بهینه‌سازی یک زیست‌حسگر microRNA برای شناسایی بیماری لکه قهوه‌ای گیاه جو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه گیاه‌پزشکی، دانشکده تولید گیاهی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده مهندسی آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

10.22059/ijbse.2026.412146.665641

چکیده

اگرچه ترکیبات microRNA از تنظیم‌کننده‌های کلیدی پاسخ گیاهان به تنش‌های زیستی به شمار می‌آیند، اما اندازه‌گیری دقیق آن‌ها به دلیل غلظت بسیار پایین، چالش‌برانگیز است. هدف از این پژوهش، توسعه و بهینه‌سازی یک زیست‌حسگر الکتروشیمیایی مبتنی بر microRNA و ارزیابی کارایی آن در شناسایی تنش زیستی ناشی از بیماری لکه قهوه‌ای در گیاه جو بود. بدین منظور، یک زیست‌حسگر الکتروشیمیایی بر پایه هیبریداسیون microRNA هدف با پراب الیگونوکلئوتیدی تثبیت‌شده بر سطح الکترود طلا و جذب نانوذرات نقره–پلی‌اتیلن‌ایمین با بار مثبت طراحی شد. برای بهینه‌سازی حجم پراب و جرم نانوذرات، از رگرسیون ماشین بردار پشتیبان استفاده شد. داده‌های آزمایشی شامل ۱۰۰ مشاهده بوده و اعتبارسنجی متقابل پنج‌تایی برای ارزیابی عملکرد مدل به کار رفت. پس از حصول اطمینان از عملکرد مطلوب مدل در پیش‌بینی پاسخ الکتروشیمیایی زیست‌حسگر (میانگین مربعات خطا 0.004 و ضریب تبیین 0.97)، مقادیر بهینه حجم پراب و جرم نانوذرات به‌ترتیب 9.15 میلی‌لیتر و 1.85 میکروگرم توسط مدل توسعه‌یافته تعیین شد. نمودار واسنجی زیست‌حسگر بهینه‌شده نشان‌دهنده محدوده خطی 19-10 تا 11-10 بود و از زیست‌حسگر به دست آمده برای اندازه‌گیری غلظت ترکیبات miRNA168 و miRNA397 که نقش اساسی در پاسخ گیاه در برابر بیماری قارچی لکه قهوه‌ای دارند، بهره گرفته شد. داده‌های زیست‌حسگر حاکی از اختلاف قابل توجه غلظت این ترکیبات بین گیاه سالم و گیاه آلوده بودند که عملکرد آن را به عنوان یک روش مناسب برای شناسایی ظهور بیماری اثبات کرد. نتایج این پژوهش بیانگر پتانسیل قابل توجه زیست‌حسگر پیشنهادی برای شناسایی دقیق تنش‌های زیستی در گیاهان است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimizing a microRNA biosensor for the detection of spot blotch disease in barley plants

نویسندگان [English]

  • Nooshin Derakhshan 1
  • Kamran Rahnama 1
  • Keyvan Asefpour Vakilian 2
1 Department of Plant Protection, Faculty of Plant Production, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
2 Department of Biosystems Engineering, Faculty of Water and Soil Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
چکیده [English]

Although microRNAs are considered key regulators of plant responses to biotic stresses, their accurate measurement is challenging due to their extremely low concentrations. The aim of this study was to develop and optimize a microRNA-based electrochemical biosensor and to evaluate its performance in detecting biotic stress caused by spot blotch disease in barley plants. An electrochemical biosensor was designed based on the hybridization of the target microRNA with an oligonucleotide probe immobilized on a gold electrode surface, followed by the adsorption of positively charged silver–polyethyleneimine nanoparticles. Support vector machine regression was employed to optimize the probe volume and nanoparticle mass. The experimental dataset consisted of 100 observations, and five-fold cross-validation was used to evaluate model performance. After confirming the satisfactory performance of the model in predicting the electrochemical response of the biosensor (mean squared error of 0.004 and coefficient of determination of 0.97), the optimal probe volume and nanoparticle mass were determined by the developed model to be 9.15 mL and 1.85 µg, respectively. The calibration curve of the optimized biosensor exhibited a linear range from 10⁻19 to 10⁻11, and the biosensor was used to measure the concentrations of miRNA168 and miRNA397, which play essential roles in plant responses to spot blotch fungal disease. The biosensor data indicated a significant difference in the concentrations of these microRNAs between healthy and infected plants, confirming its effectiveness for early disease detection. Overall, the results demonstrate the considerable potential of the proposed biosensor for accurate identification of biotic stresses in plants.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biotic stress
  • electrochemical sensor
  • microRNAs
  • support vector machine

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 31 خرداد 1405
  • تاریخ دریافت: 13 اسفند 1404
  • تاریخ بازنگری: 16 خرداد 1405
  • تاریخ پذیرش: 31 خرداد 1405