Сезонното разпределение на валежите в провинция Гуейджоу е неравномерно, с повече валежи през пролетта и лятото, но разсадът от рапица е податлив на стрес от суша през есента и зимата, което сериозно се отразява на добива. Синапът е специална маслодайна култура, отглеждана главно в провинция Гуейджоу. Той има силна устойчивост на суша и може да се отглежда в планински райони. Той е богат ресурс от гени, устойчиви на суша. Откриването на гени, устойчиви на суша, е от решаващо значение за подобряването на сортовете синап и иновациите в ресурсите на зародишната плазма. Семейството GRF играе ключова роля в растежа и развитието на растенията и в реакцията им на стрес от суша. Понастоящем GRF гени са открити в Arabidopsis 2, ориз (Oryza sativa) 12, рапица 13, памук (Gossypium hirsutum) 14, пшеница (Triticum aestivum) 15, перлено просо (Setaria italica) 16 и Brassica 17, но няма съобщения за открити GRF гени в синапа. В това проучване гените на семейството GRF на горчицата бяха идентифицирани на ниво целия геном и бяха анализирани техните физични и химични характеристики, еволюционни връзки, хомология, консервативни мотиви, генна структура, генни дупликации, цис-елементи и стадий на разсад (стадий на четири листа). Моделите на експресия при стрес от суша бяха цялостно анализирани, за да се осигури научна основа за по-нататъшни изследвания на потенциалната функция на BjGRF гените в отговора на суша и да се осигурят кандидат-гени за селекция на сухоустойчива горчица.
Тридесет и четири BjGRF гена бяха идентифицирани в генома на Brassica juncea, използвайки две HMMER търсения, всички от които съдържат QLQ и WRC домейни. CDS последователностите на идентифицираните BjGRF гени са представени в Допълнителна таблица S1. BjGRF01–BjGRF34 са наименувани въз основа на местоположението им върху хромозомата. Физикохимичните свойства на това семейство показват, че дължината на аминокиселините е силно променлива, варираща от 261 аминокиселини (BjGRF19) до 905 аминокиселини (BjGRF28). Изоелектричната точка на BjGRF варира от 6.19 (BjGRF02) до 9.35 (BjGRF03) със средна стойност 8.33, а 88.24% от BjGRF е основен протеин. Прогнозираният диапазон на молекулно тегло на BjGRF е от 29.82 kDa (BjGRF19) до 102.90 kDa (BjGRF28); Индексът на нестабилност на BjGRF протеините варира от 51,13 (BjGRF08) до 78,24 (BjGRF19), всички са по-големи от 40, което показва, че индексът на мастните киселини варира от 43,65 (BjGRF01) до 78,78 (BjGRF22), средната хидрофилност (GRAVY) варира от -1,07 (BjGRF31) до -0,45 (BjGRF22), всички хидрофилни BjGRF протеини имат отрицателни GRAVY стойности, което може да се дължи на липсата на хидрофобност, причинена от остатъците. Прогнозата за субклетъчната локализация показа, че 31 BjGRF кодирани протеина могат да бъдат локализирани в ядрото, BjGRF04 може да бъде локализиран в пероксизоми, BjGRF25 може да бъде локализиран в цитоплазмата и BjGRF28 може да бъде локализиран в хлоропласти (Таблица 1), което показва, че BjGRF могат да бъдат локализирани в ядрото и да играят важна регулаторна роля като транскрипционен фактор.
Филогенетичният анализ на GRF семейства при различни видове може да помогне за изучаване на генните функции. Следователно, пълните аминокиселинни последователности на 35 GRF от рапица, 16 от ряпа, 12 от ориз, 10 от просо и 9 от Arabidopsis бяха изтеглени и беше конструирано филогенетично дърво въз основа на 34 идентифицирани BjGRF гена (фиг. 1). Трите подсемейства съдържат различен брой членове; 116 GRF TF са разделени на три различни подсемейства (групи A~C), съдържащи съответно 59 (50,86%), 34 (29,31%) и 23 (19,83)% от GRF. Сред тях 34 члена на семейството BjGRF са разпръснати в 3 подсемейства: 13 члена в група A (38,24%), 12 члена в група B (35,29%) и 9 члена в група C (26,47%). В процеса на полиплоидизация на горчицата, броят на BjGRF гените в различните подсемейства е различен и е възможно да е възникнала амплификация и загуба на гени. Заслужава да се отбележи, че в група C няма разпределение на GRF на ориза и проса, докато в група B има 2 GRF на ориза и 1 GRF на просо, като повечето GRF на ориза и просо са групирани в един клон, което показва, че BjGRF са тясно свързани с двусемеделните. Сред тях най-задълбочените изследвания на функцията на GRF при Arabidopsis thaliana предоставят основа за функционални изследвания на BjGRF.
Филогенетично дърво на горчицата, включително Brassica napus, Brassica napus, ориз, просо и членове на семейство Arabidopsis thaliana GRF.
Анализ на повтарящи се гени в семейството на горчичния GRF. Сивата линия на заден план представлява синхронизиран блок в генома на горчичния синап, червената линия представлява двойка сегментирани повторения на гена BjGRF;
Експресия на гена BjGRF при стрес от суша на етап четвърти лист. Данните от qRT-PCR са показани в Допълнителна таблица S5. Значителните разлики в данните са обозначени с малки букви.
Тъй като глобалният климат продължава да се променя, изучаването на това как културите се справят със стреса от суша и подобряването на техните механизми за толерантност се превърна в гореща тема на изследване18. След суша, морфологичната структура, генната експресия и метаболитните процеси на растенията ще се променят, което може да доведе до прекратяване на фотосинтезата и метаболитни нарушения, засягащи добива и качеството на културите19,20,21. Когато растенията усетят сигнали за суша, те произвеждат вторични посредници като Ca2+ и фосфатидилинозитол, увеличават вътреклетъчната концентрация на калциеви йони и активират регулаторната мрежа на пътя на фосфорилиране на протеини22,23. Крайният целеви протеин участва директно в клетъчната защита или регулира експресията на свързани стрес гени чрез транскрипционни фактори (TF), повишавайки толерантността на растенията към стрес24,25. По този начин, TF играят ключова роля в реагирането на стрес от суша. Според последователността и свойствата на свързване с ДНК на TF, реагиращи на стрес от суша, TF могат да бъдат разделени на различни семейства, като GRF, ERF, MYB, WRKY и други семейства26.
Генното семейство GRF е вид специфичен за растенията транскрипционен фактор (TF), който играе важна роля в различни аспекти, като растеж, развитие, сигнална трансдукция и защитни реакции на растенията27. Откакто първият GRF ген беше идентифициран в O. sativa28, все повече GRF гени бяха идентифицирани в много видове и е доказано, че влияят върху растежа, развитието и реакцията на растенията на стрес8, 29, 30,31,32. С публикуването на геномната последователност на Brassica juncea, идентифицирането на генното семейство BjGRF стана възможно33. В това проучване бяха идентифицирани 34 BjGRF гена в целия геном на горчицата и наречени BjGRF01–BjGRF34 въз основа на тяхната хромозомна позиция. Всички те съдържат силно консервирани QLQ и WRC домейни. Анализът на физикохимичните свойства показа, че разликите в броя на аминокиселините и молекулните тегла на BjGRF протеините (с изключение на BjGRF28) не са значителни, което показва, че членовете на семейството BjGRF може да имат сходни функции. Анализът на генната структура показа, че 64,7% от гените BjGRF съдържат 4 екзона, което показва, че структурата на гена BjGRF е относително запазена в еволюцията, но броят на екзоните в гените BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 и BjGRF29 е по-голям. Проучванията показват, че добавянето или делецията на екзони или интрони може да доведе до разлики в генната структура и функция, като по този начин се създават нови гени34,35,36. Следователно, предполагаме, че интронът на BjGRF е бил загубен по време на еволюцията, което може да причини промени във генната функция. В съответствие със съществуващите изследвания, ние също така открихме, че броят на интроните е свързан с генната експресия. Когато броят на интроните в един ген е голям, генът може бързо да реагира на различни неблагоприятни фактори.
Генната дупликация е основен фактор в геномната и генетичната еволюция37. Свързани проучвания показват, че генната дупликация не само увеличава броя на GRF гените, но и служи като средство за генериране на нови гени, които помагат на растенията да се адаптират към различни неблагоприятни условия на околната среда38. В това проучване са открити общо 48 дублирани генни двойки, всички от които са сегментни дупликации, което показва, че сегментните дупликации са основният механизъм за увеличаване на броя на гените в това семейство. В литературата е съобщено, че сегментната дупликация може ефективно да насърчи амплификацията на членовете на GRF генното семейство в Arabidopsis и ягода, и не е открита тандемна дупликация на това генно семейство в нито един от видовете27,39. Резултатите от това проучване са в съответствие със съществуващите проучвания върху семействата Arabidopsis thaliana и ягода, което предполага, че семейството GRF може да увеличи броя на гените и да генерира нови гени чрез сегментна дупликация в различни растения.
В това проучване в горчицата са идентифицирани общо 34 BjGRF гена, които са разделени на 3 подсемейства. Тези гени показват сходни консервирани мотиви и генни структури. Колинеарният анализ разкрива 48 двойки сегментни дупликации в горчицата. Промоторният регион на BjGRF съдържа цис-действащи елементи, свързани със светлинния отговор, хормоналния отговор, отговора на стреса от околната среда, както и растежа и развитието. Експресията на 34 BjGRF гена е открита на етапа на разсада на горчицата (корени, стъбла, листа), а моделът на експресия на 10 BjGRF гена е открит при условия на суша. Установено е, че моделите на експресия на BjGRF гени при стрес от суша са сходни и може да са сходни. Гените BjGRF03 и BjGRF32 могат да играят положителна регулаторна роля при стрес от суша, докато BjGRF06 и BjGRF23 играят роля при стрес от суша като miR396 целеви гени. Като цяло, нашето проучване предоставя биологична основа за бъдещо откриване на функцията на BjGRF гена в растения от семейство Кръстоцветни.
Синапените семена, използвани в този експеримент, са предоставени от Изследователския институт за маслодайни семена в Гуейджоу, Академия по селскостопански науки в Гуейджоу. Изберете целите семена и ги засадете в почва (субстрат:почва = 3:1), а корените, стъблата и листата се събират след фазата на четири листа. Растенията са третирани с 20% PEG 6000, за да се симулира суша, а листата са събрани след 0, 3, 6, 12 и 24 часа. Всички растителни проби са незабавно замразени в течен азот и след това съхранявани във фризер при -80°C за следващия тест.
Всички данни, получени или анализирани по време на това проучване, са включени в публикуваната статия и допълнителните информационни файлове.
Време на публикуване: 22 януари 2025 г.