Guizhou tartományban a csapadék szezonális eloszlása egyenetlen, tavasszal és nyáron több csapadék esik, de a repce palánták ősszel és télen érzékenyek az aszálystresszre, ami komolyan befolyásolja a terméshozamot. A mustár egy speciális olajnövény, amelyet főként Guizhou tartományban termesztenek. Erős aszálytűréssel rendelkezik, és hegyvidéki területeken is termeszthető. Gazdag aszálytűrő génforrás. A aszálytűrő gének felfedezése kritikus fontosságú a mustárfajták nemesítése, valamint a csíraplazma-erőforrások innovációja szempontjából. A GRF család kritikus szerepet játszik a növények növekedésében és fejlődésében, valamint az aszálystresszre adott válaszban. Jelenleg GRF géneket találtak az Arabidopsis 2-ben, a rizsben (Oryza sativa) 12, a repcében 13, a gyapotban (Gossypium hirsutum) 14, a búzában (Triticum aestivum)15, a gyöngykölesben (Setaria italica)16 és a Brassica 17 növényekben, de mustárban nem jelentettek GRF géneket. Ebben a tanulmányban a mustár GRF család génjeit genomszinten azonosítottuk, és elemeztük fizikai és kémiai jellemzőiket, evolúciós kapcsolataikat, homológiájukat, konzervált motívumaikat, génszerkezetüket, génduplikációikat, cisz-elemeiket és csíranövény-stádiumukat (négyleveles állapot). A szárazságstressz alatti expressziós mintázatokat átfogóan elemeztük, hogy tudományos alapot teremtsünk a BjGRF gének szárazságra adott válaszban betöltött potenciális funkciójának további vizsgálatához, és hogy jelöltgéneket biztosítsunk a szárazságtűrő mustár nemesítéséhez.
Harmincnégy BjGRF gént azonosítottak a Brassica juncea genomjában két HMMER kereséssel, amelyek mindegyike tartalmazza a QLQ és a WRC doméneket. Az azonosított BjGRF gének CDS-szekvenciáit az S1. kiegészítő táblázat tartalmazza. A BjGRF01–BjGRF34 géneket a kromoszómán elfoglalt helyük alapján nevezték el. E család fizikai-kémiai tulajdonságai azt jelzik, hogy az aminosavak hossza nagymértékben változó, 261 aminosavtól (BjGRF19) 905 aminosavig (BjGRF28) terjed. A BjGRF izoelektromos pontja 6,19 (BjGRF02) és 9,35 (BjGRF03) között mozog, átlagosan 8,33, és a BjGRF 88,24%-a bázikus fehérje. A BjGRF előre jelzett molekulatömeg-tartománya 29,82 kDa (BjGRF19) és 102,90 kDa (BjGRF28) között van; A BjGRF fehérjék instabilitási indexe 51,13 (BjGRF08) és 78,24 (BjGRF19) között mozog, mindegyik nagyobb, mint 40, ami azt jelzi, hogy a zsírsavindex 43,65 (BjGRF01) és 78,78 (BjGRF22) között mozog, az átlagos hidrofilitás (GRAVY) -1,07 (BjGRF31) és -0,45 (BjGRF22) között mozog, az összes hidrofil BjGRF fehérje negatív GRAVY értékekkel rendelkezik, ami a aminosavak okozta hidrofóbicitás hiányának tudható be. A szubcelluláris lokalizáció predikciója kimutatta, hogy 31 BjGRF által kódolt fehérje lokalizálható a sejtmagban, a BjGRF04 a peroxiszómákban, a BjGRF25 a citoplazmában, a BjGRF28 pedig kloroplasztokban található (1. táblázat), ami arra utal, hogy a BjGRF-ek lokalizálódhatnak a sejtmagban, és fontos szabályozó szerepet játszhatnak transzkripciós faktorként.
A különböző fajok GRF-családjainak filogenetikai elemzése segíthet a génfunkciók tanulmányozásában. Ezért letöltöttük 35 repce-, 16 fehérrépa-, 12 rizs-, 10 köles- és 9 Arabidopsis GRF teljes hosszúságú aminosav-szekvenciáját, és 34 azonosított BjGRF gén alapján filogenetikai fát készítettünk (1. ábra). A három alcsalád különböző számú tagot tartalmaz; 116 GRF transzkripciós faktor három különböző alcsaládra oszlik (A~C csoportok), amelyek a GRF-ek 59%-át (50,86%), 34%-át (29,31%) és 23%-át (19,83%) tartalmazzák. Közülük 34 BjGRF családtag 3 alcsaládba szóródik: 13 tag az A csoportban (38,24%), 12 tag a B csoportban (35,29%) és 9 tag a C csoportban (26,47%). A mustár poliploidizációja során a BjGRF gének száma a különböző alcsaládokban eltérő, és génamplifikáció, illetve -veszteség is előfordulhatott. Érdemes megjegyezni, hogy a C csoportban a rizs és köles GRF-ek nem oszlanak el, míg a B csoportban 2 rizs és 1 köles GRF található, és a rizs és köles GRF-ek többsége egy ágba csoportosul, ami arra utal, hogy a BjGRF-ek szoros rokonságban állnak a kétszikűekkel. Ezek közül az Arabidopsis thaliana GRF-funkciójával kapcsolatos legrészletesebb tanulmányok adják az alapot a BjGRF-ek funkcionális vizsgálatához.
A mustár filogenetikai fája, beleértve a Brassica napus-t, a Brassica napus-t, a rizst, a kölest és az Arabidopsis thaliana GRF család tagjait.
A mustár GRF család ismétlődő génjeinek elemzése. A háttérben látható szürke vonal egy szinkronizált blokkot jelöl a mustár genomban, a piros vonal a BjGRF gén szegmentált ismétlődéseinek párját jelöli;
A BjGRF gén expressziója szárazságstressz alatt a negyedik levél állapotában. A qRT-PCR adatokat az S5. kiegészítő táblázat mutatja. Az adatokban mutatkozó jelentős különbségeket kisbetűk jelzik.
Ahogy a globális éghajlat folyamatosan változik, a növények aszálystresszel való megbirkózásának és toleranciamechanizmusaik fejlesztésének vizsgálata egyre forró kutatási témává vált18. Aszály után a növények morfológiai szerkezete, génexpressziója és anyagcsere-folyamatai megváltoznak, ami a fotoszintézis leállásához és anyagcsere-zavarokhoz vezethet, befolyásolva a növények terméshozamát és minőségét19,20,21. Amikor a növények érzékelik az aszályjeleket, másodlagos hírvivőket, például Ca2+-t és foszfatidilinozitolt termelnek, növelik az intracelluláris kalciumion-koncentrációt, és aktiválják a fehérje-foszforilációs útvonal szabályozó hálózatát22,23. A végső célfehérje közvetlenül részt vesz a sejtes védekezésben, vagy transzkripciós faktorokon (TF) keresztül szabályozza a kapcsolódó stresszgének expresszióját, fokozva a növények stressztoleranciáját24,25. Így a transzkripciós faktorok (TF-ek) kulcsszerepet játszanak az aszálystresszre adott válaszban. A szárazságstresszre reagáló transzkripciós faktorok szekvenciája és DNS-kötődési tulajdonságai szerint a transzkripciós faktorok különböző családokba oszthatók, például GRF, ERF, MYB, WRKY és más családok26.
A GRF géncsalád egy növényspecifikus transzkripciós transzkriptáz (TF), amely fontos szerepet játszik számos aspektusban, például a növekedésben, fejlődésben, jelátvitelben és a növény védekező válaszaiban27. Amióta az első GRF gént azonosították az O. sativában28, egyre több GRF gént azonosítottak számos fajban, és kimutatták, hogy befolyásolják a növények növekedését, fejlődését és stresszválaszát8, 29, 30,31,32. A Brassica juncea genomszekvenciájának publikálásával lehetővé vált a BjGRF géncsalád azonosítása33. Ebben a vizsgálatban 34 BjGRF gént azonosítottak a teljes mustárgenomban, és kromoszómális pozíciójuk alapján BjGRF01–BjGRF34-nek nevezték el őket. Mindegyikük erősen konzervált QLQ és WRC doméneket tartalmaz. A fizikai-kémiai tulajdonságok elemzése azt mutatta, hogy a BjGRF fehérjék (a BjGRF28 kivételével) aminosavszámaiban és molekulatömegében mutatkozó különbségek nem voltak szignifikánsak, ami arra utal, hogy a BjGRF család tagjai hasonló funkciókat tölthetnek be. A génszerkezeti elemzés kimutatta, hogy a BjGRF gének 64,7%-a 4 exont tartalmazott, ami arra utal, hogy a BjGRF gén szerkezete viszonylag konzervált az evolúció során, de a BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 és BjGRF29 génekben az exonok száma nagyobb. Tanulmányok kimutatták, hogy az exonok vagy intronok hozzáadása vagy deléciója eltérésekhez vezethet a génszerkezetben és -funkcióban, ezáltal új gének keletkezhetnek34,35,36. Ezért feltételezzük, hogy a BjGRF intronja elveszett az evolúció során, ami változásokat okozhat a génfunkcióban. A meglévő tanulmányokkal összhangban azt is megállapítottuk, hogy az intronok száma összefüggésben állt a génexpresszióval. Amikor egy génben az intronok száma nagy, a gén gyorsan reagálhat a különféle kedvezőtlen tényezőkre.
A génduplikáció a genomiális és genetikai evolúció egyik fő tényezője37. Kapcsolódó tanulmányok kimutatták, hogy a génduplikáció nemcsak a GRF gének számát növeli, hanem új gének generálásának eszközeként is szolgál, amelyek segítik a növényeket a különböző kedvezőtlen környezeti feltételekhez való alkalmazkodásban38. Ebben a tanulmányban összesen 48 duplikált génpárt találtak, amelyek mindegyike szegmentális duplikáció volt, ami azt jelzi, hogy a szegmentális duplikációk a fő mechanizmusok a gének számának növelésére ebben a családban. Az irodalomban beszámoltak arról, hogy a szegmentális duplikáció hatékonyan elősegítheti a GRF géncsalád tagjainak amplifikációját az Arabidopsisban és az szamócában, és egyik fajban sem találtak tandem duplikációt ebben a géncsaládban27,39. A tanulmány eredményei összhangban vannak az Arabidopsis thaliana és az szamócacsaládokkal kapcsolatos meglévő tanulmányokkal, ami arra utal, hogy a GRF család növelheti a gének számát és új géneket generálhat szegmentális duplikáció révén a különböző növényekben.
Ebben a tanulmányban összesen 34 BjGRF gént azonosítottak mustárban, amelyeket 3 alcsaládba osztottak. Ezek a gének hasonló konzervált motívumokat és génszerkezeteket mutattak. A kollinearitási analízis 48 pár szegmensduplikációt mutatott ki a mustárban. A BjGRF promoter régió cisz-ható elemeket tartalmaz, amelyek a fényreakcióval, a hormonális válasszal, a környezeti stresszreakcióval, valamint a növekedéssel és fejlődéssel kapcsolatosak. 34 BjGRF gén expresszióját detektálták a mustár palántakorban (gyökerek, szárak, levelek), és 10 BjGRF gén expressziós mintázatát figyelték meg aszályos körülmények között. Megállapították, hogy a BjGRF gének expressziós mintázata aszályos stressz alatt hasonló volt, és hasonló is lehet. A BjGRF03 és BjGRF32 gének pozitív szabályozó szerepet játszhatnak a szárazságstresszben, míg a BjGRF06 és BjGRF23 miR396 célgénként szerepet játszanak a szárazságstresszben. Összességében tanulmányunk biológiai alapot nyújt a BjGRF gén funkciójának jövőbeli felfedezéséhez a Brassicaceae növényekben.
A kísérletben használt mustármagokat a Guizhoui Olajmag Kutatóintézet, a Guizhoui Mezőgazdasági Tudományos Akadémia biztosította. Válassza ki az egész magokat, és ültesse el őket talajba (tápanyag:talaj = 3:1), majd a négyleveles állapot után gyűjtse össze a gyökereket, szárakat és leveleket. A növényeket 20%-os PEG 6000-rel kezelték a szárazság szimulálására, a leveleket pedig 0, 3, 6, 12 és 24 óra elteltével gyűjtötték össze. Minden növényi mintát azonnal folyékony nitrogénben lefagyasztottak, majd -80°C-os fagyasztóban tároltak a következő vizsgálathoz.
A tanulmány során szerzett vagy elemzett összes adat szerepel a közzétett cikkben és a kiegészítő információs fájlokban.
Közzététel ideje: 2025. január 22.