Sezónní rozložení srážek v provincii Kuej-čou je nerovnoměrné, s více srážkami na jaře a v létě, ale sazenice řepky jsou náchylné k suchu na podzim a v zimě, což vážně ovlivňuje výnos. Hořčice je speciální olejnatá plodina pěstovaná hlavně v provincii Kuej-čou. Má silnou toleranci sucha a lze ji pěstovat v horských oblastech. Je bohatým zdrojem genů odolných vůči suchu. Objev genů odolných vůči suchu má zásadní význam pro šlépění odrůd hořčice a inovace v oblasti zdrojů zárodečné plazmy. Rodina GRF hraje klíčovou roli v růstu a vývoji rostlin a v reakci na stres ze sucha. V současné době byly geny GRF nalezeny u Arabidopsis 2, rýže (Oryza sativa) 12, řepky 13, bavlny (Gossypium hirsutum) 14, pšenice (Triticum aestivum) 15, perlového prosa (Setaria italica) 16 a Brassica 17, ale neexistují žádné zprávy o genech GRF detekovaných u hořčice. V této studii byly geny hořčice z 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 sazenice (stádium čtyř listů). Expresní vzorce za stresu suchem byly komplexně analyzovány, aby poskytly vědecký základ pro další studie potenciální funkce genů BjGRF v reakci na sucho a aby poskytly kandidátní geny pro šlechtění hořčice tolerantní k suchu.
V genomu Brassica juncea bylo pomocí dvou HMMER vyhledávání identifikováno třicet čtyři genů BjGRF, z nichž všechny obsahují domény QLQ a WRC. Sekvence CDS identifikovaných genů BjGRF jsou uvedeny v doplňkové tabulce S1. BjGRF01–BjGRF34 jsou pojmenovány na základě jejich umístění na chromozomu. Fyzikálně-chemické vlastnosti této rodiny naznačují, že délka aminokyselin je vysoce variabilní, v rozmezí od 261 aminokyselin (BjGRF19) do 905 aminokyselin (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. Předpokládané rozmezí molekulových hmotností 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 větší než 40, což naznačuje, že index mastných kyselin se pohybuje od 43,65 (BjGRF01) do 78,78 (BjGRF22), průměrná hydrofilnost (GRAVY) se pohybuje od -1,07 (BjGRF31) do -0,45 (BjGRF22), všechny hydrofilní proteiny BjGRF mají negativní hodnoty GRAVY, což může být způsobeno nedostatkem hydrofobicity způsobeným těmito zbytky. Predikce subcelulární lokalizace ukázala, že 31 proteinů kódovaných BjGRF by mohlo být lokalizováno v jádře, BjGRF04 by mohl být lokalizován v peroxizomech, BjGRF25 by mohl být lokalizován v cytoplazmě a BjGRF28 by mohl být lokalizován v chloroplastech (tabulka 1), což naznačuje, že BjGRF by mohly být lokalizovány v jádře a hrát důležitou regulační roli jako transkripční faktor.
Fylogenetická analýza rodin GRF u různých druhů může pomoci při studiu genových funkcí. Proto byly staženy kompletní aminokyselinové sekvence 35 GRF řepky, 16 GRF tuřínu, 12 GRF rýže, 10 GRF prosa a 9 GRF Arabidopsis a na základě 34 identifikovaných genů BjGRF byl vytvořen fylogenetický strom (obr. 1). Tři podrodiny obsahují různý počet 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. Z nich 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 se počet genů BjGRF v různých podčeledi liší a mohlo dojít k amplifikaci a ztrátě genů. Za zmínku stojí, že ve skupině C není žádné rozšíření GRF rýže a prosa, zatímco ve skupině B jsou 2 GRF rýže a 1 GRF prosa a většina GRF rýže a prosa je seskupena do jedné větve, což naznačuje, že BjGRF jsou úzce příbuzné s dvouděložnými rostlinami. Z nich nejpodrobnější studie funkce GRF u Arabidopsis thaliana poskytují základ pro funkční studie BjGRF.
Fylogenetický strom hořčice včetně Brassica napus, Brassica napus, rýže, prosa a členů čeledi Arabidopsis thaliana GRF.
Analýza repetitivních genů v rodině GRF hořčice. Šedá čára v pozadí představuje synchronizovaný blok v genomu hořčice, červená čára představuje dvojici segmentovaných repetic genu BjGRF;
Exprese genu BjGRF za stresu způsobeného suchem ve fázi čtvrtého listu. Data qRT-PCR jsou uvedena v doplňkové tabulce S5. Významné rozdíly v datech jsou označeny malými písmeny.
Vzhledem k tomu, že se globální klima nadále mění, studium toho, jak se plodiny vyrovnávají se stresem ze sucha a zlepšování jejich mechanismů tolerance, se stalo žhavým tématem výzkumu18. Po suchu se změní morfologická struktura, genová exprese a metabolické procesy rostlin, což může vést k zastavení fotosyntézy a metabolickým poruchám, což ovlivní výnos a kvalitu plodin19,20,21. Když rostliny cítí signály sucha, produkují sekundární posly, jako je Ca2+ a fosfatidylinositol, zvyšují intracelulární koncentraci vápníkových iontů a aktivují regulační síť dráhy fosforylace proteinů22,23. Konečný cílový protein se přímo podílí na buněčné obraně nebo reguluje expresi souvisejících stresových genů prostřednictvím transkripčních faktorů (TF), čímž zvyšuje toleranci rostlin vůči stresu24,25. TF tedy hrají klíčovou roli v reakci na stres ze sucha. Podle sekvence a vazebných vlastností DNA transkripčních faktorů reagujících na stres ze sucha lze TF rozdělit do různých rodin, jako jsou GRF, ERF, MYB, WRKY a další rodiny26.
Genová rodina GRF je typ rostlinně specifického faktoru transkripce, který hraje důležitou roli v různých aspektech, jako je růst, vývoj, signální transdukce a obranné reakce rostlin27. Od identifikace prvního genu GRF u O. sativa28 bylo u mnoha druhů identifikováno stále více genů GRF, které prokazatelně ovlivňují růst, vývoj a stresovou reakci rostlin8, 29, 30,31,32. S publikací genomové sekvence Brassica juncea se stala možná identifikace genové rodiny BjGRF33. V této studii bylo v celém genomu hořčice identifikováno 34 genů BjGRF a na základě jejich chromozomální polohy pojmenováno BjGRF01–BjGRF34. Všechny obsahují vysoce konzervované domény QLQ a WRC. Analýza fyzikálně-chemických vlastností ukázala, že rozdíly v počtu aminokyselin a molekulových hmotnostech proteinů BjGRF (s výjimkou 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 naznačuje, 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 k vytvoření nových genů34,35,36. Proto spekulujeme, že intron BjGRF byl během evoluce ztracen, což může způsobit změny ve funkci genu. V souladu se stávajícími studiemi jsme také zjistili, že počet intronů byl spojen s genovou expresí. Pokud je počet intronů v genu velký, může gen rychle reagovat na různé nepříznivé faktory.
Duplikace genů je hlavním faktorem genomové a genetické evoluce37. Související studie ukázaly, že duplikace genů nejen zvyšuje počet genů GRF, ale také slouží jako prostředek ke generování nových genů, které pomáhají rostlinám adaptovat se na různé nepříznivé podmínky prostředí38. V této studii bylo nalezeno celkem 48 duplicitních párů genů, přičemž všechny byly segmentální duplikace, což naznačuje, že segmentální duplikace jsou hlavním mechanismem pro zvyšování počtu genů v této rodině. V literatuře bylo popsáno, že segmentální duplikace může účinně podporovat amplifikaci členů genové rodiny GRF u Arabidopsis a jahodníku a u žádného z druhů nebyla nalezena tandemová duplikace této genové rodiny27,39. Výsledky této studie jsou v souladu se stávajícími studiemi o čeledích Arabidopsis thaliana a jahodníku, což naznačuje, že rodina GRF může zvyšovat 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. Promotorová oblast BjGRF obsahuje cis-působící elementy spojené se světelnou reakcí, hormonální reakcí, reakcí na environmentální stres a růstem a vývojem. Exprese 34 genů BjGRF byla detekována ve stádiu sazenice hořčice (kořeny, stonky, listy) a expresní vzorec 10 genů BjGRF za podmínek sucha. Bylo zjištěno, že expresní vzorce genů BjGRF za stresu ze sucha byly podobné a mohou být podobné. Geny BjGRF03 a BjGRF32 mohou hrát pozitivní regulační roli při stresu ze sucha, zatímco BjGRF06 a BjGRF23 hrají roli ve stresu ze sucha jako cílové geny miR396. Celkově naše studie poskytuje biologický základ pro budoucí objevování funkce genu BjGRF u rostlin čeledi Brukvovité.
Hořčičná semena použitá v tomto experimentu poskytl Výzkumný ústav olejnatých semen v Kuej-čou, Akademie zemědělských věd v Kuej-čou. Vyberte celá semena a zasaďte je do půdy (substrát:půda = 3:1) a po fázi čtyř listů seberte kořeny, stonky a listy. Rostliny byly ošetřeny 20% PEG 6000 pro simulaci sucha a listy byly sesbírány po 0, 3, 6, 12 a 24 hodinách. Všechny vzorky rostlin byly okamžitě zmrazeny v tekutém dusíku a poté uloženy v mrazáku při teplotě -80 °C pro další test.
Veškerá data získaná nebo analyzovaná během této studie jsou zahrnuta v publikovaném článku a v doplňkových informačních souborech.
Čas zveřejnění: 22. ledna 2025