Sezónní rozložení srážek v provincii Kuej-čou je nerovnoměrné, více srážek na jaře a v létě, ale sazenice řepky jsou na podzim a v zimě náchylné ke stresu ze sucha, což vážně ovlivňuje výnos. Hořčice je speciální olejnatá plodina pěstovaná převážně v provincii Guizhou. Má silnou toleranci vůči suchu a lze ji pěstovat v horských oblastech. Je bohatým zdrojem genů odolných vůči suchu. Objev genů odolných vůči suchu má zásadní význam pro zlepšení odrůd hořčice. a inovace zdrojů zárodečné plazmy. Rodina GRF hraje klíčovou roli v růstu a vývoji rostlin a v reakci na stres ze sucha. V současnosti byly geny GRF nalezeny u Arabidopsis 2, rýže (Oryza sativa) 12, řepky 13, bavlny (Gossypium hirsutum) 14, pšenice (Triticum). aestivum)15, perlové proso (Setaria italica)16 a Brassica17, ale nejsou žádné zprávy o genech GRF detekovaných v hořčici. V této studii byly geny hořčice rodiny GRF identifikovány na úrovni celého genomu a byly analyzovány jejich fyzikální a chemické vlastnosti, evoluční vztahy, homologie, konzervované motivy, genová struktura, genové duplikace, cis-elementy a stádium semenáčků (fáze čtyř listů). Vzorce exprese při stresu ze sucha byly komplexně analyzovány, aby poskytly vědecký základ pro další studie o potenciální funkci genů BjGRF v reakci na sucho a poskytly kandidátní geny pro šlechtění hořčice tolerantní k suchu.
Třicet čtyři genů BjGRF bylo identifikováno v genomu Brassica juncea pomocí dvou vyhledávání HMMER, z nichž všechny obsahují domény QLQ a WRC. CDS sekvence identifikovaných BjGRF genů jsou uvedeny v doplňkové tabulce S1. BjGRF01–BjGRF34 jsou pojmenovány na základě jejich umístění na chromozomu. Fyzikálně-chemické vlastnosti této rodiny ukazují, že délka aminokyselin je vysoce variabilní, v rozmezí od 261 aa (BjGRF19) do 905 aa (BjGRF28). Izoelektrický bod BjGRF se pohybuje od 6,19 (BjGRF02) do 9,35 (BjGRF03) s průměrem 8,33 a 88,24 % BjGRF je bazický protein. Předpokládaný rozsah molekulové hmotnosti BjGRF je od 29,82 kDa (BjGRF19) do 102,90 kDa (BjGRF28); index nestability proteinů BjGRF se pohybuje od 51,13 (BjGRF08) do 78,24 (BjGRF19), všechny jsou vyšší než 40, což naznačuje, že index mastných kyselin se pohybuje od 43,65 (BjGRF01) do 78,78 (BjGRF22), průměrná hydrofilita (BjGRF08) (GRAV) -3107. do -0,45 (BjGRF22), všechny hydrofilní proteiny BjGRF mají negativní hodnoty GRAVY, což může být způsobeno nedostatkem hydrofobnosti způsobené zbytky. Predikce subcelulární lokalizace ukázala, že 31 proteinů kódovaných BjGRF by mohlo být lokalizováno v jádře, BjGRF04 by mohl být lokalizován v peroxisomech, BjGRF25 by mohl být lokalizován v cytoplazmě a BjGRF28 by mohl být lokalizován v chloroplastech (Tabulka 1), což naznačuje, že BjGRFs mohou být lokalizovány jako důležitý faktor transnukleárního a transkripčního faktoru.
Fylogenetická analýza rodin GRF u různých druhů může pomoci při studiu genových funkcí. Proto byly staženy kompletní aminokyselinové sekvence 35 řepkových semen, 16 tuřín, 12 rýže, 10 prosa a 9 GRF Arabidopsis a na základě 34 identifikovaných genů BjGRF byl zkonstruován fylogenetický strom (obr. 1). Tyto tři podrodiny obsahují různé počty členů; 116 GRF TF je rozděleno do tří různých podrodin (skupiny A~C), které obsahují 59 (50,86 %), 34 (29,31 %) a 23 (19,83) % GRF. Mezi nimi je 34 členů rodiny BjGRF rozptýleno ve 3 podrodinách: 13 členů ve skupině A (38,24 %), 12 členů ve skupině B (35,29 %) a 9 členů ve skupině C (26,47 %). V procesu polyploidizace hořčice je počet genů BjGRFs v různých podrodinách různý a mohlo dojít k amplifikaci a ztrátě genu. Stojí za zmínku, že ve skupině C neexistuje žádná distribuce GRF rýže a prosa, zatímco ve skupině B jsou 2 GRF rýže a 1 GRF pro proso a většina GRF rýže a prosa je seskupena v jedné větvi, což naznačuje, že BjGRF jsou úzce příbuzné s dvouděložnými. Mezi nimi nejpodrobnější studie o funkci GRF u Arabidopsis thaliana poskytují základ pro funkční studie BjGRF.
Fylogenetický strom hořčice zahrnující Brassica napus, Brassica napus, rýži, proso a členy rodiny Arabidopsis thaliana GRF.
Analýza repetitivních genů v rodině hořčice GRF. Šedá čára na pozadí představuje synchronizovaný blok v genomu hořčice, červená čára představuje pár segmentovaných repetic genu BjGRF;
Exprese genu BjGRF při stresu ze sucha ve fázi čtvrtého listu. Údaje qRT-PCR jsou uvedeny v doplňkové tabulce S5. Významné rozdíly v údajích jsou označeny malými písmeny.
Vzhledem k tomu, že se globální klima neustále mění, studium toho, jak se plodiny vyrovnávají se stresem způsobeným suchem, a zlepšování mechanismů jejich tolerance se stalo horkým tématem výzkumu18. Po suchu se změní morfologická struktura, genová exprese a metabolické procesy rostlin, což může vést k zastavení fotosyntézy a metabolické poruše s dopadem na výnos a kvalitu plodin19,20,21. Když rostliny cítí signály sucha, produkují druhé posly, jako je Ca2+ a fosfatidylinositol, zvyšují intracelulární koncentraci vápenatých iontů a aktivují regulační síť proteinové fosforylace22,23. Konečný cílový protein se přímo účastní buněčné obrany nebo reguluje expresi příbuzných stresových genů prostřednictvím TF, čímž zvyšuje toleranci rostlin ke stresu24,25. TF tedy hrají zásadní roli v reakci na stres ze sucha. Podle sekvence a vazebných vlastností DNA TF reagujících na stres na sucho lze TF rozdělit do různých rodin, jako jsou GRF, ERF, MYB, WRKY a další rodiny26.
Genová rodina GRF je typem rostlinně specifického TF, který hraje důležitou roli v různých aspektech, jako je růst, vývoj, signální transdukce a obranné reakce rostlin27. Od chvíle, kdy byl první gen GRF identifikován v O. sativa28, bylo u mnoha druhů identifikováno stále více genů GRF a ukázalo se, že ovlivňují růst rostlin, vývoj a stresovou reakci8, 29, 30,31,32. Se zveřejněním sekvence genomu Brassica juncea se stala možná identifikace genové rodiny BjGRF33. V této studii bylo identifikováno 34 genů BjGRF v celém genomu hořčice a pojmenovány BjGRF01–BjGRF34 na základě jejich chromozomální polohy. Všechny obsahují vysoce konzervované domény QLQ a WRC. Analýza fyzikálně-chemických vlastností ukázala, že rozdíly v číslech aminokyselin a molekulových hmotnostech proteinů BjGRF (kromě BjGRF28) nebyly významné, což naznačuje, že členové rodiny BjGRF mohou mít podobné funkce. Analýza genové struktury ukázala, že 64,7 % genů BjGRF obsahovalo 4 exony, což ukazuje, že struktura genu BjGRF je v evoluci relativně konzervovaná, ale počet exonů v genech BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 a BjGRF29 je větší. Studie ukázaly, že přidání nebo delece exonů nebo intronů může vést k rozdílům ve struktuře a funkci genů, a tím vytvářet nové geny34,35,36. Proto spekulujeme, že intron BjGRF byl ztracen během evoluce, což může způsobit změny ve funkci genu. V souladu s existujícími studiemi jsme také zjistili, že počet intronů byl spojen s genovou expresí. Když je počet intronů v genu velký, může gen rychle reagovat na různé nepříznivé faktory.
Genová duplikace je hlavním faktorem v genomické a genetické evoluci37. Související studie ukázaly, že genová duplikace nejen zvyšuje počet genů GRF, ale slouží také jako prostředek generování nových genů, které pomáhají rostlinám přizpůsobit se různým nepříznivým podmínkám prostředí38. V této studii bylo nalezeno celkem 48 duplicitních genových párů, z nichž všechny byly segmentální duplikace, což naznačuje, že segmentální duplikace jsou hlavním mechanismem pro zvýšení počtu genů v této rodině. V literatuře se uvádí, že segmentální duplikace může účinně podporovat amplifikaci členů genové rodiny GRF u Arabidopsis a jahodníku a žádná tandemová duplikace této genové rodiny nebyla nalezena u žádného z druhů27,39. Výsledky této studie jsou v souladu s existujícími studiemi na Arabidopsis thaliana a jahodových rodinách, což naznačuje, že rodina GRF může zvýšit počet genů a generovat nové geny prostřednictvím segmentální duplikace v různých rostlinách.
V této studii bylo v hořčici identifikováno celkem 34 genů BjGRF, které byly rozděleny do 3 podrodin. Tyto geny vykazovaly podobné konzervované motivy a genové struktury. Analýza kolinearity odhalila 48 párů duplikací segmentů v hořčici. Oblast promotoru BjGRF obsahuje cis-působící prvky spojené s odpovědí na světlo, hormonální odpovědí, odpovědí na environmentální stres a růstem a vývojem. Exprese 34 genů BjGRF byla detekována ve fázi semenáčku hořčice (kořeny, stonky, listy) a expresní profil 10 genů BjGRF za podmínek sucha. Bylo zjištěno, že vzorce exprese genů BjGRF při stresu ze sucha byly podobné a mohou být podobné. zapojení do regulace sucha. Geny BjGRF03 a BjGRF32 mohou hrát pozitivní regulační role při stresu ze sucha, zatímco BjGRF06 a BjGRF23 hrají roli při stresu ze sucha jako cílové geny miR396. Celkově naše studie poskytuje biologický základ pro budoucí objev funkce genu BjGRF v rostlinách Brassicaceae.
Hořčičná semena použitá v tomto experimentu poskytla Guizhou Oil Seed Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences. Vyberte celá semena a zasaďte je do půdy (substrát: půda = 3:1) a po fázi čtyř listů sbírejte kořeny, stonky a listy. Rostliny byly ošetřeny 20% PEG 6000 pro simulaci sucha a listy byly sbírány po 0, 3, 6, 12 a 24 hodinách. Všechny vzorky rostlin byly okamžitě zmraženy v kapalném dusíku a poté uloženy v mrazáku -80 °C pro další test.
Všechna data získaná nebo analyzovaná během této studie jsou zahrnuta v publikovaném článku a doplňkových informačních souborech.
Čas odeslání: 22. ledna 2025