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 alvorlig påvirker avlingen. Sennep er en spesiell oljefrøavling hovedsakelig dyrket i Guizhou-provinsen. Den har sterk tørketoleranse og kan dyrkes i fjellområder. Det er en rik ressurs av tørkeresistente gener. Oppdagelsen av tørkeresistente gener er av avgjørende betydning for forbedring av sennepsvarianter. og innovasjon i kimplasmaressurser. 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 Brassica17, men det er ingen rapporter om GRF-gener påvist i sennep. I denne studien ble GRF-familiegenene til sennep identifisert på genomomfattende nivå og deres fysiske og kjemiske egenskaper, evolusjonære forhold, homologi, konserverte motiver, genstruktur, gendupliseringer, cis-elementer og frøplantestadium (firebladsstadiet) 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 å bruke 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 varierer fra 261 aa (BjGRF19) til 905 aa (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 forutsagte molekylvektområdet til BjGRF er fra 29,82 kDa (BjGRF19) til 102,90 kDa (BjGRF28); ustabilitetsindeksen til 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), -1 gjennomsnittlig hydrofilitetsområde (GRAVY22). (BjGRF31) til -0,45 (BjGRF22), har alle de hydrofile BjGRF-proteinene negative GRAVY-verdier, noe som kan skyldes mangelen på hydrofobicitet forårsaket av restene. Subcellulær lokaliseringsprediksjon viste at 31 BjGRF-kodede proteiner kunne lokaliseres i kjernen, BjGRF04 kunne lokaliseres i peroksisomer, BjGRF25 kunne lokaliseres i cytoplasmaet og BjGRF28 kunne lokaliseres i kloroplaster (tabell 1), noe som indikerer at BjGRF kan spille en viktig rolle i kjernen. transkripsjonsfaktor.
Fylogenetisk analyse av GRF-familier i forskjellige arter kan bidra til å studere genfunksjoner. Derfor ble aminosyresekvensene i full lengde av 35 rapsfrø, 16 kålrot, 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 BjGRFs-gener i forskjellige underfamilier forskjellig, og genamplifisering og -tap kan ha skjedd. 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 og 1 hirse-GRF i gruppe B, og de fleste ris- og hirse-GRF-er er gruppert i én gren, noe som indikerer at BjGRF-er er nært beslektet med dikotyleblader. Blant dem gir de mest dyptgående studiene på GRF-funksjonen i Arabidopsis thaliana grunnlag for funksjonelle studier av BjGRF-er.
Filogenetisk sennepstre inkludert Brassica napus, Brassica napus, ris, hirse og medlemmer av Arabidopsis thaliana GRF-familien.
Analyse av repeterende gener i sennep 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.
Ettersom det globale klimaet fortsetter å endre seg, har det blitt et hett forskningstema å studere hvordan avlinger takler tørkestress og forbedre toleransemekanismene18. Etter tørke vil den morfologiske strukturen, genuttrykket og metabolske prosesser til planter endres, noe som kan føre til opphør av fotosyntese og metabolske forstyrrelser, noe som påvirker avlingen og kvaliteten på avlingene19,20,21. Når planter registrerer tørkesignaler, produserer de andre budbringere som Ca2+ og fosfatidylinositol, øker den intracellulære kalsiumionkonsentrasjonen og aktiverer det regulatoriske nettverket av proteinfosforyleringsvei22,23. Det endelige målproteinet er direkte involvert i cellulært forsvar eller regulerer ekspresjonen av relaterte stressgener gjennom TF-er, noe som øker plantetoleransen mot stress24,25. Dermed spiller TF-er en avgjørende rolle i å reagere på tørkestress. I henhold til sekvensen og DNA-bindende egenskapene til tørkestressresponsive TF-er, kan TF-er deles inn i forskjellige familier, slik 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 planteforsvarsrespons27. 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 av dem inneholder svært bevarte 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 bevart i evolusjonen, men antallet eksoner i BjGRF10-, BjGRF16-, BjGRP28- og BjGRF29-genene er større. Studier har vist at tillegg 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 antall 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 tjener som et middel til å generere nye gener for å hjelpe planter med å tilpasse seg ulike ugunstige miljøforhold38. Totalt 48 dupliserte genpar ble funnet i denne studien, som alle var segmentelle duplikasjoner, noe som indikerer at segmentelle duplikasjoner er hovedmekanismen for å øke antallet gener i denne familien. Det er rapportert i litteraturen at segmentell duplisering effektivt kan fremme amplifiseringen av GRF-genfamiliemedlemmer i Arabidopsis og jordbær, og ingen tandemduplikasjon av denne genfamilien ble funnet i noen av artene27,39. Resultatene av denne studien er i samsvar med eksisterende studier på Arabidopsis thaliana og jordbærfamilier, noe som tyder på at GRF-familien kan øke antall gener og generere nye gener gjennom segmentell duplisering i forskjellige planter.
I denne studien ble totalt 34 BjGRF-gener identifisert i sennep, som ble delt inn i 3 underfamilier. Disse genene viste lignende konserverte motiver og genstrukturer. Kollinearitetsanalyse avslørte 48 par segmentduplikasjoner i sennep. BjGRF-promoterregionen inneholder cis-virkende elementer assosiert med lysrespons, hormonell respons, miljøstressrespons og vekst og utvikling. Ekspresjonen av 34 BjGRF-gener ble påvist på sennepsfrøplantestadiet (røtter, stilker, blader), og ekspresjonsmønsteret til 10 BjGRF-gener under tørkeforhold. Det ble funnet at uttrykksmønstrene til BjGRF-gener under tørkestress var like og kan være like. involvering i tørke Tvinger regulering. 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 hele frøene og plant dem i jord (substrat: jord = 3:1), og samle røttene, stilkene og bladene etter firebladsstadiet. Plantene ble behandlet med 20 % PEG 6000 for å simulere tørke, og bladene ble samlet etter 0, 3, 6, 12 og 24 timer. Alle planteprøver ble umiddelbart frosset ned i flytende nitrogen og deretter lagret i en -80°C fryser for neste test.
Alle data innhentet eller analysert i løpet av denne studien er inkludert i den publiserte artikkelen og tilleggsinformasjonsfiler.
Innleggstid: Jan-22-2025