La distribució estacional de la precipitació a la província de Guizhou és desigual, amb més precipitacions a la primavera i l'estiu, però les plàntules de colza són susceptibles a l'estrès per sequera a la tardor i l'hivern, la qual cosa afecta seriosament el rendiment. La mostassa és un cultiu especial de llavors oleaginoses que es conrea principalment a la província de Guizhou. Té una forta tolerància a la sequera i es pot cultivar en zones muntanyoses. És un ric recurs de gens resistents a la sequera. El descobriment de gens resistents a la sequera és d'una importància crítica per a la millora de les varietats de mostassa. i innovació en recursos germoplasmàtics. La família GRF té un paper crític en el creixement i desenvolupament de les plantes i la resposta a l'estrès per sequera. Actualment, s'han trobat gens GRF a Arabidopsis 2, arròs (Oryza sativa) 12, colza 13, cotó (Gossypium hirsutum) 14, blat (Triticum). aestivum)15, mill perla (Setaria italica)16 i Brassica17, però no hi ha informes de gens GRF detectats a la mostassa. En aquest estudi, es van identificar els gens de la família GRF de mostassa a nivell de genoma i es van analitzar les seves característiques físiques i químiques, relacions evolutives, homologia, motius conservats, estructura gènica, duplicacions de gens, elements cis i estadi de plàntules (etapa de quatre fulles). Els patrons d'expressió sota estrès per sequera es van analitzar exhaustivament per proporcionar una base científica per a estudis posteriors sobre la funció potencial dels gens BjGRF en la resposta a la sequera i per proporcionar gens candidats per a la cria de mostassa tolerant a la sequera.
Es van identificar trenta-quatre gens BjGRF al genoma de Brassica juncea mitjançant dues cerques HMMER, totes elles contenen els dominis QLQ i WRC. Les seqüències CDS dels gens BjGRF identificats es presenten a la taula complementària S1. BjGRF01–BjGRF34 s'anomenen en funció de la seva ubicació al cromosoma. Les propietats fisicoquímiques d'aquesta família indiquen que la longitud dels aminoàcids és molt variable, que oscil·la entre 261 aa (BjGRF19) i 905 aa (BjGRF28). El punt isoelèctric de BjGRF oscil·la entre 6,19 (BjGRF02) i 9,35 (BjGRF03) amb una mitjana de 8,33, i el 88,24% de BjGRF és una proteïna bàsica. El rang de pes molecular previst de BjGRF és de 29,82 kDa (BjGRF19) a 102,90 kDa (BjGRF28); l'índex d'inestabilitat de les proteïnes BjGRF oscil·la entre 51,13 (BjGRF08) i 78,24 (BjGRF19), tots són superiors a 40, cosa que indica que l'índex d'àcids grassos oscil·la entre 43,65 (BjGRF01) i 78,78 (BjGRF22), el rang mitjà d'hidrofililitat (GRAV-1Y) (BjGRF31) a -0,45 (BjGRF22), totes les proteïnes BjGRF hidròfiles tenen valors de GRAVY negatius, que poden ser deguts a la manca d'hidrofobicitat causada pels residus. La predicció de la localització subcel·lular va mostrar que 31 proteïnes codificades per BjGRF es podrien localitzar al nucli, BjGRF04 es podria localitzar en peroxisomes, BjGRF25 es podria localitzar al citoplasma i BjGRF28 es podria localitzar en cloroplasts (taula 1), cosa que indica que BjGRF es podria localitzar i tenir un paper important en la transcripció. factor.
L'anàlisi filogenètica de famílies GRF en diferents espècies pot ajudar a estudiar les funcions dels gens. Per tant, es van descarregar les seqüències d'aminoàcids de longitud completa de 35 colza, 16 naps, 12 arròs, 10 mill i 9 GRF d'Arabidopsis i es va construir un arbre filogenètic basat en 34 gens BjGRF identificats (Fig. 1). Les tres subfamílies contenen diferents nombres de membres; 116 GRF TF es divideixen en tres subfamílies diferents (grups A ~ C), que contenen 59 (50,86%), 34 (29,31%) i 23 (19,83)% dels GRF, respectivament. Entre ells, 34 membres de la família BjGRF estan repartits en 3 subfamílies: 13 membres del grup A (38,24%), 12 membres del grup B (35,29%) i 9 membres del grup C (26,47%). En el procés de poliploidització de la mostassa, el nombre de gens BjGRFs en diferents subfamílies és diferent i es pot haver produït una amplificació i pèrdua de gens. Val la pena assenyalar que no hi ha distribució de GRF d'arròs i mill al grup C, mentre que hi ha 2 GRF d'arròs i 1 GRF de mill al grup B, i la majoria dels GRF d'arròs i mill s'agrupen en una branca, cosa que indica que els BjGRF estan estretament relacionats amb les dicotiledones. Entre ells, els estudis més profunds sobre la funció GRF a Arabidopsis thaliana proporcionen una base per a estudis funcionals de BjGRF.
Arbre filogenètic de mostassa que inclou Brassica napus, Brassica napus, arròs, mill i membres de la família Arabidopsis thaliana GRF.
Anàlisi de gens repetitius de la família GRF de mostassa. La línia grisa del fons representa un bloc sincronitzat en el genoma de la mostassa, la línia vermella representa un parell de repeticions segmentades del gen BjGRF;
Expressió del gen BjGRF sota estrès per sequera a la quarta etapa de la fulla. Les dades de qRT-PCR es mostren a la taula complementària S5. Les diferències significatives en les dades s'indiquen amb lletres minúscules.
A mesura que el clima global continua canviant, l'estudi de com els cultius fan front a l'estrès per la sequera i la millora dels seus mecanismes de tolerància s'ha convertit en un tema de recerca candent18. Després de la sequera, l'estructura morfològica, l'expressió gènica i els processos metabòlics de les plantes canviaran, cosa que pot provocar l'aturada de la fotosíntesi i alteracions metabòliques, afectant el rendiment i la qualitat dels cultius19,20,21. Quan les plantes senten senyals de sequera, produeixen segons missatgers com ara Ca2+ i fosfatidilinositol, augmenten la concentració intracel·lular d'ions calci i activen la xarxa reguladora de la via de fosforilació de proteïnes22,23. La proteïna objectiu final està directament implicada en la defensa cel·lular o regula l'expressió de gens d'estrès relacionats mitjançant TF, millorant la tolerància de les plantes a l'estrès24,25. Per tant, els TF tenen un paper crucial en la resposta a l'estrès per sequera. Segons la seqüència i les propietats d'unió a l'ADN dels TF sensibles a l'estrès de la sequera, els TF es poden dividir en diferents famílies, com ara GRF, ERF, MYB, WRKY i altres famílies26.
La família de gens GRF és un tipus de TF específic de planta que té un paper important en diversos aspectes com el creixement, el desenvolupament, la transducció de senyals i les respostes de defensa de les plantes27. Des que es va identificar el primer gen GRF a O. sativa28, s'han identificat cada cop més gens GRF en moltes espècies i s'ha demostrat que afecten el creixement, el desenvolupament i la resposta a l'estrès de les plantes8, 29, 30,31,32. Amb la publicació de la seqüència del genoma de Brassica juncea, es va fer possible la identificació de la família de gens BjGRF33. En aquest estudi, es van identificar 34 gens BjGRF a tot el genoma de la mostassa i es van anomenar BjGRF01-BjGRF34 en funció de la seva posició cromosòmica. Tots ells contenen dominis QLQ i WRC molt conservats. L'anàlisi de les propietats fisicoquímiques va mostrar que les diferències en el nombre d'aminoàcids i els pesos moleculars de les proteïnes BjGRF (excepte BjGRF28) no eren significatives, cosa que indica que els membres de la família BjGRF poden tenir funcions similars. L'anàlisi de l'estructura del gen va mostrar que el 64, 7% dels gens BjGRF contenien 4 exons, cosa que indica que l'estructura del gen BjGRF es conserva relativament en l'evolució, però el nombre d'exons en els gens BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 i BjGRF29 és més gran. Els estudis han demostrat que l'addició o la supressió d'exons o introns pot provocar diferències en l'estructura i la funció dels gens, creant així nous gens34,35,36. Per tant, especulem que l'intró de BjGRF es va perdre durant l'evolució, cosa que pot provocar canvis en la funció del gen. D'acord amb els estudis existents, també vam trobar que el nombre d'introns estava associat amb l'expressió gènica. Quan el nombre d'introns en un gen és gran, el gen pot respondre ràpidament a diversos factors desfavorables.
La duplicació gènica és un factor important en l'evolució genòmica i genètica37. Estudis relacionats han demostrat que la duplicació gènica no només augmenta el nombre de gens GRF, sinó que també serveix com a mitjà per generar nous gens per ajudar les plantes a adaptar-se a diverses condicions ambientals adverses38. En aquest estudi es van trobar un total de 48 parells de gens duplicats, tots ells duplicacions segmentàries, cosa que indica que les duplicacions segmentàries són el principal mecanisme per augmentar el nombre de gens d'aquesta família. S'ha informat a la literatura que la duplicació segmentària pot promoure eficaçment l'amplificació dels membres de la família del gen GRF a Arabidopsis i maduixa, i no es va trobar cap duplicació en tàndem d'aquesta família de gens en cap de les espècies27,39. Els resultats d'aquest estudi són coherents amb els estudis existents sobre les famílies d'Arabidopsis thaliana i maduixa, cosa que suggereix que la família GRF pot augmentar el nombre de gens i generar nous gens mitjançant la duplicació segmentària en diferents plantes.
En aquest estudi, es van identificar un total de 34 gens BjGRF a la mostassa, que es van dividir en 3 subfamílies. Aquests gens mostraven motius i estructures gèniques conservades similars. L'anàlisi de colinealitat va revelar 48 parells de duplicacions de segments a mostassa. La regió promotora de BjGRF conté elements d'acció cis associats amb la resposta a la llum, la resposta hormonal, la resposta a l'estrès ambiental i el creixement i desenvolupament. L'expressió de 34 gens BjGRF es va detectar en l'etapa de plàntula de mostassa (arrels, tiges, fulles) i el patró d'expressió de 10 gens BjGRF en condicions de sequera. Es va trobar que els patrons d'expressió dels gens BjGRF sota estrès per sequera eren similars i poden ser similars. implicació en la sequera Obligar la regulació. Els gens BjGRF03 i BjGRF32 poden tenir un paper regulador positiu en l'estrès per sequera, mentre que BjGRF06 i BjGRF23 tenen papers en l'estrès per sequera com a gens objectiu miR396. En general, el nostre estudi proporciona una base biològica per al futur descobriment de la funció del gen BjGRF a les plantes de Brassicaceae.
Les llavors de mostassa utilitzades en aquest experiment van ser proporcionades per l'Institut de Recerca de Llavors Oleaginoses de Guizhou, Acadèmia de Ciències Agràries de Guizhou. Seleccioneu les llavors senceres i planteu-les a terra (substrat: sòl = 3:1) i recolliu les arrels, tiges i fulles després de l'etapa de quatre fulles. Les plantes es van tractar amb PEG 6000 al 20% per simular la sequera, i les fulles es van recollir després de 0, 3, 6, 12 i 24 hores. Totes les mostres de plantes es van congelar immediatament en nitrogen líquid i després es van emmagatzemar en un congelador a -80 ° C per a la següent prova.
Totes les dades obtingudes o analitzades durant aquest estudi s'inclouen a l'article publicat i als fitxers d'informació complementària.
Hora de publicació: 22-gen-2025