Research Article

Evaluation of expression changes, proteins interaction network, and microRNAs targeting catalase and superoxide dismutase genes under cold stress in rapeseed (Brassica napus L.)

Évaluation des changements d’expression, du réseau d’interaction des protéines et des microARN ciblant les gènes de la catalase et de la superoxyde dismutase en cas de stress lié au froid chez le colza (Brassica napus L.)

Department of Plant Biotechnology, Faculty of Agriculture, University of Guilan, Rasht, Iran

^* Correspondence: mahdi.taghvaei@gmail.com

Received: 30 October 2020
Accepted: 29 November 2021

Abstract

Rapeseed is the third-largest source of plant oil and one of the essential oil plants worldwide. Cold stress is one of the critical factors that affect plant yield. Therefore, improving cold stress tolerance is necessary for yield increase. The present study investigated BnCAT1 and BnCSD1 genes’ expression behavior in a tolerant and sensitive cultivar under cold stress (4 °C). Besides, protein-protein interaction networks of CATs and CSDs enzymes, and their association with other antioxidant enzymes were analyzed. Moreover, the microRNAs targeting BnCAT1 and BnCSD1 genes were predicted. This study indicated many direct and indirect interactions and the association between the components of the plant antioxidant system. However, not only did the CATs and CSDs enzymes have a relationship with each other, but they also interacted directly with ascorbate peroxidase and glutathione reductase enzymes. Also, 23 and 35 effective microRNAs were predicted for BnCAT1 and BnCSD1 genes, respectively. The gene expression results indicated an elevated expression of BnCAT1 and BnCSD1 in both tolerant and sensitive cultivars. However, this increase was more noticeable in the tolerant cultivar. Thus, the BnCSD1 gene had the highest expression in the early hour of cold stress, especially in the 12th h, and the BnCAT1 gene showed the highest expression in the 48th h. This result may indicate a functional relationship between these enzymes.

Résumé

Le colza représente la troisième source d’huile végétale et un oléoprotagineux essentiel dans le monde. Le stress lié au froid est l’un des facteurs critiques qui affectent le rendement des plantes. Par conséquent, l’amélioration de la tolérance au stress froid s’avère nécessaire pour augmenter le rendement. La présente étude a examiné la variation de l’expression des gènes BnCAT1 et BnCSD1 chez un cultivar tolérant et un autre sensible au stress lié au froid (4 °C). En outre, les réseaux d’interaction protéine-protéine d’enzymes (catalase CAT et superoxide dismutase CSD), et leur association avec d’autres enzymes antioxydantes ont été analysés. De plus, les microARNs ciblant les gènes BnCAT1 et BnCSD1 ont été identifiés. Cette étude a souligné de nombreuses interactions directes et indirectes et l’association entre les composants du système antioxydant des plantes. Non seulement les enzymes CATs et CDSs étaient liées entre elles, mais elles interagissaient également directement avec l’ascorbate peroxydase et la glutathion réductase. De plus, respectivement 23 et 35 microARN étaient associés à une modification de l’expression des gènes BnCAT1 et BnCSD1. Les résultats de l’expression génétique ont indiqué une expression élevée de BnCAT1 et BnCSD1 chez les cultivars tolérants et sensibles. Cependant, cette augmentation était plus marquée chez le cultivar tolérant. Ainsi, le gène BnCSD1 avait l’expression la plus élevée dans les premières heures d’exposition au froid, en particulier à la 12^e h, tandis que le gène BnCAT1 a montré l’expression la plus élevée à la 48^e h. Ce résultat peut indiquer une relation fonctionnelle entre ces enzymes.