Сезонний розподіл опадів у провінції Гуйчжоу є нерівномірним, з більшою кількістю опадів навесні та влітку, але проростки ріпаку чутливі до посухового стресу восени та взимку, що серйозно впливає на врожайність. Гірчиця - це особлива олійна культура, яка в основному вирощується в провінції Гуйчжоу. Має сильну посухостійкість і може вирощуватися в гірській місцевості. Це багатий ресурс генів посухостійкості. Відкриття генів посухостійкості має критичне значення для вдосконалення сортів гірчиці. та інновації в ресурсах зародкової плазми. Сімейство GRF відіграє вирішальну роль у рості та розвитку рослин, а також у відповіді на стрес від посухи. На даний момент гени GRF виявлені у Arabidopsis 2, рису (Oryza sativa) 12, ріпаку 13, бавовнику (Gossypium hirsutum) 14, пшениці (Triticum). aestivum)15, просо перлове (Setaria italica)16 і Brassica17, але немає повідомлень про виявлення генів GRF в гірчиці. У цьому дослідженні гени сімейства GRF гірчиці були ідентифіковані на загальногеномному рівні та проаналізовані їхні фізичні та хімічні характеристики, еволюційні зв’язки, гомологія, консервативні мотиви, структура гена, дублювання генів, цис-елементи та стадія розсади (стадія чотирьох листків). Моделі експресії під час посухового стресу були всебічно проаналізовані, щоб забезпечити наукову основу для подальших досліджень потенційної функції генів BjGRF у реакції на посуху та отримати гени-кандидати для розведення посухостійкої гірчиці.
Тридцять чотири гени BjGRF були ідентифіковані в геномі Brassica juncea за допомогою двох пошуків HMMER, кожен з яких містить домени QLQ і WRC. Послідовності CDS ідентифікованих генів BjGRF представлені в додатковій таблиці S1. BjGRF01–BjGRF34 називаються на основі їх розташування в хромосомі. Фізико-хімічні властивості цього сімейства вказують на те, що довжина амінокислоти дуже варіабельна, коливається від 261 амінокислоти (BjGRF19) до 905 амінокислот (BjGRF28). Ізоелектрична точка BjGRF коливається від 6,19 (BjGRF02) до 9,35 (BjGRF03) із середнім значенням 8,33, і 88,24% BjGRF є основним білком. Прогнозований діапазон молекулярної маси BjGRF становить від 29,82 кДа (BjGRF19) до 102,90 кДа (BjGRF28); індекс нестабільності білків BjGRF коливається від 51,13 (BjGRF08) до 78,24 (BjGRF19), усі вони перевищують 40, що вказує на те, що індекс жирних кислот коливається від 43,65 (BjGRF01) до 78,78 (BjGRF22), середня гідрофільність (GRAVY) коливається від Від -1,07 (BjGRF31) до -0,45 (BjGRF22), усі гідрофільні білки BjGRF мають негативні значення GRAVY, що може бути наслідком відсутності гідрофобності, викликаної залишками. Прогнозування субклітинної локалізації показало, що 31 білок, кодований BjGRF, може бути локалізований у ядрі, BjGRF04 може бути локалізований у пероксисомах, BjGRF25 може бути локалізований у цитоплазмі, а BjGRF28 може бути локалізований у хлоропластах (таблиця 1), що вказує на те, що BjGRFs може бути локалізований у ядрі та грати важливу регуляторну роль як фактора транскрипції.
Філогенетичний аналіз родин GRF у різних видів може допомогти вивчити функції генів. Таким чином, повнорозмірні амінокислотні послідовності 35 GRF ріпаку, 16 ріпи, 12 рису, 10 проса та 9 Arabidopsis були завантажені, і філогенетичне дерево було побудовано на основі 34 ідентифікованих генів BjGRF (рис. 1). Три підродини містять різну кількість членів; 116 GRF TF поділяються на три різні підродини (групи A~C), що містять 59 (50,86%), 34 (29,31%) і 23 (19,83)% GRF відповідно. Серед них 34 члени родини BjGRF розкидані по 3 підродинах: 13 членів у групі A (38,24%), 12 членів у групі B (35,29%) і 9 членів у групі C (26,47%). У процесі поліплоїдизації гірчиці кількість генів BjGRFs у різних підродинах різна, і могла відбутися ампліфікація та втрата генів. Варто зазначити, що в групі C немає розподілу GRF рису та проса, тоді як у групі B є 2 GRF рису та 1 GRF проса, і більшість GRF рису та проса згруповані в одній гілці, що вказує на те, що BjGRF тісно пов’язані з дводольними. Серед них найбільш поглиблені дослідження функції GRF у Arabidopsis thaliana забезпечують основу для функціональних досліджень BjGRF.
Філогенетичне дерево гірчиці, включаючи Brassica napus, Brassica napus, рис, просо та представників родини Arabidopsis thaliana GRF.
Аналіз повторюваних генів у сімействі mustard GRF. Сіра лінія на задньому плані являє собою синхронізований блок у геномі гірчиці, червона лінія являє собою пару сегментованих повторів гена BjGRF;
Експресія гена BjGRF під час посухового стресу на стадії четвертого листка. Дані qRT-PCR наведено в додатковій таблиці S5. Значні відмінності в даних позначаються малими літерами.
Оскільки глобальний клімат продовжує змінюватися, вивчення того, як сільськогосподарські культури справляються зі стресом від посухи та покращення їх механізмів толерантності, стало гарячою темою досліджень18. Після посухи зміниться морфологічна структура, експресія генів та метаболічні процеси рослин, що може призвести до припинення фотосинтезу та метаболічних порушень, впливаючи на врожайність та якість культур19,20,21. Коли рослини сприймають сигнали посухи, вони виробляють вторинні месенджери, такі як Ca2+ і фосфатидилінозит, збільшують внутрішньоклітинну концентрацію іонів кальцію та активують регуляторну мережу шляху фосфорилювання білків 22, 23. Кінцевий цільовий білок безпосередньо бере участь у клітинному захисті або регулює експресію відповідних генів стресу через TF, підвищуючи стійкість рослин до стресу 24, 25. Таким чином, ТФ відіграють вирішальну роль у відповіді на стрес від посухи. Відповідно до послідовності та властивостей зв’язування ДНК ТФ, що реагують на стрес від посухи, ТФ можна розділити на різні родини, такі як GRF, ERF, MYB, WRKY та інші родини26.
Сімейство генів GRF є типом специфічного для рослин ТФ, який відіграє важливу роль у різних аспектах, таких як ріст, розвиток, передача сигналу та захисні реакції рослин27. Відтоді як перший ген GRF було ідентифіковано в O. sativa28, все більше і більше генів GRF було ідентифіковано у багатьох видів і показано, що вони впливають на ріст, розвиток рослин і реакцію на стрес8, 29, 30,31,32. З публікацією послідовності геному Brassica juncea стала можливою ідентифікація родини генів BjGRF33. У цьому дослідженні 34 гени BjGRF були ідентифіковані у всьому геномі гірчиці та названі BjGRF01–BjGRF34 на основі їхнього хромосомного положення. Усі вони містять високозбережені домени QLQ і WRC. Аналіз фізико-хімічних властивостей показав, що відмінності в кількості амінокислот і молекулярних вагах білків BjGRF (за винятком BjGRF28) не були суттєвими, що вказує на те, що члени сімейства BjGRF можуть мати подібні функції. Аналіз структури гена показав, що 64,7% генів BjGRF містили 4 екзони, що вказує на те, що структура гена BjGRF є відносно консервативною в еволюції, але кількість екзонів у генах BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 і BjGRF29 більша. Дослідження показали, що додавання або видалення екзонів або інтронів може призвести до відмінностей у структурі та функції генів, таким чином створюючи нові гени34,35,36. Тому ми припускаємо, що інтрон BjGRF був втрачений під час еволюції, що може спричинити зміни у функції гена. Згідно з існуючими дослідженнями, ми також виявили, що кількість інтронів пов’язана з експресією генів. Коли кількість інтронів у гені велика, ген може швидко реагувати на різні несприятливі фактори.
Дуплікація генів є головним фактором геномної та генетичної еволюції37. Відповідні дослідження показали, що дуплікація генів не тільки збільшує кількість генів GRF, але також служить засобом генерації нових генів, щоб допомогти рослинам адаптуватися до різних несприятливих умов навколишнього середовища38. Загалом у цьому дослідженні було знайдено 48 дубльованих пар генів, усі з яких були сегментарними дуплікаціями, що вказує на те, що сегментарні дуплікації є основним механізмом збільшення кількості генів у цьому сімействі. У літературі повідомлялося, що сегментарна дуплікація може ефективно сприяти ампліфікації членів сімейства генів GRF у арабідопсису та полуниці, і жодної тандемної дуплікації цієї родини генів не було виявлено ні в одному з видів27,39. Результати цього дослідження узгоджуються з існуючими дослідженнями сімейств Arabidopsis thaliana та полуниці, припускаючи, що сімейство GRF може збільшити кількість генів і генерувати нові гени шляхом сегментарної дуплікації в різних рослинах.
У цьому дослідженні в гірчиці було ідентифіковано 34 гени BjGRF, які були розділені на 3 підродини. Ці гени показали схожі законсервовані мотиви та генні структури. Аналіз колінеарності виявив 48 пар подвійних сегментів у гірчиці. Промоторна область BjGRF містить цис-діючі елементи, пов’язані з реакцією на світло, гормональною реакцією, реакцією на стрес навколишнього середовища, а також ростом і розвитком. Виявлено експресію 34 генів BjGRF на стадії проростків гірчиці (коріння, стебла, листки), а в умовах посухи – 10 генів BjGRF. Було виявлено, що моделі експресії генів BjGRF під час посухового стресу були подібними і можуть бути подібними. участь у регулюванні форсування посухи. Гени BjGRF03 і BjGRF32 можуть відігравати позитивну регуляторну роль у стресі від посухи, тоді як BjGRF06 і BjGRF23 відіграють роль у стресі від посухи як цільові гени miR396. Загалом наше дослідження забезпечує біологічну основу для майбутнього відкриття функції гена BjGRF у рослинах Brassicaceae.
Насіння гірчиці, використане в цьому експерименті, було надано Науково-дослідним інститутом олійного насіння Гуйчжоу Академії сільськогосподарських наук Гуйчжоу. Виберіть цілі насіння та посадіть їх у ґрунт (субстрат: ґрунт = 3:1), а коріння, стебла та листя зберіть після фази чотирьох листків. Рослини обробляли 20% PEG 6000 для імітації посухи, а листя збирали через 0, 3, 6, 12 і 24 години. Усі зразки рослин негайно заморозили в рідкому азоті, а потім зберігали в морозильній камері при -80°C для наступного тесту.
Усі дані, отримані або проаналізовані під час цього дослідження, включені до опублікованої статті та файлів додаткової інформації.
Час публікації: 22 січня 2025 р