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. Има силна сухоустойчивост и може да се отглежда в планински райони. Това е богат ресурс от гени, устойчиви на суша. Откриването на гени, устойчиви на суша, е от решаващо значение за подобряването на сортовете горчица. и иновации в ресурсите на зародишната плазма. Семейството GRF играе критична роля в растежа и развитието на растенията и отговора на стреса 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 Brassica17, но няма съобщения за GRF гени, открити в горчица. В това изследване гените на семейството GRF на горчица бяха идентифицирани на ниво геном и бяха анализирани техните физични и химични характеристики, еволюционни връзки, хомология, запазени мотиви, генна структура, генни дупликации, цис-елементи и стадий на разсад (етап с четири листа). Моделите на експресия при стрес от суша бяха изчерпателно анализирани, за да осигурят научна основа за по-нататъшни изследвания на потенциалната функция на BjGRF гените в отговор на суша и да осигурят кандидат-гени за развъждане на устойчива на суша горчица.
Тридесет и четири BjGRF гена бяха идентифицирани в генома на Brassica juncea с помощта на 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 именувани въз основа на местоположението им в хромозомата. Физикохимичните свойства на това семейство показват, че дължината на аминокиселината е силно променлива, варираща от 261 aa (BjGRF19) до 905 aa (BjGRF28). Изоелектричната точка на BjGRF варира от 6,19 (BjGRF02) до 9,35 (BjGRF03) със средно 8,33, а 88,24% от BjGRF е основен протеин. Предсказаният 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 мастни 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 стойности на GRAVY, което може да се дължи на липсата на хидрофобност, причинена от остатъците. Прогнозата за субклетъчна локализация показа, че 31 кодирани от BjGRF протеини 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 BjGRFs може да бъде локализиран в ядрото и да играе важна регулаторна роля като транскрипционен фактор.
Филогенетичният анализ на GRF семействата при различни видове може да помогне за изследване на генните функции. Следователно, аминокиселинните последователности с пълна дължина на 35 рапица, 16 ряпа, 12 ориз, 10 просо и 9 Arabidopsis GRF бяха изтеглени и беше конструирано филогенетично дърво на базата на 34 идентифицирани BjGRF гени (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 на 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 горчица броят на BjGRFs гените в различните подсемейства е различен и може да е настъпила генна амплификация и загуба. Струва си да се отбележи, че няма разпределение на GRF на ориз и просо в група C, докато има 2 GRF на ориз и 1 GRF на просо в група B и повечето от GRF на ориз и просо са групирани в един клон, което показва, че BjGRF са тясно свързани с двусемеделните. Сред тях, най-задълбочените проучвания на GRF функцията в Arabidopsis thaliana осигуряват основа за функционални изследвания на BjGRFs.
Филогенетично дърво от синап, включително Brassica napus, Brassica napus, ориз, просо и членове на семейство Arabidopsis thaliana GRF.
Анализ на повтарящи се гени в семейството GRF на горчица. Сивата линия на заден план представлява синхронизиран блок в генома на горчицата, червената линия представлява двойка сегментирани повторения на гена BjGRF;
Експресия на BjGRF ген при стрес от суша на етап четвърти лист. Данните за 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 изследователска тема18. След суша морфологичната структура, генната експресия и метаболитните процеси на растенията ще се променят, което може да доведе до спиране на фотосинтезата и метаболитни нарушения, засягащи добива и качеството на културите19,20,21. Когато растенията усещат сигнали за суша, те произвеждат вторични пратеници като Ca2+ и фосфатидилинозитол, повишават концентрацията на вътреклетъчните калциеви йони и активират регулаторната мрежа на пътя на протеиновото фосфорилиране 22, 23. Крайният целеви протеин е пряко включен в клетъчната защита или регулира експресията на свързани стресови гени чрез TFs, повишавайки толерантността на растенията към стрес 24, 25. По този начин TFs играят решаваща роля в отговор на стреса от суша. Според последователността и ДНК свързващите свойства на TFs, реагиращи на стрес от суша, TFs могат да бъдат разделени на различни семейства, като GRF, ERF, MYB, WRKY и други семейства26.
Семейството GRF гени е вид специфичен за растението TF, който играе важна роля в различни аспекти като растеж, развитие, сигнална трансдукция и защитни реакции на растенията27. Откакто първият GRF ген е идентифициран в O. sativa28, все повече и повече GRF гени са идентифицирани в много видове и е показано, че влияят върху растежа, развитието и реакцията на стрес8, 29, 30,31,32. С публикуването на последователността на генома на Brassica juncea, идентифицирането на генното семейство BjGRF стана възможно33. В това проучване 34 BjGRF гена са идентифицирани в целия геном на горчица и са наречени BjGRF01–BjGRF34 въз основа на тяхната хромозомна позиция. Всички те съдържат силно запазени QLQ и WRC домейни. Анализът на физикохимичните свойства показа, че разликите в аминокиселинните числа и молекулните тегла на BjGRF протеините (с изключение на BjGRF28) не са значителни, което показва, че членовете на семейството на BjGRF може да имат подобни 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 изтриването на екзони или интрони може да доведе до разлики в генната структура и функция, като по този начин създава нови гени34,35,36. Следователно, ние спекулираме, че интронът на BjGRF е загубен по време на еволюцията, което може да причини промени в генната функция. В съответствие със съществуващите проучвания, ние също открихме, че броят на интроните е свързан с генната експресия. Когато броят на интроните в гена е голям, генът може бързо да реагира на различни неблагоприятни фактори.
Генното дублиране е основен фактор в геномната и генетичната еволюция37. Свързани проучвания показват, че генното дублиране не само увеличава броя на GRF гените, но също така служи като средство за генериране на нови гени, за да помогне на растенията да се адаптират към различни неблагоприятни условия на околната среда38. Общо 48 дублирани генни двойки бяха открити в това изследване, всички от които бяха сегментни дублирания, което показва, че сегментните дублирания са основният механизъм за увеличаване на броя на гените в това семейство. В литературата се съобщава, че сегментното дублиране може ефективно да насърчи амплификацията на членовете на семейството на GRF ген в Arabidopsis и ягода и не е открито тандемно дублиране на това генно семейство в нито един от видовете 27, 39. Резултатите от това проучване са в съответствие със съществуващите проучвания върху семействата Arabidopsis thaliana и ягоди, което предполага, че семейството GRF може да увеличи броя на гените и да генерира нови гени чрез сегментно дублиране в различни растения.
В това проучване общо 34 BjGRF гена са идентифицирани в горчица, които са разделени на 3 подсемейства. Тези гени показват подобни запазени мотиви и генни структури. Анализът на колинеарността разкрива 48 двойки дублирани сегменти в горчица. BjGRF промоторният регион съдържа цис-действащи елементи, свързани със светлинния отговор, хормоналния отговор, отговора на стреса от околната среда и растежа и развитието. Експресията на 34 BjGRF гена беше открита на етапа на разсад от горчица (корени, стъбла, листа) и моделът на експресия на 10 BjGRF гена при условия на суша. Установено е, че моделите на експресия на BjGRF гени при стрес от суша са сходни и може да са подобни. участие в регулирането на форсирането на сушата. Гените BjGRF03 и BjGRF32 могат да играят положителна регулаторна роля в стреса от суша, докато BjGRF06 и BjGRF23 играят роля в стреса от суша като miR396 целеви гени. Като цяло, нашето изследване предоставя биологична основа за бъдещо откриване на BjGRF генната функция в растенията Brassicaceae.
Синапеното семе, използвано в този експеримент, е предоставено от Института за изследване на маслодайните семена в Гуейджоу, Академията на селскостопанските науки в Гуейджоу. Изберете целите семена и ги засадете в почва (субстрат: почва = 3:1) и съберете корените, стъблата и листата след фазата на четири листа. Растенията бяха третирани с 20% PEG 6000 за симулиране на суша и листата бяха събрани след 0, 3, 6, 12 и 24 часа. Всички растителни проби веднага се замразяват в течен азот и след това се съхраняват във фризер при -80°C за следващия тест.
Всички данни, получени или анализирани по време на това проучване, са включени в публикуваната статия и файлове с допълнителна информация.
Време на публикуване: 22 януари 2025 г