Distribuția sezonieră a precipitațiilor în provincia Guizhou este neuniformă, cu mai multe precipitații primăvara și vara, dar răsadurile de rapiță sunt susceptibile la stresul de secetă toamna și iarna, ceea ce afectează grav randamentul. Muștarul este o cultură specială de semințe oleaginoase cultivată în principal în provincia Guizhou. Are o toleranță puternică la secetă și poate fi cultivată în zonele muntoase. Este o resursă bogată de gene rezistente la secetă. Descoperirea genelor rezistente la secetă este de o importanță critică pentru îmbunătățirea soiurilor de muștar. și inovație în resursele de germoplasmă. Familia GRF joacă un rol critic în creșterea și dezvoltarea plantelor și în răspunsul la stresul cauzat de secetă. În prezent, genele GRF au fost găsite la Arabidopsis 2, orez (Oryza sativa) 12, rapiță 13, bumbac (Gossypium hirsutum) 14, grâu (Triticum). aestivum)15, mei perlat (Setaria italica)16 și Brassica17, dar nu există raportări de gene GRF detectate în muștar. În acest studiu, genele familiei GRF ale muștarului au fost identificate la nivel de genom și au fost analizate caracteristicile lor fizice și chimice, relațiile evolutive, omologie, motive conservate, structura genelor, duplicări de gene, elemente cis și stadiul de răsad (stadiul cu patru foi). Tiparele de expresie sub stres de secetă au fost analizate cuprinzător pentru a oferi o bază științifică pentru studii ulterioare asupra funcției potențiale a genelor BjGRF în răspunsul la secetă și pentru a oferi gene candidate pentru reproducerea muștarului tolerant la secetă.
Treizeci și patru de gene BjGRF au fost identificate în genomul Brassica juncea folosind două căutări HMMER, toate conținând domeniile QLQ și WRC. Secvențele CDS ale genelor BjGRF identificate sunt prezentate în tabelul suplimentar S1. BjGRF01–BjGRF34 sunt denumite pe baza locației lor pe cromozom. Proprietățile fizico-chimice ale acestei familii indică faptul că lungimea aminoacizilor este foarte variabilă, variind de la 261 aa (BjGRF19) la 905 aa (BjGRF28). Punctul izoelectric al BjGRF variază de la 6,19 (BjGRF02) la 9,35 (BjGRF03) cu o medie de 8,33, iar 88,24% din BjGRF este o proteină de bază. Intervalul de greutate moleculară estimat al BjGRF este de la 29,82 kDa (BjGRF19) la 102,90 kDa (BjGRF28); indicele de instabilitate al proteinelor BjGRF variază de la 51,13 (BjGRF08) la 78,24 (BjGRF19), toate sunt mai mari de 40, ceea ce indică faptul că indicele acizilor grași variază de la 43,65 (BjGRF01) la 78,78 (BjGRF22), intervalul de hidrofilie medie de la GRAV - 70. (BjGRF31) la -0,45 (BjGRF22), toate proteinele hidrofile BjGRF au valori GRAVY negative, care se pot datora lipsei de hidrofobicitate cauzată de reziduuri. Predicția localizării subcelulare a arătat că 31 de proteine codificate pentru BjGRF ar putea fi localizate în nucleu, BjGRF04 ar putea fi localizat în peroxizomi, BjGRF25 ar putea fi localizat în citoplasmă și BjGRF28 ar putea fi localizat în cloroplaste (Tabelul 1), indicând faptul că BjGRF04 ar putea fi localizat în nucleul de reglementare important în transcripție. factor.
Analiza filogenetică a familiilor GRF la diferite specii poate ajuta la studiul funcțiilor genelor. Prin urmare, secvențele de aminoacizi de lungime completă a 35 de semințe de rapiță, 16 napi, 12 orez, 10 mei și 9 GRF-uri Arabidopsis au fost descărcate și a fost construit un arbore filogenetic pe baza a 34 de gene BjGRF identificate (Fig. 1). Cele trei subfamilii conțin un număr diferit de membri; 116 TF-uri GRF sunt împărțite în trei subfamilii diferite (grupe A~C), conținând 59 (50,86%), 34 (29,31%) și, respectiv, 23 (19,83)% din GRF. Dintre aceștia, 34 de membri ai familiei BjGRF sunt împrăștiați în 3 subfamilii: 13 membri în grupul A (38,24%), 12 membri în grupul B (35,29%) și 9 membri în grupul C (26,47%). În procesul de poliploidizare a muștarului, numărul de gene BjGRF în diferite subfamilii este diferit și este posibil să fi avut loc amplificarea și pierderea genei. Este de remarcat faptul că nu există o distribuție a GRF de orez și mei în grupa C, în timp ce există 2 GRF de orez și 1 GRF de mei în grupul B, iar majoritatea GRF de orez și mei sunt grupate într-o singură ramură, ceea ce indică faptul că BjGRF sunt strâns legate de dicotiledone. Printre acestea, cele mai aprofundate studii privind funcția GRF la Arabidopsis thaliana oferă o bază pentru studiile funcționale ale BjGRF.
Arbore filogenetic de muștar, inclusiv Brassica napus, Brassica napus, orez, mei și membri ai familiei Arabidopsis thaliana GRF.
Analiza genelor repetitive din familia GRF de muștar. Linia gri din fundal reprezintă un bloc sincronizat în genomul muștarului, linia roșie reprezintă o pereche de repetări segmentate ale genei BjGRF;
Expresia genei BjGRF sub stres de secetă în stadiul al patrulea al frunzei. Datele qRT-PCR sunt prezentate în tabelul suplimentar S5. Diferențele semnificative de date sunt indicate prin litere mici.
Pe măsură ce clima globală continuă să se schimbe, studiul modului în care culturile fac față stresului cauzat de secetă și îmbunătățirea mecanismelor lor de toleranță a devenit un subiect de cercetare fierbinte18. După secetă, structura morfologică, expresia genelor și procesele metabolice ale plantelor se vor modifica, ceea ce poate duce la încetarea fotosintezei și la tulburări metabolice, afectând randamentul și calitatea culturilor19,20,21. Când plantele simt semnale de secetă, ele produc mesageri secundi, cum ar fi Ca2+ și fosfatidilinozitol, cresc concentrația intracelulară de ioni de calciu și activează rețeaua de reglare a căii de fosforilare a proteinelor22,23. Proteina țintă finală este direct implicată în apărarea celulară sau reglează expresia genelor de stres asociate prin intermediul TF-urilor, sporind toleranța plantelor la stres24,25. Astfel, TF-urile joacă un rol crucial în răspunsul la stresul cauzat de secetă. În conformitate cu secvența și proprietățile de legare la ADN ale TF-urilor sensibile la stresul de secetă, TF-urile pot fi împărțite în diferite familii, cum ar fi GRF, ERF, MYB, WRKY și alte familii26.
Familia de gene GRF este un tip de TF specific plantelor care joacă roluri importante în diferite aspecte, cum ar fi creșterea, dezvoltarea, transducția semnalului și răspunsurile de apărare a plantelor27. De când prima genă GRF a fost identificată în O. sativa28, din ce în ce mai multe gene GRF au fost identificate la multe specii și s-a dovedit că afectează creșterea plantelor, dezvoltarea și răspunsul la stres8, 29, 30,31,32. Odată cu publicarea secvenței genomului Brassica juncea, identificarea familiei de gene BjGRF a devenit posibilă33. În acest studiu, 34 de gene BjGRF au fost identificate în întregul genom de muștar și au fost numite BjGRF01-BjGRF34 pe baza poziției lor cromozomiale. Toate acestea conțin domenii QLQ și WRC foarte conservate. Analiza proprietăților fizico-chimice a arătat că diferențele dintre numerele de aminoacizi și greutățile moleculare ale proteinelor BjGRF (cu excepția BjGRF28) nu au fost semnificative, indicând faptul că membrii familiei BjGRF pot avea funcții similare. Analiza structurii genei a arătat că 64,7% dintre genele BjGRF au conținut 4 exoni, ceea ce indică faptul că structura genei BjGRF este relativ conservată în evoluție, dar numărul de exoni din genele BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 și BjGRF29 este mai mare. Studiile au arătat că adăugarea sau ștergerea de exoni sau introni poate duce la diferențe în structura și funcția genelor, creând astfel noi gene34,35,36. Prin urmare, speculăm că intronul BjGRF a fost pierdut în timpul evoluției, ceea ce poate provoca modificări ale funcției genei. În conformitate cu studiile existente, am constatat, de asemenea, că numărul de introni a fost asociat cu expresia genelor. Când numărul de introni dintr-o genă este mare, gena poate răspunde rapid la diverși factori nefavorabili.
Dublarea genelor este un factor major în evoluția genomică și genetică37. Studiile înrudite au arătat că duplicarea genelor nu numai că mărește numărul de gene GRF, dar servește și ca mijloc de generare de noi gene pentru a ajuta plantele să se adapteze la diferite condiții de mediu adverse38. Un total de 48 de perechi de gene duplicate au fost găsite în acest studiu, toate fiind dublări segmentare, ceea ce indică faptul că dublările segmentare sunt mecanismul major pentru creșterea numărului de gene din această familie. S-a raportat în literatură că duplicarea segmentară poate promova eficient amplificarea membrilor familiei genelor GRF la Arabidopsis și căpșuni și nu a fost găsită nicio duplicare în tandem a acestei familii de gene la niciuna dintre specii27,39. Rezultatele acestui studiu sunt în concordanță cu studiile existente pe Arabidopsis thaliana și familiile de căpșuni, sugerând că familia GRF poate crește numărul de gene și poate genera noi gene prin duplicarea segmentară în diferite plante.
În acest studiu, în muștar au fost identificate un total de 34 de gene BjGRF, care au fost împărțite în 3 subfamilii. Aceste gene au prezentat motive conservate și structuri genice similare. Analiza coliniarității a evidențiat 48 de perechi de duplicări de segmente în muștar. Regiunea promotor BjGRF conține elemente cu acțiune cis asociate cu răspunsul la lumină, răspunsul hormonal, răspunsul la stresul mediului și creșterea și dezvoltarea. Expresia a 34 de gene BjGRF a fost detectată în stadiul de răsad de muștar (rădăcini, tulpini, frunze) și modelul de expresie a 10 gene BjGRF în condiții de secetă. S-a descoperit că modelele de expresie ale genelor BjGRF sub stres de secetă au fost similare și pot fi similare. implicarea în secetă Forțarea reglementării. Genele BjGRF03 și BjGRF32 pot juca roluri regulatoare pozitive în stresul cauzat de secetă, în timp ce BjGRF06 și BjGRF23 joacă roluri în stresul cauzat de secetă ca gene țintă miR396. În general, studiul nostru oferă o bază biologică pentru descoperirea viitoare a funcției genei BjGRF la plantele Brassicaceae.
Semințele de muștar folosite în acest experiment au fost furnizate de Guizhou Oil Seed Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences. Selectați semințele întregi și plantați-le în sol (substrat: sol = 3:1) și colectați rădăcinile, tulpinile și frunzele după stadiul de patru frunze. Plantele au fost tratate cu 20% PEG 6000 pentru a simula seceta, iar frunzele au fost colectate după 0, 3, 6, 12 și 24 de ore. Toate probele de plante au fost imediat congelate în azot lichid și apoi depozitate într-un congelator de -80°C pentru următorul test.
Toate datele obținute sau analizate în timpul acestui studiu sunt incluse în articolul publicat și în fișierele de informații suplimentare.
Ora postării: 22-ian-2025