Distribuția sezonieră a precipitațiilor în provincia Guizhou este inegală, cu precipitații mai mari primăvara și vara, dar răsadurile de rapiță sunt susceptibile la stresul cauzat de secetă în toamnă și iarnă, ceea ce afectează serios randamentul. Muștarul este o cultură specială de semințe oleaginoase, cultivată în principal în provincia Guizhou. Are o toleranță puternică la secetă și poate fi cultivat în zone 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 inovarea 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 Brassica 17, dar nu există raportări ale genelor GRF detectate la muștar. În acest studiu, genele familiei GRF a muștarului au fost identificate la nivel genomic și au fost analizate caracteristicile lor fizice și chimice, relațiile evolutive, omologia, motivele conservate, structura genelor, duplicațiile genelor, elementele cis și stadiul de răsad (stadiul cu patru frunze). Modelele de expresie în condiții de stres la secetă au fost analizate în mod cuprinzător pentru a oferi o bază științifică pentru studii ulterioare privind funcția potențială a genelor BjGRF în răspunsul la secetă și pentru a oferi gene candidate pentru ameliorarea 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 în funcție de locația 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 bazică. Intervalul de greutate moleculară prezis 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 fiind mai mari de 40, indicând faptul că indicele acizilor grași variază de la 43,65 (BjGRF01) la 78,78 (BjGRF22), hidrofilicitatea medie (GRAVY) variază de la -1,07 (BjGRF31) la -0,45 (BjGRF22), toate proteinele BjGRF hidrofile au valori GRAVY negative, ceea ce se poate datora lipsei de hidrofobicitate cauzată de reziduuri. Predicția localizării subcelulare a arătat că 31 de proteine codificate de 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 BjGRF-urile pot fi localizate în nucleu și pot juca un rol de reglare important ca factor de transcripție.
Analiza filogenetică a familiilor GRF la diferite specii poate ajuta la studierea funcțiilor genelor. Prin urmare, au fost descărcate secvențele complete de aminoacizi a 35 de GRF-uri de rapiță, 16 de nap, 12 de orez, 10 de mei și 9 de Arabidopsis 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 (grupurile A-C), conținând 59 (50,86%), 34 (29,31%) și, respectiv, 23 (19,83)% din GRF-uri. Dintre aceștia, 34 de membri ai familiei BjGRF sunt răspândiți în 3 subfamilii: 13 membri în grupa A (38,24%), 12 membri în grupa B (35,29%) și 9 membri în grupa C (26,47%). În procesul de poliploidizare a muștarului, numărul de gene BjGRF în diferite subfamilii este diferit, fiind posibil să fi avut loc amplificarea și pierderea genelor. Este demn de remarcat faptul că nu există o distribuție a GRF-urilor de orez și mei în grupa C, în timp ce în grupa B există 2 GRF-uri de orez și 1 GRF de mei, iar majoritatea GRF-urilor de orez și mei sunt grupate într-o singură ramură, ceea ce indică faptul că BjGRF-urile sunt strâns înrudite cu dicotiledonate. Printre acestea, cele mai aprofundate studii privind funcția GRF la Arabidopsis thaliana oferă o bază pentru studii funcționale ale BjGRF-urilor.
Arborele filogenetic al muștarului, inclusiv Brassica napus, Brassica napus, orezul, meiul și membrii familiei GRF Arabidopsis thaliana.
Analiza genelor repetitive din familia GRF a genei muștar. Linia gri din fundal reprezintă un bloc sincronizat în genomul muștarului, linia roșie reprezintă o pereche de repetiții segmentate ale genei BjGRF;
Expresia genei BjGRF în condiții de stres de secetă în stadiul de a patra frunză. Datele qRT-PCR sunt prezentate în tabelul suplimentar S5. Diferențele semnificative în date sunt indicate cu litere mici.
Pe măsură ce clima globală continuă să se schimbe, studierea 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 schimba, ceea ce poate duce la încetarea fotosintezei și la perturbări metabolice, afectând randamentul și calitatea culturilor19,20,21. Când plantele percep semnale de secetă, ele produc mesageri secundari, 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 implicată direct în apărarea celulară sau reglează expresia genelor de stres asociate prin intermediul factorilor de transcripție (TF), sporind toleranța plantelor la stres24,25. Astfel, TF joacă un rol crucial în răspunsul la stresul cauzat de secetă. Conform secvenței și proprietăților de legare a ADN-ului TF-urilor sensibile la stresul cauzat 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 factor de transcripție (TF) specific plantei care joacă roluri importante în diverse aspecte, cum ar fi creșterea, dezvoltarea, transducția semnalului și răspunsurile de apărare ale plantelor27. De când prima genă GRF a fost identificată la O. sativa28, tot mai multe gene GRF au fost identificate la multe specii și s-a demonstrat că afectează creșterea, dezvoltarea și răspunsul la stres al plantelor8, 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 al muștarului și denumite BjGRF01–BjGRF34 pe baza poziției lor cromozomiale. Toate conțin domenii QLQ și WRC extrem de conservate. Analiza proprietăților fizico-chimice a arătat că diferențele în numărul 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 genelor a arătat că 64,7% dintre genele BjGRF conțineau 4 exoni, ceea ce indică faptul că structura genei BjGRF este relativ conservată în evoluție, însă numărul de exoni din genele BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 și BjGRF29 este mai mare. Studiile au arătat că adăugarea sau ștergerea exonilor sau intronilor poate duce la diferențe în structura și funcția genelor, creând astfel gene noi34,35,36. Prin urmare, speculăm că intronul BjGRF s-a pierdut în timpul evoluției, ceea ce poate provoca modificări ale funcției genelor. În concordanță cu studiile existente, am descoperit, de asemenea, că numărul de introni a fost asociat cu expresia genelor. Atunci când numărul de introni dintr-o genă este mare, gena poate răspunde rapid la diverși factori nefavorabili.
Duplicarea genelor este un factor major în evoluția genomică și genetică37. Studiile conexe au arătat că duplicarea genelor nu numai că crește numărul de gene GRF, ci servește și ca mijloc de generare a unor noi gene pentru a ajuta plantele să se adapteze la diverse condiții de mediu adverse38. În acest studiu au fost găsite un total de 48 de perechi de gene duplicate, toate fiind duplicări segmentare, indicând faptul că duplicările segmentare sunt principalul mecanism pentru creșterea numărului de gene din această familie. În literatura de specialitate s-a raportat că duplicarea segmentară poate promova eficient amplificarea membrilor familiei de gene GRF la Arabidopsis și căpșuni și nu s-a găsit nicio duplicare în tandem a acestei familii de gene la niciuna dintre specii27,39. Rezultatele acestui studiu sunt în concordanță cu studiile existente asupra familiilor Arabidopsis thaliana și căpșuni, sugerând că familia GRF poate crește numărul de gene și poate genera noi gene prin duplicare segmentară la diferite plante.
În acest studiu, un total de 34 de gene BjGRF au fost identificate la muștar, care au fost împărțite în 3 subfamilii. Aceste gene au prezentat motive conservate și structuri genetice similare. Analiza de coliniaritate a relevat 48 de perechi de duplicări de segmente la muștar. Regiunea promotorului BjGRF conține elemente cis-active asociate cu răspunsul la lumină, răspunsul hormonal, răspunsul la stresul de mediu și creșterea și dezvoltarea. Expresia a 34 de gene BjGRF a fost detectată în stadiul de răsad de muștar (rădăcini, tulpini, frunze), iar modelul de expresie a 10 gene BjGRF în condiții de secetă. S-a constatat că modelele de expresie ale genelor BjGRF în condiții de stres cauzat de secetă au fost similare și pot fi similare. Implicarea în reglarea forțată a secetei. Genele BjGRF03 și BjGRF32 pot juca roluri de reglare pozitive în stresul cauzat de secetă, în timp ce BjGRF06 și BjGRF23 joacă roluri în stresul cauzat de secetă ca gene țintă miR396. Per total, studiul nostru oferă o bază biologică pentru descoperirea viitoare a funcției genei BjGRF la plantele de Brassicaceae.
Semințele de muștar utilizate în acest experiment au fost furnizate de Institutul de Cercetare a Semințelor Oleaginoase din Guizhou, Academia de Științe Agricole din Guizhou. Selectați semințele întregi și plantați-le în sol (substrat: sol = 3:1), apoi colectați rădăcinile, tulpinile și frunzele după stadiul de patru frunze. Plantele au fost tratate cu PEG 6000 20% pentru a simula seceta, iar frunzele au fost colectate după 0, 3, 6, 12 și 24 de ore. Toate probele de plante au fost congelate imediat în azot lichid și apoi depozitate într-un congelator la -80°C pentru următorul test.
Toate datele obținute sau analizate în timpul acestui studiu sunt incluse în articolul publicat și în fișierele cu informații suplimentare.
Data publicării: 22 ian. 2025