The Role of miRNA408 in Phosphate Deficiency Stress of Lolium perenne: A Three-Year Field Experiment

Year 2020, Volume: 7 Issue: 4, 1043 - 1048, 20.10.2020

Gürkan Demirkol

https://doi.org/10.30910/turkjans.782572

Cited By: 1

Abstract

Phosphate deficiency is a stress factor limiting crop growth and development. Under phosphate limited conditions, crops have developed a variety of molecular strategies. miRNAs (miRs) are characterized as a regulator of main processes such as stress mechanisms in plants by silencing genes. miR408 has role in mediating plant responses to phosphate starvation in limited number of plants. The miRs involved in the phosphate deficiency mechanism in Lolium perenne (perennial ryegrass) remain unelucidated. The aim of this study was to confirm the presence of miR408 expression in perennial ryegrass and control whether it plays an important role to protect against phosphate deficiency stress in field conditions. The sensitivities (hay yield and quality features) of four perennial ryegrass populations against phosphate deficiency stress were determined by three-year field experiment. The results revealed that the declines on hay yield and quality features were less pronounced for P1 and P4 populations compared to others (P2, and P3) against phosphate deficiency stress. Molecular analysis showed that significant up-regulations were observed in the expression level of the miR408 in P1 and P4, while no changes were observed in P2, and P3. The results collectively suggest that miR408 could be responsible for the tolerance in phosphate-limited conditions in perennial ryegrass. This miR could be used for the development of perennial ryegrass plants that are tolerant to phosphate-deficient soils.

Lolium perenne'de Fosfat Eksikliği Stresinde miRNA408’in Rolü: Üç Yıllık Tarla Çalışması

Abstract

Fosfat eksikliği, bitkilerde büyüme ve gelişmeyi sınırlandıran bir stres faktörüdür. Fosfat eksikliği koşullarında bitkiler birtakım moleküler stratejiler geliştirmiştir. miRNA (miR)'lar, genleri susturarak bitkilerdeki stres mekanizmaları gibi ana süreçlerin düzenleyicisi olarak karakterize edilirler. miR408, sınırlı sayıda bitkide fosfat eksikliğine karşı role sahiptir. Bugüne kadar Lolium perenne (çok yıllık çim) bitkisinde fosfat eksikliği mekanizmasında yer alan miR'ler yeterince açıklanmamıştır. Bu çalışmanın amacı, miR408 ekspresyonunun çok yıllık çim bitkisinde varlığını doğrulamak ve tarla koşullarında fosfat eksikliği stresine karşı önemli bir rol oynayıp oynamadığını belirlemektir. Çalışmada altı adet çok yıllık çim populasyonunun fosfat eksikliği stresine karşı duyarlılıkları (kuru ot verimi ve kalite özellikleri) üç yıllık tarla çalışması ile belirlenmiştir. Tarla çalışmalarından elde edilen sonuçlar kuru ot verimi ve kalite özelliklerindeki düşüşlerin, fosfat eksikliği stresine karşı diğerlerine (P2 ve P3,) kıyasla P1 ve P4 populasyonları için daha az olduğunu ortaya koymuştur. Moleküler analiz sonuçları dikkate alındığında, fosfat eksikliği stresi altında P1 ve P4 populasyonlarında miR408'in ekspresyon seviyesinde önemli artış gözlemlenirken, P2 ve P3’te herhangi bir değişiklik tespit edilmemiştir. Elde edilen sonuç miR408'in çok yıllık çim bitkisinde fosfat eksikliği stresine toleranstan sorumlu olabileceğini göstermektedir. Bu miR, fosfat eksikliğine karşı dayanıklı çok yıllık çim bitkisi geliştirme amaçlı kullanım potansiyeline sahiptir.

Keywords

abiotic stress, field study, forage crop, phosphate starvation

References

• Bai, Q., Wang, X., Chen, X., Shi, G., Liu, Z., Guo, C. and Xiao, K. 2018. Wheat miRNA TaemiR408 acts as an essential mediator in plant tolerance to Pi deprivation and salt stress via modulating stress-associated physiological processes. Frontiers in Plant Science, 9: 1-17.
• Demirkol, G. and Yilmaz, N. 2019. Forage pea (Pisum sativum var. arvense L.) landraces reveal morphological and genetic diversities. Turkish Journal of Botany, 43 (3): 331-342.
• Gupta, S., Kumari, M., Kumar, H. and Varadwaj, P. K. 2017. Genome-wide analysis of miRNAs and Tasi-RNAs in Zea mays in response to phosphate deficiency. Functional & Integrative Genomics, 17 (2-3): 335-351.
• Hajyzadeh, M., Turktas, M., Khawar, K. M. and Unver, T. 2015. miR408 overexpression causes increased drought tolerance in chickpea. Gene, 555 (2): 186-193.
• Huang, Y., Zou, Q., Sun, X. H. and Zhao, L. P. 2014. Computational identification of microRNAs and their targets in perennial ryegrass (Lolium perenne). Applied Biochemistry and Biotechnology, 173 (4): 1011-1022.
• Li, Z., Xu, H., Li, Y., Wan, X., Ma, Z., Cao, J., Li, Z., He, F., Wang, Y. and Wan, L. 2018. Analysis of physiological and miRNA responses to Pi deficiency in alfalfa (Medicago sativa L.). Plant Molecular Biology, 96 (4-5): 473-492.
• Liang, G., Ai, Q. and Yu, D. 2015. Uncovering miRNAs involved in crosstalk between nutrient deficiencies in Arabidopsis. Scientific Reports, 5: 1-13.
• Ning, L., Du, W., Song, H., Shao, H., Qi, W., Sheteiwy, M. S. A. and Yu, D. 2019. Identification of responsive miRNAs involved in combination stresses of phosphate starvation and salt stress in soybean root. Environmental and Experimental Botany, 167, 1-16.
• Pei, L., Jin, Z., Li, K., Yin, H., Wang, J. and Yang, A. 2013. Identification and comparative analysis of low phosphate tolerance-associated microRNAs in two maize genotypes. Plant Physiology and Biochemistry, 70: 221-234.
• Shin, H., Shin, H. S., Dewbre, G. R. and Harrison, M. J. 2004. Phosphate transport in Arabidopsis: Pht1; 1 and Pht1; 4 play a major role in phosphate acquisition from both low‐and high‐phosphate environments. The Plant Journal, 39 (4): 629-642.
• Turk, M., Albayrak, S. and Yüksel, O. 2007. Effects of phosphorus fertilisation and harvesting stages on forage yield and quality of narbon vetch. New Zealand Journal of Agricultural Research, 50 (4): 457-462.
• Venkatachalam, P., Jain, A., Sahi, S. and Raghothama, K. 2009. Molecular cloning and characterization of phosphate (Pi) responsive genes in Gulf ryegrass (Lolium multiflorum L.): a Pi hyperaccumulator. Plant Molecular Biology, 69 (1-2): 1-21.
• Zeng, H., Wang, G., Zhang, Y., Hu, X., Pi, E., Zhu, Y., Wang, H. and Du, L. 2016. Genome-wide identification of phosphate-deficiency-responsive genes in soybean roots by high-throughput sequencing. Plant and Soil, 398 (1-2): 207-227.