Den sesongmessige fordelingen av nedbør i Guizhou-provinsen er ujevn, med mer nedbør om våren og sommeren, men rapsfrøplantene er utsatt for tørkestress om høsten og vinteren, noe som påvirker avlingen alvorlig. Sennep er en spesiell oljevekst som hovedsakelig dyrkes i Guizhou-provinsen. Den har sterk tørketoleranse og kan dyrkes i fjellområder. Den er en rik ressurs av tørkeresistente gener. Oppdagelsen av tørkeresistente gener er av avgjørende betydning for forbedring av sennepssorter og innovasjon innen kimplasmeressurser. GRF-familien spiller en kritisk rolle i plantevekst og -utvikling og responsen på tørkestress. For tiden er GRF-gener funnet i Arabidopsis 2, ris (Oryza sativa) 12, raps 13, bomull (Gossypium hirsutum) 14, hvete (Triticum aestivum) 15, perlehirse (Setaria italica) 16 og Brassica 17, men det er ingen rapporter om GRF-gener oppdaget i sennep. I denne studien ble GRF-familiegenene til sennep identifisert på genomnivå, og deres fysiske og kjemiske egenskaper, evolusjonære forhold, homologi, konserverte motiver, genstruktur, genduplikasjoner, cis-elementer og frøplantestadium (firebladstadium) ble analysert. Ekspresjonsmønstrene under tørkestress ble grundig analysert for å gi et vitenskapelig grunnlag for videre studier av den potensielle funksjonen til BjGRF-gener i tørkerespons og for å gi kandidatgener for avl av tørketolerant sennep.
Trettifire BjGRF-gener ble identifisert i Brassica juncea-genomet ved hjelp av to HMMER-søk, som alle inneholder QLQ- og WRC-domenene. CDS-sekvensene til de identifiserte BjGRF-genene er presentert i tilleggstabell S1. BjGRF01–BjGRF34 er navngitt basert på deres plassering på kromosomet. De fysisk-kjemiske egenskapene til denne familien indikerer at aminosyrelengden er svært variabel, og strekker seg fra 261 aminosyrer (BjGRF19) til 905 aminosyrer (BjGRF28). Det isoelektriske punktet til BjGRF varierer fra 6,19 (BjGRF02) til 9,35 (BjGRF03) med et gjennomsnitt på 8,33, og 88,24 % av BjGRF er et basisk protein. Det predikerte molekylvektområdet for BjGRF er fra 29,82 kDa (BjGRF19) til 102,90 kDa (BjGRF28); Instabilitetsindeksen for BjGRF-proteiner varierer fra 51,13 (BjGRF08) til 78,24 (BjGRF19), alle er større enn 40, noe som indikerer at fettsyreindeksen varierer fra 43,65 (BjGRF01) til 78,78 (BjGRF22), den gjennomsnittlige hydrofilisiteten (GRAVY) varierer fra -1,07 (BjGRF31) til -0,45 (BjGRF22), alle de hydrofile BjGRF-proteinene har negative GRAVY-verdier, noe som kan skyldes mangelen på hydrofobisitet forårsaket av restene. Subcellulær lokaliseringsprediksjon viste at 31 BjGRF-kodede proteiner kunne være lokalisert i kjernen, BjGRF04 kunne være lokalisert i peroksisomer, BjGRF25 kunne være lokalisert i cytoplasmaet, og BjGRF28 kunne være lokalisert i kloroplaster (tabell 1), noe som indikerer at BjGRF-er kan være lokalisert i kjernen og spille en viktig regulatorisk rolle som en transkripsjonsfaktor.
Fylogenetisk analyse av GRF-familier i forskjellige arter kan bidra til å studere genfunksjoner. Derfor ble aminosyresekvensene i full lengde til 35 raps-, 16 nepe-, 12 ris-, 10 hirse- og 9 Arabidopsis-GRF-er lastet ned, og et fylogenetisk tre ble konstruert basert på 34 identifiserte BjGRF-gener (fig. 1). De tre underfamiliene inneholder ulikt antall medlemmer; 116 GRF TF-er er delt inn i tre forskjellige underfamilier (gruppe A~C), som inneholder henholdsvis 59 (50,86 %), 34 (29,31 %) og 23 (19,83) % av GRF-ene. Blant dem er 34 BjGRF-familiemedlemmer spredt over 3 underfamilier: 13 medlemmer i gruppe A (38,24 %), 12 medlemmer i gruppe B (35,29 %) og 9 medlemmer i gruppe C (26,47 %). I prosessen med sennepspolyploidisering er antallet BjGRF-gener i forskjellige underfamilier forskjellig, og genamplifisering og -tap kan ha oppstått. Det er verdt å merke seg at det ikke er noen fordeling av ris- og hirse-GRF-er i gruppe C, mens det er 2 ris-GRF-er og 1 hirse-GRF i gruppe B, og de fleste ris- og hirse-GRF-ene er gruppert i én gren, noe som indikerer at BjGRF-er er nært beslektet med tokimbladede planter. Blant dem gir de mest dyptgående studiene av GRF-funksjonen i Arabidopsis thaliana grunnlag for funksjonelle studier av BjGRF-er.
Fylogenetisk tre av sennep inkludert Brassica napus, Brassica napus, ris, hirse og medlemmer av Arabidopsis thaliana GRF-familien.
Analyse av repeterende gener i senneps-GRF-familien. Den grå linjen i bakgrunnen representerer en synkronisert blokk i sennepsgenomet, den røde linjen representerer et par segmenterte repetisjoner av BjGRF-genet;
BjGRF-genuttrykk under tørkestress i fjerde bladstadium. qRT-PCR-data er vist i tilleggstabell S5. Signifikante forskjeller i data er angitt med små bokstaver.
Etter hvert som det globale klimaet fortsetter å endre seg, har det blitt et hett forskningstema å studere hvordan avlinger takler tørkestress og forbedre toleransemekanismene deres18. Etter tørke vil plantenes morfologiske struktur, genuttrykk og metabolske prosesser endres, noe som kan føre til at fotosyntesen opphører og metabolske forstyrrelser, noe som påvirker avlingenes utbytte og kvalitet19,20,21. Når planter registrerer tørkesignaler, produserer de andre budbringere som Ca2+ og fosfatidylinositol, øker den intracellulære kalsiumionkonsentrasjonen og aktiverer det regulatoriske nettverket av proteinfosforyleringsveien22,23. Det endelige målproteinet er direkte involvert i cellulært forsvar eller regulerer uttrykket av relaterte stressgener gjennom TF-er, noe som forbedrer plantenes toleranse for stress24,25. Dermed spiller TF-er en avgjørende rolle i å reagere på tørkestress. I henhold til sekvensen og DNA-bindingsegenskapene til tørkestress-responsive TF-er, kan TF-er deles inn i forskjellige familier, som GRF, ERF, MYB, WRKY og andre familier26.
GRF-genfamilien er en type plantespesifikk TF som spiller viktige roller i ulike aspekter som vekst, utvikling, signaltransduksjon og planteforsvarsresponser27. Siden det første GRF-genet ble identifisert i O. sativa28, har flere og flere GRF-gener blitt identifisert i mange arter og vist å påvirke plantevekst, utvikling og stressrespons8, 29, 30,31,32. Med publiseringen av Brassica juncea-genomsekvensen ble identifiseringen av BjGRF-genfamilien mulig33. I denne studien ble 34 BjGRF-gener identifisert i hele sennepsgenomet og kalt BjGRF01–BjGRF34 basert på deres kromosomale posisjon. Alle inneholder svært konserverte QLQ- og WRC-domener. Analyse av de fysisk-kjemiske egenskapene viste at forskjellene i aminosyretall og molekylvekter til BjGRF-proteinene (unntatt BjGRF28) ikke var signifikante, noe som indikerer at BjGRF-familiemedlemmene kan ha lignende funksjoner. Genstrukturanalyse viste at 64,7 % av BjGRF-genene inneholdt 4 eksoner, noe som indikerer at BjGRF-genstrukturen er relativt konservert i evolusjonen, men antallet eksoner i BjGRF10-, BjGRF16-, BjGRP28- og BjGRF29-genene er større. Studier har vist at tilføyelse eller sletting av eksoner eller introner kan føre til forskjeller i genstruktur og -funksjon, og dermed skape nye gener34,35,36. Derfor spekulerer vi i at intronet til BjGRF gikk tapt under evolusjonen, noe som kan forårsake endringer i genfunksjonen. I samsvar med eksisterende studier fant vi også at antallet introner var assosiert med genuttrykk. Når antallet introner i et gen er stort, kan genet raskt reagere på ulike ugunstige faktorer.
Genduplisering er en viktig faktor i genomisk og genetisk evolusjon37. Relaterte studier har vist at genduplisering ikke bare øker antallet GRF-gener, men også fungerer som et middel for å generere nye gener som hjelper planter med å tilpasse seg ulike ugunstige miljøforhold38. Totalt 48 dupliserte genpar ble funnet i denne studien, som alle var segmentale duplikasjoner, noe som indikerer at segmentale duplikasjoner er den viktigste mekanismen for å øke antallet gener i denne familien. Det har blitt rapportert i litteraturen at segmental duplikasjon effektivt kan fremme amplifiseringen av GRF-genfamiliemedlemmer i Arabidopsis og jordbær, og ingen tandemduplisering av denne genfamilien ble funnet i noen av artene27,39. Resultatene av denne studien er i samsvar med eksisterende studier av Arabidopsis thaliana og jordbærfamilier, noe som tyder på at GRF-familien kan øke antallet gener og generere nye gener gjennom segmental duplikasjon i forskjellige planter.
I denne studien ble totalt 34 BjGRF-gener identifisert i sennep, som ble delt inn i tre underfamilier. Disse genene viste lignende konserverte motiver og genstrukturer. Kollinearitetsanalyse avdekket 48 par segmentduplikasjoner i sennep. BjGRF-promotorregionen inneholder cis-virkende elementer assosiert med lysrespons, hormonrespons, miljøstressrespons og vekst og utvikling. Ekspresjonen av 34 BjGRF-gener ble detektert i sennepsfrøplantestadiet (røtter, stilker, blader), og ekspresjonsmønsteret til 10 BjGRF-gener under tørkeforhold. Det ble funnet at ekspresjonsmønstrene til BjGRF-gener under tørkestress var like og kan være like. BjGRF03- og BjGRF32-gener kan spille positive regulatoriske roller i tørkestress, mens BjGRF06 og BjGRF23 spiller roller i tørkestress som miR396-målgener. Samlet sett gir studien vår et biologisk grunnlag for fremtidig oppdagelse av BjGRF-genfunksjon i Brassicaceae-planter.
Sennepsfrøene som ble brukt i dette eksperimentet ble levert av Guizhou Oil Seed Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences. Velg ut hele frø og plant dem i jord (substrat: jord = 3:1), og samle røtter, stilker og blader etter firbladstadiet. Plantene ble behandlet med 20 % PEG 6000 for å simulere tørke, og bladene ble samlet inn etter 0, 3, 6, 12 og 24 timer. Alle planteprøvene ble umiddelbart frosset i flytende nitrogen og deretter lagret i en -80 °C fryser for neste test.
Alle data som er innhentet eller analysert i løpet av denne studien er inkludert i den publiserte artikkelen og tilleggsinformasjonsfilene.
Publisert: 22. januar 2025