Sezonska porazdelitev padavin v provinci Guizhou je neenakomerna, z več padavinami spomladi in poleti, vendar so sadike oljne repice jeseni in pozimi dovzetne za stres zaradi suše, kar resno vpliva na pridelek. Gorčica je posebna oljnica, ki se goji predvsem v provinci Guizhou. Ima močno odpornost na sušo in jo je mogoče gojiti v gorskih območjih. Je bogat vir genov, odpornih proti suši. Odkritje genov, odpornih proti suši, je ključnega pomena za izboljšanje sort gorčice in inovacije na področju virov zarodne plazme. Družina GRF igra ključno vlogo pri rasti in razvoju rastlin ter odzivu na stres zaradi suše. Trenutno so gene GRF našli v Arabidopsis 2, rižu (Oryza sativa) 12, oljni repici 13, bombažu (Gossypium hirsutum) 14, pšenici (Triticum aestivum) 15, bisernem prosu (Setaria italica) 16 in Brassica 17, vendar ni poročil o genih GRF, odkritih v gorčici. V tej študiji so bili geni družine GRF gorčice identificirani na ravni celotnega genoma ter analizirane njihove fizikalne in kemijske značilnosti, evolucijski odnosi, homologija, ohranjeni motivi, genska struktura, podvajanje genov, cis-elementi in faza sadik (faza štirih listov). Vzorci izražanja pod stresom zaradi suše so bili celovito analizirani, da bi zagotovili znanstveno podlago za nadaljnje študije o potencialni funkciji genov BjGRF pri odzivu na sušo in da bi zagotovili kandidatske gene za vzrejo gorčice, odporne na sušo.
V genomu Brassica juncea je bilo z dvema iskanjema HMMER identificiranih štiriintrideset genov BjGRF, ki vsa vsebujejo domeni QLQ in WRC. Zaporedja CDS identificiranih genov BjGRF so predstavljena v dodatni tabeli S1. BjGRF01–BjGRF34 so poimenovani glede na njihovo lokacijo na kromosomu. Fizikalno-kemijske lastnosti te družine kažejo, da je dolžina aminokislin zelo spremenljiva in se giblje od 261 aa (BjGRF19) do 905 aa (BjGRF28). Izoelektrična točka BjGRF se giblje od 6,19 (BjGRF02) do 9,35 (BjGRF03) s povprečjem 8,33, 88,24 % BjGRF pa je bazičnih beljakovin. Predvideno območje molekulske mase BjGRF je od 29,82 kDa (BjGRF19) do 102,90 kDa (BjGRF28); Indeks nestabilnosti proteinov BjGRF se giblje od 51,13 (BjGRF08) do 78,24 (BjGRF19), vsi so večji od 40, kar kaže, da se indeks maščobnih kislin giblje od 43,65 (BjGRF01) do 78,78 (BjGRF22), povprečna hidrofilnost (GRAVY) se giblje od -1,07 (BjGRF31) do -0,45 (BjGRF22), vsi hidrofilni proteini BjGRF pa imajo negativne vrednosti GRAVY, kar je lahko posledica pomanjkanja hidrofobnosti, ki jo povzročajo ostanki. Napoved subcelične lokalizacije je pokazala, da je 31 proteinov, kodiranih z BjGRF, lokaliziranih v jedru, BjGRF04 v peroksisomih, BjGRF25 v citoplazmi in BjGRF28 v kloroplastih (tabela 1), kar kaže, da so BjGRF lahko lokalizirani v jedru in igrajo pomembno regulatorno vlogo kot transkripcijski faktor.
Filogenetska analiza družin GRF pri različnih vrstah lahko pomaga pri preučevanju genskih funkcij. Zato so bila prenesena polna aminokislinska zaporedja 35 GRF oljne repice, 16 repe, 12 riža, 10 prosa in 9 Arabidopsis ter na podlagi 34 identificiranih genov BjGRF zgrajeno filogenetsko drevo (slika 1). Tri poddružine vsebujejo različno število članov; 116 GRF TF je razdeljenih v tri različne poddružine (skupine A~C), ki vsebujejo 59 (50,86 %), 34 (29,31 %) oziroma 23 (19,83) % GRF. Med njimi je 34 članov družine BjGRF razpršenih v 3 poddružine: 13 članov v skupini A (38,24 %), 12 članov v skupini B (35,29 %) in 9 članov v skupini C (26,47 %). V procesu poliploidizacije gorčice se število genov BjGRF v različnih poddružinah razlikuje, zato je lahko prišlo do pomnoževanja in izgube genov. Omeniti velja, da v skupini C ni porazdelitve riževih in prosenih GRF, medtem ko sta v skupini B 2 riževa GRF in 1 proseni GRF, večina riževih in prosenih GRF pa je združenih v eno vejo, kar kaže na to, da so BjGRF tesno povezani z dvokaličnicami. Med njimi najbolj poglobljene študije o delovanju GRF pri Arabidopsis thaliana zagotavljajo osnovo za funkcionalne študije BjGRF.
Filogenetsko drevo gorčice, vključno z Brassica napus, Brassica napus, rižem, prosom in člani družine Arabidopsis thaliana GRF.
Analiza ponavljajočih se genov v družini GRF gorčice. Siva črta v ozadju predstavlja sinhroniziran blok v genomu gorčice, rdeča črta pa par segmentiranih ponovitev gena BjGRF;
Ekspresija gena BjGRF pod stresom zaradi suše v fazi četrtega lista. Podatki qRT-PCR so prikazani v dodatni tabeli S5. Pomembne razlike v podatkih so označene z malimi črkami.
Ker se globalno podnebje še naprej spreminja, je preučevanje, kako se pridelki spopadajo s stresom zaradi suše in izboljšanje njihovih mehanizmov tolerance, postalo vroča raziskovalna tema18. Po suši se spremenijo morfološka struktura, izražanje genov in presnovni procesi rastlin, kar lahko privede do prenehanja fotosinteze in presnovnih motenj, kar vpliva na pridelek in kakovost pridelkov19,20,21. Ko rastline zaznajo signale suše, proizvajajo sekundarne prenašalce, kot sta Ca2+ in fosfatidilinozitol, povečajo znotrajcelično koncentracijo kalcijevih ionov in aktivirajo regulatorno mrežo poti fosforilacije beljakovin22,23. Končni ciljni protein je neposredno vključen v celično obrambo ali uravnava izražanje sorodnih stresnih genov prek transkripcijskih faktorjev (TF), kar povečuje toleranco rastlin na stres24,25. Tako imajo TF ključno vlogo pri odzivanju na stres zaradi suše. Glede na zaporedje in lastnosti vezave DNK TF, ki se odzivajo na stres zaradi suše, lahko TF razdelimo v različne družine, kot so GRF, ERF, MYB, WRKY in druge družine26.
Družina genov GRF je vrsta rastlinsko specifičnega faktorja rasti, ki igra pomembno vlogo v različnih vidikih, kot so rast, razvoj, prenos signalov in obrambni odzivi rastlin27. Odkar je bil prvi gen GRF identificiran pri O. sativa28, je bilo pri mnogih vrstah identificiranih vedno več genov GRF, za katere je bilo dokazano, da vplivajo na rast, razvoj in odziv rastlin na stres8, 29, 30, 31, 32. Z objavo zaporedja genoma Brassica juncea je postala mogoča identifikacija družine genov BjGRF33. V tej študiji je bilo v celotnem genomu gorčice identificiranih 34 genov BjGRF, ki so bili na podlagi njihovega kromosomskega položaja poimenovani BjGRF01–BjGRF34. Vsi vsebujejo visoko ohranjene domene QLQ in WRC. Analiza fizikalno-kemijskih lastnosti je pokazala, da razlike v številu aminokislin in molekulskih masah proteinov BjGRF (razen BjGRF28) niso bile pomembne, kar kaže na to, da imajo člani družine BjGRF lahko podobne funkcije. Analiza genske strukture je pokazala, da 64,7 % genov BjGRF vsebuje 4 eksone, kar kaže na to, da je struktura gena BjGRF v evoluciji relativno ohranjena, vendar je število eksonov v genih BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 in BjGRF29 večje. Študije so pokazale, da lahko dodajanje ali brisanje eksonov ali intronov povzroči razlike v strukturi in delovanju genov, s čimer nastanejo novi geni34,35,36. Zato domnevamo, da se je intron BjGRF med evolucijo izgubil, kar lahko povzroči spremembe v delovanju genov. V skladu z obstoječimi študijami smo ugotovili tudi, da je število intronov povezano z izražanjem genov. Ko je število intronov v genu veliko, se lahko gen hitro odzove na različne neugodne dejavnike.
Podvajanje genov je pomemben dejavnik v genomski in genetski evoluciji37. Sorodne študije so pokazale, da podvajanje genov ne le poveča število genov GRF, temveč služi tudi kot sredstvo za ustvarjanje novih genov, ki pomagajo rastlinam pri prilagajanju različnim neugodnim okoljskim razmeram38. V tej študiji je bilo najdenih skupno 48 podvojenih parov genov, vsi pa so bili segmentni podvajanji, kar kaže, da so segmentni podvajanji glavni mehanizem za povečanje števila genov v tej družini. V literaturi je bilo poročano, da lahko segmentno podvajanje učinkovito spodbuja amplifikacijo članov družine genov GRF pri Arabidopsis in jagodah, pri nobeni od vrst pa ni bilo najdenega tandemskega podvajanja te družine genov27,39. Rezultati te študije so skladni z obstoječimi študijami o družinah Arabidopsis thaliana in jagodah, kar kaže na to, da lahko družina GRF poveča število genov in ustvari nove gene s segmentnim podvajanjem v različnih rastlinah.
V tej študiji je bilo v gorčici identificiranih skupno 34 genov BjGRF, ki so bili razdeljeni v 3 poddružine. Ti geni so pokazali podobne ohranjene motive in genske strukture. Analiza kolinearnosti je razkrila 48 parov podvajanj segmentov v gorčici. Promotorska regija BjGRF vsebuje cis-delujoče elemente, povezane z odzivom na svetlobo, hormonskim odzivom, odzivom na okoljski stres ter rastjo in razvojem. V fazi gorčične sadike (korenine, stebla, listi) je bila zaznana ekspresija 34 genov BjGRF, vzorec ekspresije 10 genov BjGRF pa je bil zaznan v sušnih pogojih. Ugotovljeno je bilo, da so vzorci ekspresije genov BjGRF v sušnih pogojih podobni in so lahko podobni. Geni BjGRF03 in BjGRF32 imajo lahko pozitivno regulatorno vlogo pri sušnem stresu, medtem ko BjGRF06 in BjGRF23 igrata vlogo pri sušnem stresu kot ciljna gena miR396. Na splošno naša študija zagotavlja biološko osnovo za prihodnje odkrivanje delovanja gena BjGRF pri rastlinah Brassicaceae.
Gorčična semena, uporabljena v tem poskusu, je zagotovil Raziskovalni inštitut za oljna semena Guizhou, Akademije kmetijskih znanosti Guizhou. Izberite cela semena in jih posadite v zemljo (substrat:zemlja = 3:1), korenine, stebla in liste pa zberite po fazi štirih listov. Rastline so bile obdelane z 20 % PEG 6000, da bi simulirali sušo, liste pa so zbrali po 0, 3, 6, 12 in 24 urah. Vse vzorce rastlin so takoj zamrznili v tekočem dušiku in nato shranili v zamrzovalniku pri -80 °C za naslednji test.
Vsi podatki, pridobljeni ali analizirani med to študijo, so vključeni v objavljeni članek in dodatne informativne datoteke.
Čas objave: 22. januar 2025