Sezonska raspodjela padavina u provinciji Guizhou je neujednačena, s više padavina u proljeće i ljeto, ali su sadnice uljane repice osjetljive na stres suše u jesen i zimu, što ozbiljno utiče na prinos. Senf je posebna uljarica koja se uglavnom uzgaja u provinciji Guizhou. Ima snažnu otpornost na sušu i može se uzgajati u planinskim područjima. Bogat je resurs gena otpornih na sušu. Otkriće gena otpornih na sušu od ključne je važnosti za poboljšanje sorti senfa i inovacije u resursima germplazme. GRF porodica igra ključnu ulogu u rastu i razvoju biljaka i odgovoru na stres suše. Trenutno su GRF geni pronađeni kod Arabidopsis 2, riže (Oryza sativa) 12, uljane repice 13, pamuka (Gossypium hirsutum) 14, pšenice (Triticum aestivum) 15, bisernog prosa (Setaria italica) 16 i Brassica 17, ali nema izvještaja o GRF genima otkrivenim kod senfa. U ovoj studiji, geni GRF porodice gorušice identificirani su na nivou cijelog genoma i analizirane su njihove fizičke i hemijske karakteristike, evolucijski odnosi, homologija, konzervirani motivi, genska struktura, duplikacije gena, cis-elementi i stadij sadnice (stadij četiri lista). Obrasci ekspresije pod stresom suše sveobuhvatno su analizirani kako bi se pružila naučna osnova za daljnja istraživanja o potencijalnoj funkciji BjGRF gena u odgovoru na sušu i kako bi se osigurali kandidatski geni za oplemenjivanje gorušice otporne na sušu.
Trideset četiri BjGRF gena identificirana su u genomu Brassica juncea korištenjem dvije HMMER pretrage, od kojih svi sadrže QLQ i WRC domene. CDS sekvence identificiranih BjGRF gena prikazane su u Dodatnoj tabeli S1. BjGRF01–BjGRF34 su nazvani na osnovu njihove lokacije na hromosomu. Fizičko-hemijska svojstva ove porodice ukazuju na to da je dužina aminokiselina vrlo varijabilna, u rasponu od 261 aminokiseline (BjGRF19) do 905 aminokiselina (BjGRF28). Izoelektrična tačka BjGRF kreće se od 6,19 (BjGRF02) do 9,35 (BjGRF03) sa prosjekom od 8,33, a 88,24% BjGRF je bazni protein. Predviđeni raspon molekularne težine BjGRF je od 29,82 kDa (BjGRF19) do 102,90 kDa (BjGRF28); Indeks nestabilnosti BjGRF proteina kreće se od 51,13 (BjGRF08) do 78,24 (BjGRF19), svi su veći od 40, što ukazuje da se indeks masnih kiselina kreće od 43,65 (BjGRF01) do 78,78 (BjGRF22), prosječna hidrofilnost (GRAVY) kreće se od -1,07 (BjGRF31) do -0,45 (BjGRF22), svi hidrofilni BjGRF proteini imaju negativne GRAVY vrijednosti, što može biti posljedica nedostatka hidrofobnosti uzrokovane ostacima. Predviđanje subcelularne lokalizacije pokazalo je da se 31 protein kodiran od strane BjGRF-a može lokalizirati u jezgru, BjGRF04 se može lokalizirati u peroksizomima, BjGRF25 se može lokalizirati u citoplazmi, a BjGRF28 se može lokalizirati u hloroplastima (Tabela 1), što ukazuje na to da bi BjGRF-ovi mogli biti lokalizirani u jezgru i igrati važnu regulatornu ulogu kao transkripcijski faktor.
Filogenetska analiza GRF porodica kod različitih vrsta može pomoći u proučavanju genskih funkcija. Stoga su preuzete pune aminokiselinske sekvence 35 GRF-ova uljane repice, 16 repe, 12 riže, 10 prosa i 9 Arabidopsis GRF-ova, a filogenetsko stablo je konstruirano na osnovu 34 identificirana BjGRF gena (Sl. 1). Tri podfamilije sadrže različit broj članova; 116 GRF TF-ova podijeljeno je u tri različite podfamilije (grupe A~C), koje sadrže 59 (50,86%), 34 (29,31%) i 23 (19,83)% GRF-ova. Među njima, 34 člana BjGRF porodice raspršena su u 3 podfamilije: 13 članova u grupi A (38,24%), 12 članova u grupi B (35,29%) i 9 članova u grupi C (26,47%). U procesu poliploidizacije gorušice, broj BjGRF gena u različitim podfamilijama je različit, te je moguće da je došlo do amplifikacije i gubitka gena. Vrijedi napomenuti da ne postoji distribucija GRF-ova riže i prosa u grupi C, dok u grupi B postoje 2 GRF-a riže i 1 GRF prosa, a većina GRF-ova riže i prosa je grupirana u jednoj grani, što ukazuje na to da su BjGRF-ovi blisko povezani s dikotima. Među njima, najdetaljnije studije o funkciji GRF-a kod Arabidopsis thaliana pružaju osnovu za funkcionalne studije BjGRF-ova.
Filogenetsko stablo gorušice uključujući Brassica napus, Brassica napus, rižu, proso i članove porodice Arabidopsis thaliana GRF.
Analiza repetitivnih gena u porodici GRF gorušice. Siva linija u pozadini predstavlja sinhronizirani blok u genomu gorušice, crvena linija predstavlja par segmentiranih ponavljanja gena BjGRF;
Ekspresija gena BjGRF pod stresom suše u fazi četvrtog lista. Podaci qRT-PCR prikazani su u Dodatnoj tabeli S5. Značajne razlike u podacima označene su malim slovima.
Kako se globalna klima nastavlja mijenjati, proučavanje načina na koji se usjevi nose sa stresom uzrokovanim sušom i poboljšanje njihovih mehanizama tolerancije postalo je vruća tema istraživanja18. Nakon suše, morfološka struktura, ekspresija gena i metabolički procesi biljaka će se promijeniti, što može dovesti do prestanka fotosinteze i metaboličkih poremećaja, utičući na prinos i kvalitet usjeva19,20,21. Kada biljke osjete signale suše, one proizvode sekundarne glasnike poput Ca2+ i fosfatidilinozitola, povećavaju intracelularnu koncentraciju kalcijumovih iona i aktiviraju regulatornu mrežu puta fosforilacije proteina22,23. Konačni ciljni protein je direktno uključen u ćelijsku odbranu ili reguliše ekspresiju srodnih gena stresa putem transkripcionih faktora (TF), povećavajući toleranciju biljaka na stres24,25. Dakle, TF igraju ključnu ulogu u odgovoru na stres uzrokovan sušom. Prema sekvenci i svojstvima vezivanja DNK TF-ova koji reaguju na stres uzrokovan sušom, TF-ovi se mogu podijeliti u različite porodice, kao što su GRF, ERF, MYB, WRKY i druge porodice26.
Porodica gena GRF je vrsta biljno specifičnog faktora transkripcije koji igra važnu ulogu u različitim aspektima kao što su rast, razvoj, transdukcija signala i odbrambeni odgovori biljaka27. Od kada je prvi GRF gen identifikovan kod O. sativa28, sve više GRF gena je identifikovano kod mnogih vrsta i pokazalo se da utiču na rast, razvoj i odgovor biljaka na stres8, 29, 30,31,32. Objavljivanjem sekvence genoma Brassica juncea, identifikacija porodice gena BjGRF postala je moguća33. U ovoj studiji, 34 BjGRF gena su identifikovana u cijelom genomu gorušice i nazvana BjGRF01–BjGRF34 na osnovu njihovog hromosomskog položaja. Svi oni sadrže visoko konzervirane QLQ i WRC domene. Analiza fizičko-hemijskih svojstava pokazala je da razlike u broju aminokiselina i molekularnim težinama BjGRF proteina (osim BjGRF28) nisu bile značajne, što ukazuje da članovi porodice BjGRF mogu imati slične funkcije. Analiza genske strukture pokazala je da 64,7% BjGRF gena sadrži 4 eksona, što ukazuje na to da je struktura BjGRF gena relativno očuvana u evoluciji, ali je broj eksona u genima BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 i BjGRF29 veći. Studije su pokazale da dodavanje ili brisanje eksona ili introna može dovesti do razlika u strukturi i funkciji gena, čime se stvaraju novi geni34,35,36. Stoga pretpostavljamo da je intron BjGRF izgubljen tokom evolucije, što može uzrokovati promjene u funkciji gena. U skladu s postojećim studijama, također smo otkrili da je broj introna povezan s ekspresijom gena. Kada je broj introna u genu velik, gen može brzo reagirati na različite nepovoljne faktore.
Duplikacija gena je glavni faktor u genomskoj i genetičkoj evoluciji37. Srodne studije su pokazale da duplikacija gena ne samo da povećava broj GRF gena, već služi i kao sredstvo za generiranje novih gena koji pomažu biljkama da se prilagode različitim nepovoljnim uvjetima okoline38. U ovoj studiji pronađeno je ukupno 48 dupliciranih parova gena, od kojih su sve bile segmentalne duplikacije, što ukazuje na to da su segmentalne duplikacije glavni mehanizam za povećanje broja gena u ovoj porodici. U literaturi je objavljeno da segmentalna duplikacija može efikasno promovirati amplifikaciju članova porodice GRF gena kod Arabidopsis i jagode, a nije pronađena tandemska duplikacija ove porodice gena ni u jednoj od vrsta27,39. Rezultati ove studije su u skladu s postojećim studijama o porodicama Arabidopsis thaliana i jagode, što sugerira da porodica GRF može povećati broj gena i generirati nove gene putem segmentalne duplikacije u različitim biljkama.
U ovoj studiji, ukupno 34 BjGRF gena su identificirana u gorušici, koji su podijeljeni u 3 podfamilije. Ovi geni su pokazali slične konzervirane motive i genske strukture. Analiza kolinearnosti otkrila je 48 parova duplikacija segmenata u gorušici. BjGRF promotorska regija sadrži cis-djelujuće elemente povezane sa odgovorom na svjetlost, hormonalnim odgovorom, odgovorom na stres iz okoliša te rastom i razvojem. Ekspresija 34 BjGRF gena detektovana je u fazi sadnice gorušice (korijenje, stabljike, listovi), a obrazac ekspresije 10 BjGRF gena u uvjetima suše. Utvrđeno je da su obrasci ekspresije BjGRF gena pod stresom suše bili slični i mogu biti slični. Geni BjGRF03 i BjGRF32 mogu igrati pozitivnu regulatornu ulogu u stresu suše, dok BjGRF06 i BjGRF23 igraju ulogu u stresu suše kao ciljni geni miR396. Sveukupno, naša studija pruža biološku osnovu za buduće otkrivanje funkcije BjGRF gena u biljkama Brassicaceae.
Sjemenke gorušice korištene u ovom eksperimentu obezbijedio je Istraživački institut za uljarice Guizhou, Akademije poljoprivrednih nauka Guizhou. Odaberite cijele sjemenke i posadite ih u zemlju (supstrat: zemlja = 3:1), te sakupite korijenje, stabljike i listove nakon faze četiri lista. Biljke su tretirane sa 20% PEG 6000 kako bi se simulirala suša, a listovi su sakupljeni nakon 0, 3, 6, 12 i 24 sata. Svi uzorci biljaka su odmah zamrznuti u tekućem dušiku, a zatim pohranjeni u zamrzivaču na -80°C za sljedeći test.
Svi podaci dobijeni ili analizirani tokom ove studije uključeni su u objavljeni članak i dodatne informativne datoteke.
Vrijeme objave: 22. januar 2025.