Η εποχιακή κατανομή των βροχοπτώσεων στην επαρχία Guizhou είναι άνιση, με περισσότερες βροχοπτώσεις την άνοιξη και το καλοκαίρι, αλλά τα σπορόφυτα ελαιοκράμβης είναι ευαίσθητα στην ξηρασία το φθινόπωρο και το χειμώνα, γεγονός που επηρεάζει σοβαρά την απόδοση. Η μουστάρδα είναι μια ειδική καλλιέργεια ελαιούχων σπόρων που καλλιεργείται κυρίως στην επαρχία Guizhou. Έχει ισχυρή ανοχή στην ξηρασία και μπορεί να καλλιεργηθεί σε ορεινές περιοχές. Είναι μια πλούσια πηγή γονιδίων ανθεκτικών στην ξηρασία. Η ανακάλυψη γονιδίων ανθεκτικών στην ξηρασία είναι κρίσιμης σημασίας για τη βελτίωση των ποικιλιών μουστάρδας. και την καινοτομία στους πόρους γερμπλασμάτων. Η οικογένεια GRF διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην ανάπτυξη και ανάπτυξη των φυτών και στην απόκριση στο στρες της ξηρασίας. Προς το παρόν, γονίδια GRF έχουν βρεθεί σε Arabidopsis 2, ρύζι (Oryza sativa) 12, κράμβη 13, βαμβάκι (Gossypium hirsutum) 14, σιτάρι (Triticum). aestivum)15, μαργαριτάρι (Setaria italica)16 και Brassica17, αλλά δεν υπάρχουν αναφορές για γονίδια GRF που ανιχνεύθηκαν στη μουστάρδα. Σε αυτή τη μελέτη, τα γονίδια της οικογένειας GRF της μουστάρδας αναγνωρίστηκαν σε επίπεδο γονιδιώματος και αναλύθηκαν τα φυσικά και χημικά τους χαρακτηριστικά, οι εξελικτικές σχέσεις, η ομολογία, τα διατηρημένα μοτίβα, η δομή γονιδίων, οι διπλασιασμοί γονιδίων, τα στοιχεία cis και το στάδιο δενδρυλλίων (στάδιο τεσσάρων φύλλων). Τα μοτίβα έκφρασης υπό το στρες ξηρασίας αναλύθηκαν εκτενώς για να παρέχουν μια επιστημονική βάση για περαιτέρω μελέτες σχετικά με την πιθανή λειτουργία των γονιδίων BjGRF στην απόκριση στην ξηρασία και για να παράσχουν υποψήφια γονίδια για αναπαραγωγή ανεκτικής στην ξηρασία μουστάρδας.
Τριάντα τέσσερα γονίδια BjGRF ταυτοποιήθηκαν στο γονιδίωμα Brassica juncea χρησιμοποιώντας δύο αναζητήσεις HMMER, οι οποίες περιέχουν όλες τις περιοχές QLQ και WRC. Οι ακολουθίες CDS των αναγνωρισμένων γονιδίων BjGRF παρουσιάζονται στον Συμπληρωματικό Πίνακα S1. Τα BjGRF01–BjGRF34 ονομάζονται με βάση τη θέση τους στο χρωμόσωμα. Οι φυσικοχημικές ιδιότητες αυτής της οικογένειας υποδεικνύουν ότι το μήκος του αμινοξέος είναι εξαιρετικά μεταβλητό, που κυμαίνεται από 261 aa (BjGRF19) έως 905 aa (BjGRF28). Το ισοηλεκτρικό σημείο του BjGRF κυμαίνεται από 6,19 (BjGRF02) έως 9,35 (BjGRF03) με μέσο όρο 8,33 και το 88,24% του BjGRF είναι βασική πρωτεΐνη. Το προβλεπόμενο εύρος μοριακού βάρους του BjGRF είναι από 29,82 kDa (BjGRF19) έως 102,90 kDa (BjGRF28). ο δείκτης αστάθειας των πρωτεϊνών BjGRF κυμαίνεται από 51,13 (BjGRF08) έως 78,24 (BjGRF19), όλοι είναι μεγαλύτεροι από 40, υποδεικνύοντας ότι ο δείκτης λιπαρών οξέων κυμαίνεται από 43,65 (BjGRF01) έως 78,78 (μέσος όρος υδροφιλικότητας BjGRFY22) (BjGRF31) έως -0,45 (BjGRF22), όλες οι υδρόφιλες πρωτεΐνες BjGRF έχουν αρνητικές τιμές GRAVY, οι οποίες μπορεί να οφείλονται στην έλλειψη υδροφοβικότητας που προκαλείται από τα υπολείμματα. Η πρόβλεψη του υποκυτταρικού εντοπισμού έδειξε ότι 31 κωδικοποιημένες πρωτεΐνες BjGRF θα μπορούσαν να εντοπιστούν στον πυρήνα, το BjGRF04 θα μπορούσε να εντοπιστεί στα υπεροξισώματα, το BjGRF25 θα μπορούσε να εντοπιστεί στο κυτταρόπλασμα και το BjGRF28 θα μπορούσε να εντοπιστεί σε χλωροπλάστες (Πίνακας 1), υποδεικνύοντας ότι ο τοπικός πυρήνας μπορεί να είναι ρυθμισμένος ρόλο ως παράγοντα μεταγραφής.
Η φυλογενετική ανάλυση των οικογενειών GRF σε διαφορετικά είδη μπορεί να βοηθήσει στη μελέτη των λειτουργιών των γονιδίων. Επομένως, οι πλήρους μήκους αλληλουχίες αμινοξέων 35 σπόρων ελαιοκράμβης, 16 γογγύλων, 12 ρυζιού, 10 κεχρί και 9 GRFs Arabidopsis λήφθηκαν και κατασκευάστηκε ένα φυλογενετικό δέντρο με βάση 34 αναγνωρισμένα γονίδια BjGRF (Εικ. 1). Οι τρεις υποοικογένειες περιέχουν διαφορετικούς αριθμούς μελών. 116 GRF TF χωρίζονται σε τρεις διαφορετικές υποοικογένειες (ομάδες A~C), που περιέχουν 59 (50,86%), 34 (29,31%) και 23 (19,83)% των GRFs, αντίστοιχα. Μεταξύ αυτών, 34 μέλη της οικογένειας BjGRF είναι διάσπαρτα σε 3 υποοικογένειες: 13 μέλη στην ομάδα Α (38,24%), 12 μέλη στην ομάδα Β (35,29%) και 9 μέλη στην ομάδα Γ (26,47%). Στη διαδικασία της πολυπλοειδοποίησης της μουστάρδας, ο αριθμός των γονιδίων BjGRFs σε διαφορετικές υποοικογένειες είναι διαφορετικός και μπορεί να έχει συμβεί ενίσχυση και απώλεια γονιδίου. Αξίζει να σημειωθεί ότι δεν υπάρχει διανομή GRF ρυζιού και κεχριού στην ομάδα C, ενώ υπάρχουν 2 GRF ρυζιού και 1 GRF κεχριού στην ομάδα Β και τα περισσότερα από τα GRFs ρυζιού και κεχρίου ομαδοποιούνται σε έναν κλάδο, γεγονός που δείχνει ότι οι BjGRF σχετίζονται στενά με τα δίκοτα. Μεταξύ αυτών, οι πιο σε βάθος μελέτες σχετικά με τη λειτουργία GRF στο Arabidopsis thaliana παρέχουν τη βάση για λειτουργικές μελέτες των BjGRFs.
Φυλογενετικό δέντρο μουστάρδας που περιλαμβάνει Brassica napus, Brassica napus, ρύζι, κεχρί και μέλη της οικογένειας Arabidopsis thaliana GRF.
Ανάλυση επαναλαμβανόμενων γονιδίων στην οικογένεια GRF της μουστάρδας. Η γκρίζα γραμμή στο φόντο αντιπροσωπεύει ένα συγχρονισμένο μπλοκ στο γονιδίωμα της μουστάρδας, η κόκκινη γραμμή αντιπροσωπεύει ένα ζεύγος τμηματικών επαναλήψεων του γονιδίου BjGRF.
Έκφραση γονιδίου BjGRF υπό στρες ξηρασίας στο στάδιο του τέταρτου φύλλου. Τα δεδομένα qRT-PCR εμφανίζονται στον Συμπληρωματικό Πίνακα S5. Οι σημαντικές διαφορές στα δεδομένα υποδεικνύονται με πεζά γράμματα.
Καθώς το παγκόσμιο κλίμα συνεχίζει να αλλάζει, η μελέτη του τρόπου με τον οποίο οι καλλιέργειες αντιμετωπίζουν το στρες της ξηρασίας και η βελτίωση των μηχανισμών ανοχής τους έχει γίνει ένα καυτό ερευνητικό θέμα18. Μετά την ξηρασία, η μορφολογική δομή, η γονιδιακή έκφραση και οι μεταβολικές διεργασίες των φυτών θα αλλάξουν, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε παύση της φωτοσύνθεσης και μεταβολικές διαταραχές, επηρεάζοντας την απόδοση και την ποιότητα των καλλιεργειών19,20,21. Όταν τα φυτά αισθάνονται σήματα ξηρασίας, παράγουν δεύτερους αγγελιοφόρους όπως Ca2+ και φωσφατιδυλινοσιτόλη, αυξάνουν την ενδοκυτταρική συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου και ενεργοποιούν το ρυθμιστικό δίκτυο της οδού φωσφορυλίωσης των πρωτεϊνών22,23. Η τελική πρωτεΐνη στόχος εμπλέκεται άμεσα στην κυτταρική άμυνα ή ρυθμίζει την έκφραση των σχετικών γονιδίων του στρες μέσω των TFs, ενισχύοντας την ανοχή των φυτών στο στρες24,25. Έτσι, τα TF διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην απόκριση στο στρες της ξηρασίας. Σύμφωνα με την αλληλουχία και τις ιδιότητες δέσμευσης DNA των TF που ανταποκρίνονται σε στρες ξηρασίας, τα TF μπορούν να χωριστούν σε διαφορετικές οικογένειες, όπως GRF, ERF, MYB, WRKY και άλλες οικογένειες26.
Η οικογένεια γονιδίων GRF είναι ένας τύπος φυτοειδούς TF που παίζει σημαντικούς ρόλους σε διάφορες πτυχές όπως η ανάπτυξη, η ανάπτυξη, η μεταγωγή σήματος και οι αποκρίσεις άμυνας των φυτών27. Από τότε που αναγνωρίστηκε το πρώτο γονίδιο GRF στο O. sativa28, όλο και περισσότερα γονίδια GRF έχουν ταυτοποιηθεί σε πολλά είδη και έχουν αποδειχθεί ότι επηρεάζουν την ανάπτυξη, την ανάπτυξη και την απόκριση του στρες των φυτών8, 29, 30,31,32. Με τη δημοσίευση της αλληλουχίας γονιδιώματος Brassica juncea, η ταυτοποίηση της οικογένειας γονιδίων BjGRF κατέστη δυνατή33. Σε αυτή τη μελέτη, 34 γονίδια BjGRF αναγνωρίστηκαν σε ολόκληρο το γονιδίωμα της μουστάρδας και ονομάστηκαν BjGRF01–BjGRF34 με βάση τη χρωμοσωμική τους θέση. Όλα αυτά περιέχουν εξαιρετικά διατηρημένους τομείς QLQ και WRC. Η ανάλυση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων έδειξε ότι οι διαφορές στους αριθμούς αμινοξέων και στα μοριακά βάρη των πρωτεϊνών BjGRF (εκτός του BjGRF28) δεν ήταν σημαντικές, υποδεικνύοντας ότι τα μέλη της οικογένειας BjGRF μπορεί να έχουν παρόμοιες λειτουργίες. Η ανάλυση γονιδιακής δομής έδειξε ότι το 64,7% των γονιδίων BjGRF περιείχαν 4 εξόνια, υποδεικνύοντας ότι η δομή του γονιδίου BjGRF διατηρείται σχετικά στην εξέλιξη, αλλά ο αριθμός των εξονίων στα γονίδια BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 και BjGRF29 είναι μεγαλύτερος. Μελέτες έχουν δείξει ότι η προσθήκη ή η διαγραφή εξονίων ή ιντρονίων μπορεί να οδηγήσει σε διαφορές στη δομή και τη λειτουργία των γονιδίων, δημιουργώντας έτσι νέα γονίδια34,35,36. Επομένως, εικάζουμε ότι το εσώνιο του BjGRF χάθηκε κατά την εξέλιξη, κάτι που μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στη λειτουργία των γονιδίων. Σε συμφωνία με τις υπάρχουσες μελέτες, διαπιστώσαμε επίσης ότι ο αριθμός των εσωνίων συσχετίστηκε με τη γονιδιακή έκφραση. Όταν ο αριθμός των εσωνίων σε ένα γονίδιο είναι μεγάλος, το γονίδιο μπορεί να ανταποκριθεί γρήγορα σε διάφορους δυσμενείς παράγοντες.
Ο διπλασιασμός των γονιδίων είναι ένας σημαντικός παράγοντας στη γονιδιωματική και γενετική εξέλιξη37. Σχετικές μελέτες έχουν δείξει ότι ο διπλασιασμός γονιδίων όχι μόνο αυξάνει τον αριθμό των γονιδίων GRF, αλλά χρησιμεύει επίσης ως μέσο παραγωγής νέων γονιδίων που βοηθούν τα φυτά να προσαρμοστούν σε διάφορες δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες38. Σε αυτή τη μελέτη βρέθηκαν συνολικά 48 διπλά ζεύγη γονιδίων, τα οποία ήταν όλα τμηματικοί διπλασιασμοί, υποδεικνύοντας ότι οι τμηματικοί διπλασιασμοί είναι ο κύριος μηχανισμός για την αύξηση του αριθμού των γονιδίων σε αυτήν την οικογένεια. Έχει αναφερθεί στη βιβλιογραφία ότι ο τμηματικός διπλασιασμός μπορεί να προωθήσει αποτελεσματικά την ενίσχυση των μελών της οικογένειας γονιδίων GRF σε Arabidopsis και φράουλα, και δεν βρέθηκε διπλός διπλασιασμός αυτής της οικογένειας γονιδίων σε κανένα από τα είδη27,39. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης είναι σύμφωνα με τις υπάρχουσες μελέτες για τις οικογένειες Arabidopsis thaliana και φράουλας, υποδηλώνοντας ότι η οικογένεια GRF μπορεί να αυξήσει τον αριθμό των γονιδίων και να δημιουργήσει νέα γονίδια μέσω τμηματικού διπλασιασμού σε διαφορετικά φυτά.
Σε αυτή τη μελέτη, εντοπίστηκαν συνολικά 34 γονίδια BjGRF στη μουστάρδα, τα οποία χωρίστηκαν σε 3 υποοικογένειες. Αυτά τα γονίδια έδειξαν παρόμοια διατηρημένα μοτίβα και γονιδιακές δομές. Η ανάλυση συγγραμμικότητας αποκάλυψε 48 ζεύγη αντιγραφών τμημάτων στη μουστάρδα. Η περιοχή προαγωγέα BjGRF περιέχει στοιχεία που δρουν cis που σχετίζονται με την απόκριση στο φως, την ορμονική απόκριση, την απόκριση στο περιβαλλοντικό στρες και την ανάπτυξη και ανάπτυξη. Η έκφραση 34 γονιδίων BjGRF ανιχνεύθηκε στο στάδιο δενδρυλλίων μουστάρδας (ρίζες, μίσχοι, φύλλα) και το πρότυπο έκφρασης 10 γονιδίων BjGRF υπό συνθήκες ξηρασίας. Διαπιστώθηκε ότι τα πρότυπα έκφρασης των γονιδίων BjGRF υπό συνθήκες ξηρασίας ήταν παρόμοια και μπορεί να είναι παρόμοια. εμπλοκή στην ξηρασία Αναγκαστική ρύθμιση. Τα γονίδια BjGRF03 και BjGRF32 μπορεί να παίζουν θετικούς ρυθμιστικούς ρόλους στο στρες ξηρασίας, ενώ τα BjGRF06 και BjGRF23 παίζουν ρόλο στο στρες ξηρασίας ως γονίδια-στόχοι miR396. Συνολικά, η μελέτη μας παρέχει μια βιολογική βάση για μελλοντική ανακάλυψη της λειτουργίας γονιδίου BjGRF σε φυτά Brassicaceae.
Οι σπόροι μουστάρδας που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτό το πείραμα παρασχέθηκαν από το Guizhou Oil Seed Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences. Διαλέξτε ολόκληρους τους σπόρους και φυτέψτε τους σε χώμα (υπόστρωμα: χώμα = 3:1) και συλλέξτε τις ρίζες, τους μίσχους και τα φύλλα μετά το στάδιο των τεσσάρων φύλλων. Τα φυτά υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με 20% PEG 6000 για προσομοίωση ξηρασίας και τα φύλλα συλλέχθηκαν μετά από 0, 3, 6, 12 και 24 ώρες. Όλα τα δείγματα φυτών καταψύχθηκαν αμέσως σε υγρό άζωτο και στη συνέχεια αποθηκεύτηκαν σε καταψύκτη -80°C για την επόμενη δοκιμή.
Όλα τα δεδομένα που ελήφθησαν ή αναλύθηκαν κατά τη διάρκεια αυτής της μελέτης περιλαμβάνονται στο δημοσιευμένο άρθρο και σε συμπληρωματικά αρχεία πληροφοριών.
Ώρα δημοσίευσης: Ιαν-22-2025