580 را نشان داد.
شکل1- ژل الکتروفورز آگاروز واکنش جداسازی ژن nep1 با واکنش RT- PCR. ردیف 1 DNA سایز مارکر[17] از شرکت فرمنتاس و ردیف 2 باند به دست آمده از واکنش RT- PCR با طول حدود 700 نوکلئوتید را نشان میدهد.
تولید و خالصسازی پروتئین: به منظور تولید پروتئین نوترکیب و خالصسازی آن از روش SDS- PAGE استفاده شد. در این مرحله به منظور بررسی تولید پروتئین نوترکیب، سوپ سلولی تهیه شده از سلولهای القا شده نوترکیب همراه با سلول (DE3) BL21 E. coli حاوی پلاسمید pET16b، اما بدون ژن nep1 به عنوان شاهد منفی روی SDS- PAGE انتقال داده شد که نتایج به دست آمده در شکل 2 ردیفهای 2 و 3 مشاهده میشود. با توجه به این شکل در ردیف شماره 2 که به عنوان شاهد منفی پروتئینهای سوپ سلولی استفاده شده بیان پروتئین شاخصی در حدود 25 کیلو دالتون مشاهده نمیشود، در مقابل در ردیف 3 بین باندهای 20 تا 27 کیلو دالتون بیان یک پروتئین به صورت شاخص افزایش یافته است. با توجه به اینکه NLPs حدود 22 تا 28 کیلودالتون وزن دارند. این باند مورد نظر احتمالاً مربوط به پروتئین نوترکیب تولید شده است.
شکل 2- تصویر ژل SDS- PAGE مربوط به خالصسازی پروتئین Nep1. ردیف 1: پروتئین سایز مارکر[18] شرکت فرمنتاس،
ردیف2: سوپ لیزشده سلولی از باکتری (DE3) BL21 E. coli حاوی pET16b و بدون ژن nep1 به عنوان شاهد منفی،
ردیف 3: سوپ لیزشده سلولی از باکتری (DE3) BL21 E. coli حاوی پلاسمید نوترکیب pET16b/nep1،
ردیف 4: پروتئین خالصسازی شده با وزن تقریبی 25 کیلو دالتون.
در ردیف چهارم از شکل 2 تصویر پروتئین خالصسازی با نیکل مشاهده میشود. حضور این باند پروتئینی حدود 24 کیلو دالتونی نشان میدهد که احتمالاً پروتئین تولید شده در ردیف 3 در سوپ لیز شده سلولی همان پروتئین نوترکیب Nep1 است.
.بررسی فعالیت زیستی پروتئین تولید شده روی گیاه C. arvensis: به دنبال تولید پروتئین نوترکیب Nep1 و تعیین غلظت آن با روش براد فورد، میزان 2 میلیلیتر از پروتئین با غلظت60 میکروگرم در میلیلیتر بر سطح برگهای گیاه بالغ پیچک صحرایی اسپری شد. نتایج بررسی فعالیت زیستی پروتئین تولید شده در شکل 3 مشاهده میشود. براساس نتایج به دست آمده، پس از اسپری پروتئین به سطح گیاه پس از گذشت 2 روز نشانههای کلروز و زردی و به دنبال آن نکروز بر روی گیاه ظاهر شد و پس از 5 روز نکروز کامل و مرگ گیاه مشاهده شد. در مورد آزمایش شاهد، یک گیاه تنها با بافر و بدون پروتئین نوترکیب به عنوان شاهد منفی تیمار شده بود و یک گیاه دیگر با 2 میلیلیتر از پروتئین با غلظت 60 میکروگرم در میلیلیتر که قبل از تیمار محلول پروتئینی به مدت 15 دقیقه تیمار حرارتی در 100 درجه سانتیگراد انجام شد. در مورد هر دو گیاه شاهد پس از گذشت 5 روز هیچگونه علامتی از نکروز و مرگ گیاه مشاهده نشد.
همانگونه که در شکل 3 مشاهده میشود گیاه تیمار شده با پروتئین نوترکیب Nep1 دچار آسیب جدی شده و تیمار گیاه هرز با این عامل زیستی پس از 5 روز باعث مرگ کامل آن شدهاست.
شکل3- در شکل الف- 1 گیاه شاهد که فقط با بافر اسپری شده است مشاهده میشود. در شکل الف- 2 تصویر گیاه مورد آزمایش دو روز پس از تیمار با پروتئین نوترکیب Nep1 مشاهده میشود. در شکل ب- 1 گیاه شاهد و در شکل ب- 2 گیاه مورد آزمایش در روز پنجم مشاهده میشود. ج- تصویر شروع نکروز در برگ گیاه پیچک صحرایی 24 ساعت پس از اسپری پروتئین نوترکیب Nep1. در شکل د- 1 برگ جدا شده گیاه شاهد پیچک و در شکل د- 2 برگ گیاه تیمار شده با Nep1 نوترکیب در روز چهارم مشاهده میشود. در شکل ﻫ- 1 و ﻫ- 2 گیاه شاهد اسپری شده با پروتیئن Npe1 نوترکیب تقلیب شده با حرارت به ترتیب در روز اول و پنجم مشاهده میشود.
بحث و نتیجه گیری.
پروتئین Nep1 یک پروتئین ترشحی قارچی با وزن حدود 25 کیلودالتون و دارای یک سیگنال نشانه 31 اسیدآمینه در انتهای آمینی و یک اینترون به طول 58 نوکلئوتید است (8 و 11). در این پژوهش، با طراحی پرایمر اختصاصی و انجام واکنش RT-PCR توالی اینترون و سیگنال نشانه از ژن nep1 حذف شد و یک قطعه حدود 700 نوکلئوتیدی مربوط به ORF پروتئین Nep1 قارچی به دست آمد (شکل 1). کلون نهایی ژن جدا شده درE. coli بیانی باعث تولید بسیار زیاد پروتئین نوترکیب Nep1 (حدود 17 میلیگرم در لیتر) شد (شکل 2). در پژوهشهای انجام شده قبلی پروتئین نوترکیب Nep1 در مخمر pastorisPichia به شکل نوترکیب تولید شده بود، ولی به میزان تولید پروتئین اشاره نشده و هدف از تولید پروتئین بررسی فعالیت آن روی سلولهای گیاهی بوده و فعالیت علفکشی آن بررسی نشده بود (12). در این پژوهش، با به کارگیری روش خالصسازی با یونهای نیکل پروتئین نوترکیب به شکل خالص تولید شد (شکل 2). از مزایای این روش خالصسازی میتوان به خالصسازی سریع و پربازده پروتئین نوترکیب اشاره کرد.
استفاده از پروتئین Nep1 به عنوان علفکش زیستی توسط سایر دانشمندان نیز مورد توجه قرار گرفته است و کوششهایی برای استفاده از قارچ مولد و یا پروتئین تولید شده توسط قارچ به عنوان علفکش زیستی انجام شده است (13 و 14). همچنین، در پژوهش دیگر انجام شده آثار علفکشی پروتئین Nep1 روی گیاه خردل وحشی ارزیابی و عنوان شد که میتوان از این علفکش زیستی برای کنترل آن استفاده کرد (15). قارچ F. oxysporumبه تنهایی به عنوان علفکش زیستی علیه برخی از علفها از جمله:
obtusifolia Cassia، occidentalis Cassia و exaltata Sesbania به کار برده شده است. اما نکتهای که این پژوهش را نسبت به سایر پژوهشهای انجام شده برجسته میکند، این است که در این پژوهش از پروتئین نوترکیب تولید شده استفاده شده است که مشکلات استفاده از قارچ طبیعی را از جمله نیازمندی به میزبان اختصاصی، رطوبت بالا برای تندش اسپور قارچ و آلودگی مزارع مجاور با قارچ بیماریزای
F. oxysporumرا ندارد (9 و 18). همچنین، میزان تولید پروتئین نوترکیب در این پژوهش حدود 17 میلیگرم در لیتر بوده است که در مقایسه با پروتئین تولید شده توسط قارچ F. oxysporum بسیار بیشتر است؛ و برای اولین بار در این پژوهش از یک علفکش زیستی برای کنترل گیاه هرز پیچک صحرایی استفاده شده است. همانگونه که اشاره شد برای کنترل C. arvensis در مزارع به طور رایج از سموم شیمیایی نظیر 2,4-D و MCPA استفاده میشود. گزارش شده مصرف این سموم در بعضی از کشورها مانند دانمارک سبب افزایش نرخ سرطان شده است. همچنین، در پژوهشی که توسط سادلورا [xix]و همکاران انجام شده سمیت این آفتکش بر حیوانات نیز گزارش شده است (16). در گزارشی دیگر افزایش خطر این آفتکش بر روی انسان و محیط بیان شده است (17). این علفکشها فرار بوده و انتقال آن پس از مصرف موجب بروز خسارت بر روی مزارع مجاور در گونههای زراعی پهن برگ (به ویژه مزارع چغندرقند، پنبه، کلم، سبزی و محصولات صیفی، باغهای گلابی، تاکستانها و غیره) می شود. MCPA به راحتی توسط گیاهان جذب میشود و مقدار باقیمانده از این سم در محصولات غذایی باعث افزایش نگرانی در مورد سلامت بشر میشود، تا حدی که آژانس بین المللی پژوهش بر روی سرطان، این علفکش را به عنوان یک عامل سرطانزا معرفی کرده است (16). در این پژوهش، برای اولین بار کنترل زیستی C. arvensis به روش زیستی و با پروتئین نوترکیب Nep1 مطالعه شد. نتایج بهدست آمده از این پژوهش نشان میهد که میتوان پروتئین نوترکیب Nep1 را به عنوان یک عامل زیستی توانمند برای کنترل علف هرز پیچک صحرایی استفاده کرد.
[1]- 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid
[2]- 2-methyl-4-chlorophenoxyacetic acid
[3]- Necrosis and ethylene inducing protein1
[4]- Bailey
[5]- University of Tehran Microorganisms Collection (UTMC)
[6]- Czapek-Dox broth
[7]- Heidolph-Germany- Silent crusher S
[8]- High Pure RNA Extraction
[9]- Roche -Germany
[10]- Expand reverse Transcriptase
[11]- E. coli novablue
[12]- Isopropyl-β-D-thiogalactoside
[13]- phenylmethanesulfonyl fluoride or phenylmethylsulfonyl fluoride
[14]- Nickelnitrilotriacetic acid agarose
[15]- Qiagen
[16]- NCBI-GenBank
[17]- DNA Size marker
[18]- Protein size marker