Sezónna distribúcia zrážok v provincii Guizhou je nerovnomerná, s väčším množstvom zrážok na jar av lete, ale sadenice repky sú na jeseň av zime náchylné na stres zo sucha, čo vážne ovplyvňuje úrodu. Horčica je špeciálna olejnatá plodina pestovaná hlavne v provincii Guizhou. Má silnú toleranciu voči suchu a môže sa pestovať v horských oblastiach. Je bohatým zdrojom génov odolných voči suchu. Objav génov odolných voči suchu má zásadný význam pre zlepšenie odrôd horčice. a inovácie zdrojov zárodočnej plazmy. Rodina GRF hrá rozhodujúcu úlohu v raste a vývoji rastlín a reakcii na stres zo sucha. V súčasnosti boli gény GRF nájdené v Arabidopsis 2, ryži (Oryza sativa) 12, repke 13, bavlne (Gossypium hirsutum) 14, pšenici (Triticum). aestivum)15, perlové proso (Setaria italica)16 a Brassica17, ale neexistujú žiadne správy o génoch GRF detegovaných v horčici. V tejto štúdii boli gény horčice rodiny GRF identifikované na úrovni celého genómu a analyzovali sa ich fyzikálne a chemické vlastnosti, evolučné vzťahy, homológia, konzervované motívy, génová štruktúra, duplikácie génov, cis-elementy a štádium semenáčikov (štádium štyroch listov). Vzorce expresie pri strese zo sucha boli komplexne analyzované, aby poskytli vedecký základ pre ďalšie štúdie o potenciálnej funkcii génov BjGRF v reakcii na sucho a poskytli kandidátske gény na chov horčice tolerantnej voči suchu.
Tridsaťštyri génov BjGRF bolo identifikovaných v genóme Brassica juncea pomocou dvoch vyhľadávaní HMMER, z ktorých všetky obsahujú domény QLQ a WRC. CDS sekvencie identifikovaných génov BjGRF sú uvedené v doplnkovej tabuľke S1. BjGRF01 – BjGRF34 sú pomenované na základe ich umiestnenia na chromozóme. Fyzikálno-chemické vlastnosti tejto rodiny naznačujú, že dĺžka aminokyselín je veľmi variabilná, v rozsahu od 261 aa (BjGRF19) do 905 aa (BjGRF28). Izoelektrický bod BjGRF sa pohybuje od 6,19 (BjGRF02) do 9,35 (BjGRF03) s priemerom 8,33 a 88,24 % BjGRF je základný proteín. Predpokladaný rozsah molekulovej hmotnosti BjGRF je od 29,82 kDa (BjGRF19) do 102,90 kDa (BjGRF28); index nestability proteínov BjGRF sa pohybuje od 51,13 (BjGRF08) do 78,24 (BjGRF19), všetky sú vyššie ako 40, čo naznačuje, že index mastných kyselín sa pohybuje od 43,65 (BjGRF01) do 78,78 (BjGRF22), priemerná hydrofilita (BjGRF22) sa pohybuje od GRAVJ1YF31.77 do -0,45 (BjGRF22), všetky hydrofilné proteíny BjGRF majú negatívne hodnoty GRAVY, čo môže byť spôsobené nedostatočnou hydrofóbnosťou spôsobenou zvyškami. Predpoveď subcelulárnej lokalizácie ukázala, že 31 proteínov kódovaných BjGRF by mohlo byť lokalizovaných v jadre, BjGRF04 by mohol byť lokalizovaný v peroxizómoch, BjGRF25 by mohol byť lokalizovaný v cytoplazme a BjGRF28 by mohol byť lokalizovaný v chloroplastoch (tabuľka 1), čo naznačuje, že BjGRFs môže byť lokalizovaný ako dôležitý faktor transnukleusu a hrať dôležitú úlohu v tomto faktore.
Fylogenetická analýza rodín GRF u rôznych druhov môže pomôcť pri štúdiu génových funkcií. Preto boli stiahnuté kompletné aminokyselinové sekvencie 35 repkových semien, 16 repky, 12 ryže, 10 prosa a 9 Arabidopsis GRF a na základe 34 identifikovaných BjGRF génov bol skonštruovaný fylogenetický strom (obr. 1). Tri podrodiny obsahujú rôzny počet členov; 116 GRF TF je rozdelených do troch rôznych podrodín (skupiny A~C), ktoré obsahujú 59 (50,86 %), 34 (29,31 %) a 23 (19,83) % GRF. Medzi nimi je 34 členov rodiny BjGRF rozptýlených v 3 podrodinách: 13 členov v skupine A (38,24%), 12 členov v skupine B (35,29%) a 9 členov v skupine C (26,47%). V procese polyploidizácie horčice je počet génov BjGRFs v rôznych podrodinách odlišný a mohlo dôjsť k amplifikácii a strate génu. Stojí za zmienku, že v skupine C neexistuje žiadna distribúcia GRF ryže a prosa, zatiaľ čo v skupine B sú 2 GRF ryže a 1 GRF prosa a väčšina GRF ryže a prosa je zoskupená v jednej vetve, čo naznačuje, že BjGRF úzko súvisia s dvojklíčnolistovými. Spomedzi nich najhlbšie štúdie o funkcii GRF v Arabidopsis thaliana poskytujú základ pre funkčné štúdie BjGRF.
Fylogenetický strom horčice vrátane Brassica napus, Brassica napus, ryže, prosa a členov čeľade Arabidopsis thaliana GRF.
Analýza repetitívnych génov v rodine horčičných GRF. Sivá čiara na pozadí predstavuje synchronizovaný blok v genóme horčice, červená čiara predstavuje pár segmentovaných opakovaní génu BjGRF;
Expresia génu BjGRF pri strese zo sucha v štádiu štvrtého listu. Údaje qRT-PCR sú uvedené v doplnkovej tabuľke S5. Významné rozdiely v údajoch sú označené malými písmenami.
Keďže sa globálna klíma neustále mení, študovať, ako sa plodiny vyrovnávajú so stresom zo sucha a zlepšovať ich mechanizmy tolerancie, sa stalo horúcou témou výskumu18. Po suchu sa zmení morfologická štruktúra, génová expresia a metabolické procesy rastlín, čo môže viesť k zastaveniu fotosyntézy a metabolickej poruche, čo ovplyvní úrodu a kvalitu plodín19,20,21. Keď rastliny cítia signály sucha, produkujú druhých poslov, ako sú Ca2+ a fosfatidylinozitol, zvyšujú intracelulárnu koncentráciu vápenatých iónov a aktivujú regulačnú sieť dráhy proteínovej fosforylácie22,23. Konečný cieľový proteín sa priamo podieľa na bunkovej obrane alebo reguluje expresiu príbuzných stresových génov prostredníctvom TF, čím zvyšuje toleranciu rastlín voči stresu24,25. TF teda zohrávajú kľúčovú úlohu pri reakcii na stres zo sucha. Podľa sekvencie a väzbových vlastností DNA TF reagujúcich na suchý stres možno TF rozdeliť do rôznych rodín, ako sú GRF, ERF, MYB, WRKY a ďalšie rodiny26.
Rodina génov GRF je typ rastlinného špecifického TF, ktorý hrá dôležitú úlohu v rôznych aspektoch, ako je rast, vývoj, signálna transdukcia a obranné reakcie rastlín27. Odkedy bol prvý gén GRF identifikovaný v O. sativa28, stále viac génov GRF bolo identifikovaných v mnohých druhoch a ukázalo sa, že ovplyvňujú rast rastlín, vývoj a reakciu na stres8, 29, 30,31,32. Zverejnením sekvencie genómu Brassica juncea sa stala možná identifikácia génovej rodiny BjGRF33. V tejto štúdii bolo identifikovaných 34 génov BjGRF v celom genóme horčice a pomenované BjGRF01 – BjGRF34 na základe ich chromozomálnej polohy. Všetky obsahujú vysoko konzervované domény QLQ a WRC. Analýza fyzikálno-chemických vlastností ukázala, že rozdiely v číslach aminokyselín a molekulových hmotnostiach proteínov BjGRF (okrem BjGRF28) neboli významné, čo naznačuje, že členovia rodiny BjGRF môžu mať podobné funkcie. Analýza génovej štruktúry ukázala, že 64,7 % génov BjGRF obsahovalo 4 exóny, čo naznačuje, že štruktúra génu BjGRF je v evolúcii relatívne zachovaná, ale počet exónov v génoch BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 a BjGRF29 je väčší. Štúdie ukázali, že pridanie alebo delécia exónov alebo intrónov môže viesť k rozdielom v štruktúre a funkcii génov, čím sa vytvárajú nové gény34,35,36. Preto predpokladáme, že intrón BjGRF sa počas evolúcie stratil, čo môže spôsobiť zmeny vo funkcii génu. V súlade s existujúcimi štúdiami sme tiež zistili, že počet intrónov bol spojený s génovou expresiou. Keď je počet intrónov v géne veľký, gén môže rýchlo reagovať na rôzne nepriaznivé faktory.
Génová duplikácia je hlavným faktorom v genómovej a genetickej evolúcii37. Súvisiace štúdie ukázali, že duplikácia génov nielen zvyšuje počet génov GRF, ale slúži aj ako prostriedok na generovanie nových génov, ktoré pomáhajú rastlinám prispôsobiť sa rôznym nepriaznivým podmienkam prostredia38. V tejto štúdii sa našlo celkom 48 duplicitných génových párov, z ktorých všetky boli segmentové duplikácie, čo naznačuje, že segmentové duplikácie sú hlavným mechanizmom na zvýšenie počtu génov v tejto rodine. V literatúre sa uvádza, že segmentálna duplikácia môže účinne podporovať amplifikáciu členov génovej rodiny GRF v Arabidopsis a jahodách a žiadna tandemová duplikácia tejto génovej rodiny sa nenašla u žiadneho z druhov27, 39. Výsledky tejto štúdie sú v súlade s existujúcimi štúdiami o Arabidopsis thaliana a jahodových rodinách, čo naznačuje, že rodina GRF môže zvýšiť počet génov a generovať nové gény prostredníctvom segmentovej duplikácie v rôznych rastlinách.
V tejto štúdii bolo v horčici identifikovaných celkom 34 génov BjGRF, ktoré boli rozdelené do 3 podrodín. Tieto gény vykazovali podobné konzervované motívy a génové štruktúry. Analýza kolinearity odhalila 48 párov duplikácií segmentov v horčici. Oblasť promótora BjGRF obsahuje cis-pôsobiace prvky spojené s reakciou na svetlo, hormonálnou reakciou, reakciou na environmentálny stres a rastom a vývojom. Expresia 34 génov BjGRF bola detegovaná v štádiu sadeníc horčice (korene, stonky, listy) a vzor expresie 10 génov BjGRF v podmienkach sucha. Zistilo sa, že vzory expresie génov BjGRF pri strese zo sucha boli podobné a môžu byť podobné. zapojenie sa do regulácie sucha. Gény BjGRF03 a BjGRF32 môžu hrať pozitívne regulačné úlohy pri strese zo sucha, zatiaľ čo BjGRF06 a BjGRF23 zohrávajú úlohu pri strese zo sucha ako cieľové gény miR396. Celkovo naša štúdia poskytuje biologický základ pre budúci objav funkcie génu BjGRF v rastlinách Brassicaceae.
Horčičné semienka použité v tomto experimente poskytla Guizhou Oil Seed Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences. Vyberte celé semená a zasaďte ich do pôdy (substrát: pôda = 3:1) a po štádiu štyroch listov zozbierajte korene, stonky a listy. Rastliny sa ošetrili 20 % PEG 6000, aby sa simulovalo sucho, a listy sa zbierali po 0, 3, 6, 12 a 24 hodinách. Všetky vzorky rastlín boli okamžite zmrazené v tekutom dusíku a potom uložené v mrazničke -80 °C na ďalší test.
Všetky údaje získané alebo analyzované počas tejto štúdie sú zahrnuté v publikovanom článku a doplnkových informačných súboroch.
Čas odoslania: 22. januára 2025