Sezonska porazdelitev padavin v provinci Guizhou je neenakomerna, z več padavinami spomladi in poleti, vendar so sadike oljne ogrščice jeseni in pozimi dovzetne za stres zaradi suše, kar resno vpliva na pridelek. Gorčica je posebna oljnica, ki jo gojijo predvsem v provinci Guizhou. Ima močno odpornost na sušo in se lahko goji v gorskih območjih. Je bogat vir genov, odpornih na sušo. Odkritje genov za odpornost na sušo je ključnega pomena za izboljšanje sort gorčice. in inovacije v virih zarodne plazme. Družina GRF igra ključno vlogo pri rasti in razvoju rastlin ter odzivu na sušni stres. Trenutno so bili geni GRF najdeni v Arabidopsis 2, rižu (Oryza sativa) 12, ogrščici 13, bombažu (Gossypium hirsutum) 14, pšenici (Triticum). aestivum)15, biserno proso (Setaria italica)16 in Brassica17, vendar ni poročil o genih GRF, odkritih v gorčici. V tej študiji so bili geni gorčice iz družine GRF identificirani na ravni celotnega genoma in analizirane so bile njihove fizikalne in kemijske značilnosti, evolucijska razmerja, homologija, ohranjeni motivi, struktura genov, podvajanja genov, cis-elementi in faza sadike (faza štirih listov). Vzorci izražanja pod sušnim stresom 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 kandidatne gene za vzrejo gorčice, odporne na sušo.
Štiriintrideset genov BjGRF je bilo identificiranih v genomu Brassica juncea z uporabo dveh iskanj HMMER, od katerih vsi vsebujejo domeni QLQ in WRC. Sekvence CDS identificiranih genov BjGRF so predstavljene 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 sega od 261 aa (BjGRF19) do 905 aa (BjGRF28). Izoelektrična točka BjGRF se giblje od 6,19 (BjGRF02) do 9,35 (BjGRF03) s povprečno vrednostjo 8,33, 88,24 % BjGRF pa je bazičnega proteina. 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) sega od -1,07 (BjGRF31) do -0,45 (BjGRF22), imajo vsi hidrofilni proteini BjGRF negativne vrednosti GRAVY, kar je lahko posledica pomanjkanja hidrofobnosti, ki jo povzročajo ostanki. Napoved podcelične lokalizacije je pokazala, da je 31 proteinov, kodiranih z BjGRF, lahko lokaliziranih v jedru, BjGRF04 bi lahko bil lokaliziran v peroksisomih, BjGRF25 bi lahko bil lokaliziran v citoplazmi in BjGRF28 bi lahko bil lokaliziran v kloroplastih (tabela 1), kar kaže, da so lahko BjGRF lokalizirani v jedru in igrajo pomembno regulativno vlogo kot transkripcijski faktor.
Filogenetska analiza družin GRF pri različnih vrstah lahko pomaga preučevati funkcije genov. Zato so bile prenesene polne aminokislinske sekvence 35 GRF ogrščice, 16 repe, 12 riža, 10 prosa in 9 Arabidopsis in konstruirano filogenetsko drevo na podlagi 34 identificiranih genov BjGRF (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 poddružinah: 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 je število genov BjGRFs v različnih poddružinah različno, zato je lahko prišlo do pomnoževanja in izgube gena. Omeniti velja, da v skupini C ni porazdelitve GRF riža in prosa, medtem ko sta v skupini B 2 GRF riža in 1 GRF prosa, večina GRF riža in prosa pa je združenih v eno vejo, kar kaže, da so BjGRF tesno povezani z dvokaličnicami. Med njimi so najbolj poglobljene študije o funkciji GRF pri Arabidopsis thaliana podlaga 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 gorčičnih GRF. Siva črta v ozadju predstavlja sinhroniziran blok v genomu gorčice, rdeča črta predstavlja par segmentiranih ponovitev gena BjGRF;
Ekspresija gena BjGRF pod sušnim stresom v fazi četrtega lista. Podatki qRT-PCR so prikazani v dodatni tabeli S5. Bistvene razlike v podatkih so označene z malimi črkami.
Ker se globalno podnebje še naprej spreminja, je preučevanje, kako se pridelki spopadajo s sušnim stresom in izboljšanje mehanizmov njihove tolerance, postalo vroča raziskovalna tema18. Po suši se spremenijo morfološka struktura, izražanje genov in presnovni procesi rastlin, kar lahko vodi do prenehanja fotosinteze in presnovnih motenj, kar vpliva na pridelek in kakovost pridelkov19,20,21. Ko rastline zaznajo sušne signale, proizvedejo sekundarne prenašalce, kot sta Ca2+ in fosfatidilinozitol, povečajo znotrajcelično koncentracijo kalcijevih ionov in aktivirajo regulativno mrežo poti fosforilacije beljakovin 22, 23. Končni ciljni protein je neposredno vključen v celično obrambo ali uravnava izražanje povezanih stresnih genov prek TF, s čimer se poveča toleranca rastlin na stres 24, 25. Tako imajo TF ključno vlogo pri odzivanju na sušni stres. Glede na zaporedje in lastnosti vezave DNA TF, ki se odzivajo na sušni stres, lahko TF razdelimo v različne družine, kot so GRF, ERF, MYB, WRKY in druge družine26.
Družina genov GRF je vrsta rastlinsko specifičnega TF, ki igra pomembno vlogo v različnih vidikih, kot so rast, razvoj, prenos signala in obrambni odzivi rastlin27. Odkar je bil prvi gen GRF identificiran pri O. sativa28, je bilo vedno več genov GRF identificiranih pri številnih vrstah in pokazalo se je, da vplivajo na rast rastlin, razvoj in odziv na stres8, 29, 30,31,32. Z objavo sekvence genoma Brassica juncea je postala mogoča identifikacija genske družine BjGRF33. V tej študiji je bilo identificiranih 34 genov BjGRF v celotnem genomu gorčice in poimenovanih BjGRF01–BjGRF34 glede na njihov kromosomski položaj. Vse 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, da imajo lahko člani družine BjGRF podobne funkcije. Analiza genske strukture je pokazala, da je 64,7 % genov BjGRF vsebovalo 4 eksone, kar kaže, da je struktura gena BjGRF relativno ohranjena v evoluciji, vendar je število eksonov v genih BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 in BjGRF29 večje. Študije so pokazale, da lahko dodajanje ali brisanje eksonov ali intronov vodi do razlik v strukturi in delovanju genov, s čimer se ustvarijo novi geni34,35,36. Zato špekuliramo, da je bil intron BjGRF med evolucijo izgubljen, kar lahko povzroči spremembe v delovanju genov. V skladu z obstoječimi študijami smo tudi ugotovili, da je bilo 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 glavni dejavnik v genomski in genetski evoluciji37. Povezane študije so pokazale, da podvajanje genov ne samo poveča število genov GRF, ampak služi tudi kot sredstvo za ustvarjanje novih genov, ki pomagajo rastlinam pri prilagajanju na različne neugodne okoljske razmere38. V tej študiji je bilo najdenih skupno 48 podvojenih genskih parov, ki so bili vsi segmentni podvoji, kar kaže, da so segmentna podvajanja glavni mehanizem za povečanje števila genov v tej družini. V literaturi so poročali, da lahko segmentno podvajanje učinkovito spodbuja pomnoževanje članov družine genov GRF pri Arabidopsis in jagodah, pri nobeni od vrst pa niso našli tandemskega podvajanja te genske družine 27, 39. Rezultati te študije so skladni z obstoječimi študijami o Arabidopsis thaliana in družinah jagod, kar kaže, 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 pokazala 48 parov podvojitev segmentov v gorčici. Promocijska regija BjGRF vsebuje cis-delujoče elemente, povezane s svetlobnim odzivom, hormonskim odzivom, odzivom na okoljski stres ter rastjo in razvojem. Ekspresija 34 genov BjGRF je bila odkrita v fazi klica gorčice (korenine, stebla, listi) in vzorec ekspresije 10 genov BjGRF v sušnih razmerah. Ugotovljeno je bilo, da so bili vzorci izražanja genov BjGRF pod sušnim stresom podobni in so lahko podobni. sodelovanje pri regulaciji prisile suše. Geni BjGRF03 in BjGRF32 lahko igrajo pozitivno regulativno vlogo pri sušnem stresu, medtem ko BjGRF06 in BjGRF23 igrata vlogo pri sušnem stresu kot ciljni geni miR396. Na splošno naša študija zagotavlja biološko podlago za prihodnje odkrivanje funkcije gena BjGRF v rastlinah Brassicaceae.
Gorčična semena, uporabljena v tem poskusu, je zagotovil Guizhou Oil Seed Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences. Izberite cela semena in jih posadite v zemljo (substrat: zemlja = 3:1), korenine, stebla in liste pa poberite po fazi štirih listov. Rastline smo obdelali z 20% PEG 6000 za simulacijo suše in liste pobrali po 0, 3, 6, 12 in 24 urah. Vse vzorce rastlin smo takoj zamrznili v tekočem dušiku in nato shranili v zamrzovalnik pri -80 °C za naslednji test.
Vsi podatki, pridobljeni ali analizirani med to študijo, so vključeni v objavljen članek in datoteke z dodatnimi informacijami.
Čas objave: 22. januarja 2025