Sezonska raspodjela oborina u provinciji Guizhou je neujednačena, s više oborina u proljeće i ljeto, ali sadnice uljane repice su osjetljive na stres od suše u jesen i zimi, što ozbiljno utječe na prinos. Gorušica je posebna uljarica koja se uglavnom uzgaja u provinciji Guizhou. Ima jaku otpornost na sušu i može se uzgajati u planinskim područjima. To je bogat izvor gena otpornih na sušu. Otkriće gena otpornih na sušu od ključne je važnosti za poboljšanje sorti gorušice. i inovacije u izvorima germplazma. Obitelj GRF igra ključnu ulogu u rastu i razvoju biljaka i odgovoru na stres od suše. Trenutno su GRF geni pronađeni u Arabidopsisu 2, riži (Oryza sativa) 12, uljanoj repici 13, pamuku (Gossypium hirsutum) 14, pšenici (Triticum). aestivum)15, biserno proso (Setaria italica)16 i Brassica17, ali nema izvješća o GRF genima otkrivenim u gorušici. U ovom su istraživanju identificirani GRF obiteljski geni gorušice na razini genoma te su analizirane njihove fizikalne i kemijske karakteristike, evolucijski odnosi, homologija, očuvani motivi, struktura gena, duplikacije gena, cis-elementi i stadij klijanaca (stadij s četiri lista). Obrasci ekspresije pod stresom od suše sveobuhvatno su analizirani kako bi se pružila znanstvena osnova za daljnja istraživanja o potencijalnoj funkciji BjGRF gena u odgovoru na sušu i kako bi se osigurali geni kandidati za uzgoj gorušice otporne na sušu.
Trideset i četiri BjGRF gena identificirana su u genomu Brassica juncea korištenjem dva HMMER pretraživanja, od kojih sva sadrže QLQ i WRC domene. CDS sekvence identificiranih BjGRF gena prikazane su u Dodatnoj tablici S1. BjGRF01–BjGRF34 imenovani su na temelju svojeg položaja na kromosomu. Fizikalno-kemijska svojstva ove obitelji pokazuju da je duljina aminokiselina vrlo varijabilna, u rasponu od 261 aa (BjGRF19) do 905 aa (BjGRF28). Izoelektrična točka BjGRF kreće se od 6,19 (BjGRF02) do 9,35 (BjGRF03) s prosjekom od 8,33, a 88,24% BjGRF je osnovni protein. Predviđeni raspon molekularne težine BjGRF je od 29,82 kDa (BjGRF19) do 102,90 kDa (BjGRF28); indeks nestabilnosti BjGRF proteina kreće se od 51,13 (BjGRF08) do 78,24 (BjGRF19), svi su veći od 40, što ukazuje da se indeks masnih kiselina kreće od 43,65 (BjGRF01) do 78,78 (BjGRF22), prosječna hidrofilnost (GRAVY) kreće se od -1,07 (BjGRF31) do -0,45 (BjGRF22), svi hidrofilni BjGRF proteini imaju negativne GRAVY vrijednosti, što može biti posljedica nedostatka hidrofobnosti uzrokovanog ostacima. Predviđanje subcelularne lokalizacije pokazalo je da se 31 protein kodiran BjGRF može lokalizirati u jezgri, BjGRF04 može biti lokaliziran u peroksisomima, BjGRF25 može biti lokaliziran u citoplazmi, a BjGRF28 može biti lokaliziran u kloroplastima (Tablica 1), što ukazuje da BjGRF mogu biti lokalizirani u jezgri i igrati ulogu važnu regulatornu ulogu kao transkripcijski faktor.
Filogenetska analiza GRF obitelji u različitim vrstama može pomoći u proučavanju funkcija gena. Stoga su aminokiselinske sekvence pune duljine od 35 GRF-ova uljane repice, 16 repe, 12 riže, 10 prosa i 9 GRF-ova Arabidopsisa preuzete i konstruirano je filogenetsko stablo na temelju 34 identificirana BjGRF gena (slika 1). Tri podfamilije sadrže različit broj članova; 116 GRF TF-ova podijeljeno je u tri različite podfamilije (skupine A~C), koje sadrže 59 (50,86%), 34 (29,31%) odnosno 23 (19,83)% GRF-ova. Među njima, 34 člana BjGRF obitelji raspršena su u 3 podfamilije: 13 članova u skupini A (38,24%), 12 članova u skupini B (35,29%) i 9 članova u skupini C (26,47%). U procesu poliploidizacije gorušice, broj gena BjGRFs u različitim podfamilijama je različit, a moglo je doći do amplifikacije i gubitka gena. Vrijedno je napomenuti da u skupini C nema distribucije GRF-a riže i prosa, dok u skupini B postoje 2 GRF-a riže i 1 GRF-a prosa, a većina GRF-a riže i prosa grupirana je u jednu granu, što ukazuje da su BjGRF-ovi blisko povezani s dvosupnicama. Među njima, najdublje studije o GRF funkciji u Arabidopsis thaliana daju osnovu za funkcionalne studije BjGRF.
Filogenetsko stablo gorušice uključujući Brassica napus, Brassica napus, rižu, proso i članove porodice Arabidopsis thaliana GRF.
Analiza ponavljajućih gena u GRF obitelji senfa. Siva linija u pozadini predstavlja sinkronizirani blok u genomu senfa, crvena linija predstavlja par segmentiranih ponavljanja gena BjGRF;
Ekspresija BjGRF gena pod stresom od suše u fazi četvrtog lista. Podaci qRT-PCR-a prikazani su u Dodatnoj tablici S5. Značajne razlike u podacima označene su malim slovima.
Kako se globalna klima nastavlja mijenjati, proučavanje načina na koji se usjevi nose sa stresom od suše i poboljšanje njihovih mehanizama tolerancije postalo je vruća tema istraživanja18. Nakon suše dolazi do promjene morfološke strukture, ekspresije gena i metaboličkih procesa biljaka, što može dovesti do prestanka fotosinteze i metaboličkih poremećaja, što utječe na prinos i kvalitetu usjeva19,20,21. Kada biljke osjete signale suše, one proizvode sekundarne glasnike kao što su Ca2+ i fosfatidilinozitol, povećavaju koncentraciju intracelularnih kalcijevih iona i aktiviraju regulatornu mrežu puta fosforilacije proteina22,23. Konačni ciljni protein izravno je uključen u staničnu obranu ili regulira ekspresiju povezanih gena stresa putem TF-ova, povećavajući otpornost biljaka na stres24,25. Stoga TF igraju ključnu ulogu u odgovoru na stres od suše. Prema slijedu i svojstvima vezanja DNA TF-ova koji reagiraju na stres na sušu, TF-ovi se mogu podijeliti u različite obitelji, kao što su GRF, ERF, MYB, WRKY i druge obitelji26.
Obitelj GRF gena vrsta je TF-a specifičnog za biljku koji ima važnu ulogu u različitim aspektima kao što su rast, razvoj, prijenos signala i obrambeni odgovori biljaka27. Otkako je prvi GRF gen identificiran u O. sativa28, sve je više GRF gena identificirano u mnogim vrstama i pokazalo se da utječu na rast, razvoj i odgovor na stres8, 29, 30,31,32. Objavom sekvence genoma Brassica juncea postala je moguća identifikacija obitelji gena BjGRF33. U ovoj studiji, 34 gena BjGRF identificirana su u cijelom genomu senfa i nazvana BjGRF01–BjGRF34 na temelju njihove kromosomske pozicije. Sve one sadrže visoko očuvane QLQ i WRC domene. Analiza fizikalno-kemijskih svojstava pokazala je da razlike u broju aminokiselina i molekularnim težinama proteina BjGRF (osim BjGRF28) nisu bile značajne, što ukazuje da bi članovi obitelji BjGRF mogli imati slične funkcije. Analiza strukture gena pokazala je da 64,7% gena BjGRF sadrži 4 egzona, što ukazuje da je struktura gena BjGRF relativno očuvana u evoluciji, ali je broj egzona u genima BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 i BjGRF29 veći. Studije su pokazale da dodavanje ili brisanje egzona ili introna može dovesti do razlika u strukturi i funkciji gena, stvarajući tako nove gene34,35,36. Stoga nagađamo da je intron BjGRF izgubljen tijekom evolucije, što može uzrokovati promjene u funkciji gena. U skladu s postojećim studijama, također smo otkrili da je broj introna povezan s ekspresijom gena. Kada je broj introna u genu velik, gen može brzo odgovoriti na različite nepovoljne čimbenike.
Duplikacija gena glavni je čimbenik u genomskoj i genetskoj evoluciji37. Povezane studije pokazale su da dupliciranje gena ne samo da povećava broj GRF gena, već također služi kao sredstvo za stvaranje novih gena koji pomažu biljkama da se prilagode različitim nepovoljnim uvjetima okoliša38. U ovoj studiji pronađeno je ukupno 48 dupliciranih parova gena, od kojih su svi bili segmentne duplikacije, što ukazuje da su segmentne duplikacije glavni mehanizam za povećanje broja gena u ovoj obitelji. U literaturi je objavljeno da duplikacija segmenta može učinkovito pospješiti amplificiranje članova obitelji GRF gena u Arabidopsisu i jagodi, a tandemska duplikacija ove obitelji gena nije pronađena ni u jednoj vrsti27,39. Rezultati ove studije u skladu su s postojećim studijama o obiteljima Arabidopsis thaliana i jagoda, što sugerira da obitelj GRF može povećati broj gena i generirati nove gene kroz segmentno dupliciranje u različitim biljkama.
U ovoj studiji, ukupno 34 BjGRF gena identificirana su u gorušici, koji su podijeljeni u 3 podfamilije. Ovi su geni pokazali slične očuvane motive i genske strukture. Analiza kolinearnosti otkrila je 48 parova duplikacija segmenata u senfu. Regija promotora BjGRF sadrži cis-djelujuće elemente povezane s odgovorom na svjetlo, hormonskim odgovorom, odgovorom na okolišni stres te rastom i razvojem. Ekspresija 34 gena BjGRF detektirana je u fazi klijanaca gorušice (korijen, stabljika, lišće), a ekspresija 10 gena BjGRF u uvjetima suše. Utvrđeno je da su obrasci ekspresije BjGRF gena pod stresom od suše slični i da mogu biti slični. uključenost u regulaciju prisiljavanja suše. Geni BjGRF03 i BjGRF32 mogu imati pozitivnu regulatornu ulogu u stresu od suše, dok BjGRF06 i BjGRF23 igraju uloge u stresu od suše kao ciljani geni miR396. Sve u svemu, naša studija pruža biološku osnovu za buduća otkrića funkcije BjGRF gena u biljkama Brassicaceae.
Sjemenke gorušice korištene u ovom eksperimentu osigurao je Guizhou Oil Seed Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences. Odaberite cijele sjemenke i posadite ih u tlo (supstrat: zemlja = 3:1), a korijenje, stabljike i lišće sakupite nakon faze četiri lista. Biljke su tretirane s 20% PEG 6000 da se simulira suša, a lišće je sakupljeno nakon 0, 3, 6, 12 i 24 sata. Svi uzorci biljaka odmah su zamrznuti u tekućem dušiku i zatim pohranjeni u zamrzivač na -80°C za sljedeći test.
Svi podaci dobiveni ili analizirani tijekom ove studije uključeni su u objavljeni članak i datoteke s dodatnim informacijama.
Vrijeme objave: 22. siječnja 2025