Date of Award

5-2025

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Cellular and Molecular Biology

Department

Biology

First Advisor

Khaled Amiri

Second Advisor

Dr. Ling Li

Abstract

Abiotic stress is a major challenge for agricultural productivity. Salinity stress is a vital environmental constraint that significantly limits plant growth and reduces crop yield worldwide. Halophytes, such as Avicennia marina, offer unique opportunities to dissect adaptive mechanisms underlying salt tolerance. This study focuses on the structural and functional characterization of the Salt Overly Sensitive (SOS) pathway genes (SOS1, SOS2, and SOS3) from A. marina. Full-length cDNAs of AmSOS1, AmSOS2, and AmSOS3 were cloned and characterized. The sequence analysis of these genes compared to the respective orthologs revealed high similarities and conservation of all the important domains. For AmSOS1 and AmSOS3, one isoform was identified. However, for AmSOS2, two isoforms were identified: a canonical isoform, AmSOS2-A, and a short isoform, AmSOS2-B. These two distinct isoforms were identified as a result of alternative splicing. Furthermore, structural modelling of these proteins based on a close ortholog illustrated the folding of each protein and highlighted the similarities/differences to previous orthologs. Functional analysis demonstrated that AmSOS1, AmSOS2, and AmSOS3 were able to complement the respective mutations in Arabidopsis thaliana, restoring normal salt tolerance. The splice variant, isoform AmSOS2-B showed the ability to activate the SOS pathway in the sos3-1 mutant background but not in sos2-1, indicating partial independence and functional plasticity of this variant. Protein–protein interaction studies confirmed the physical association between both SOS2 isoforms and the C-terminal domain of AmSOS1. Moreover, overexpression of AmSOS1, AmSOS2, and AmSOS3 in wild-type A. thaliana conferred enhanced salt tolerance, reduced oxidative damage, and improved physiological responses. In addition, AmSOS1 enhanced salt stress tolerance in transgenic tomato plants, which had better growth and higher yield compared to wild-type tomato. Collectively, these results confirm that the A. marina SOS genes are functional orthologs. Their ability to enhance salt stress tolerance in Arabidopsis thaliana and tomato plants underscores their value for the development of salt-tolerant crop varieties.

Arabic Abstract


التحليل التركيبي والوظيفي لجينات نظام الإشارة الملحي في نبات القرم المحلي: تحليل لآليات تحمل الإجهاد الملحي

تعد الضغوطات غير الحيوية من أبرز التحديات التي تواجه الإنتاج الزراعي، ويُعتبر الإجهاد الملحي من أهم العوامل البيئية التي تحد بشكل كبير من نمو النباتات وتقلل من إنتاجية المحاصيل على مستوى العالم. وتعد النباتات الملحية نموذجاً لدراسة الآليات التي تستخدمها النباتات للتكيف مع الضغوط المناخية. يركز هذا البحث على دراسة نظام الإشارة الملحي من نبات القرم المحلي والذي يتكون من ثلاث جينات أساسية ومهمة لتحمل الملوحة. دراسة التسلسل الجيني للجينات التي تم استخراجها من نبات القرم المحلي بينت أنها مشابهة للجينات التي تم دراستها من قبل في نباتات أخرى وأن درجة التشابه كبير حيث يؤكد أنه تم استنساخ الجينات الصحيحة. كذلك التحليل البنيوي لهذه الجينات أكد أنها جينات لها نفس التكوين والتركيب لنفس الجينات التي تم دراستها من قبل في نباتات أخرى، كما أنه تم اكتشاف نسخ جديدة ذات خصائص مميزة للتأكد من وظيفة هذه الجينات المستخرجة من نبات القرم المحلي. تم استنساخ الجينات وإدخالها في نبات نموذجي لا يحتوي على هذه الجينات ولا يستطيع تحمل حتى الملوحة المنخفضة وذلك من أجل دراسة نشاطها وفعاليتها. أكدت نتائج الدراسة أن جميع الجينات المستخرجة من القرم فعالة ونشطة حيث أنها ساعدت النبات النموذجي لاسترداد القدرة على تحمل الملوحة. كما تم إدخال نفس الجينات في نبات نموذجي طبيعي وتعريضه لملوحة أعلى مما يتحمل في الحالة الطبيعية. أظهرت النتائج فعالية الجينات المستخرجة وقدرتها على زيادة تحمل الملوحة في النبات النموذجي. بالإضافة لذلك، تم إدخال أحد الجينات في نبات الطماطم وتعريض نبات الطماطم المعدل وراثياً للملوحة لفترة طويلة ودراسة تأثير هذا الجين على تحمل الملوحة. أظهرت النتائج تحمل نبات الطماطم المعدل وراثياً للملوحة أكثر من غير المعدل، حيث أنه أظهر نمو أفضل ومحصول أكثر. تعزز هذه الدراسة ونتائجها فهم الآليات التي تستخدمها النباتات الملحية والتي تمكنها من تحمل ملوحة عالية. إن فهم هذه الآليات والتعرف عليها يعزز القاعدة العلمية الأساسية التي يمكن استخدامها لتحسين جودة المحاصيل الزراعية والمساهمة في الأمن الغذائي.

Download

Share

COinS