La distribució estacional de les precipitacions a la província de Guizhou és desigual, amb més precipitacions a la primavera i l'estiu, però les plàntules de colza són susceptibles a la sequera a la tardor i a l'hivern, cosa que afecta greument el rendiment. La mostassa és un cultiu oleaginós especial que es conrea principalment a la província de Guizhou. Té una forta tolerància a la sequera i es pot conrear en zones muntanyoses. És un recurs ric en gens resistents a la sequera. El descobriment de gens resistents a la sequera és de vital importància per a la millora de les varietats de mostassa i la innovació en els recursos de germoplasma. La família GRF juga un paper crític en el creixement i desenvolupament de les plantes i la resposta a la 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 perlat (Setaria italica) 16 i Brassica 17, 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 la mostassa a nivell de tot el genoma i es van analitzar les seves característiques físiques i químiques, relacions evolutives, homologia, motius conservats, estructura gènica, duplicacions gèniques, elements cis i estadi de plàntules (estadi de quatre fulles). Es van analitzar exhaustivament els patrons d'expressió sota estrès per sequera per proporcionar una base científica per a futurs estudis 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 les quals contenen els dominis QLQ i WRC. Les seqüències CDS dels gens BjGRF identificats es presenten a la Taula Suplementària 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 va des de 261 aa (BjGRF19) fins a 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), la hidrofilicitat mitjana (GRAVY) oscil·la entre -1,07 (BjGRF31) i -0,45 (BjGRF22), i totes les proteïnes BjGRF hidròfiles tenen valors de GRAVY negatius, cosa que pot ser deguda a la manca d'hidrofobicitat causada pels residus. La predicció de localització subcel·lular va mostrar que 31 proteïnes codificades per BjGRF es podien localitzar al nucli, BjGRF04 es podia localitzar en peroxisomes, BjGRF25 es podia localitzar al citoplasma i BjGRF28 es podia localitzar en cloroplasts (Taula 1), cosa que indica que els BjGRF poden estar localitzats al nucli i tenir un paper regulador important com a factor de transcripció.
L'anàlisi filogenètica de les famílies de GRF en diferents espècies pot ajudar a estudiar les funcions dels gens. Per tant, es van descarregar les seqüències d'aminoàcids completes de 35 GRF de colza, 16 de nap, 12 d'arròs, 10 de mill i 9 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 TF GRF es divideixen en tres subfamílies diferents (grups A~C), que contenen el 59 (50,86%), el 34 (29,31%) i el 23 (19,83)% dels GRF, respectivament. D'entre ells, 34 membres de la família BjGRF estan dispersos 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 BjGRF en diferents subfamílies és diferent, i és possible que s'hagi produït una amplificació i pèrdua de gens. Cal destacar que no hi ha una 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 dicotiledònies. Entre ells, els estudis més exhaustius sobre la funció dels GRF en Arabidopsis thaliana proporcionen una base per a estudis funcionals dels BjGRF.
Arbre filogenètic de la 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 la 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 fase de la quarta fulla. Les dades de qRT-PCR es mostren a la taula suplementària S5. Les diferències significatives en les dades s'indiquen amb minúscules.
A mesura que el clima global continua canviant, estudiar com els cultius s'enfronten a la sequera i millorar els 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 canvien, cosa que pot conduir a la interrupció de la fotosíntesi i a la pertorbació metabòlica, afectant el rendiment i la qualitat dels cultius19,20,21. Quan les plantes detecten senyals de sequera, produeixen segons missatgers com el Ca2+ i el fosfatidilinositol, augmenten la concentració d'ions de calci intracel·lular i activen la xarxa reguladora de la via de fosforilació de proteïnes22,23. La proteïna diana final està directament implicada en la defensa cel·lular o regula l'expressió de gens d'estrès relacionats a través dels factors de transcripció (TF), millorant la tolerància de les plantes a l'estrès24,25. Per tant, els TF tenen un paper crucial en la resposta a la sequera. Segons la seqüència i les propietats d'unió a l'ADN dels TF sensibles a 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 factor de transcripció (TF) específic de plantes que juga 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, la identificació de la família de gens BjGRF va ser possible33. En aquest estudi, es van identificar 34 gens BjGRF en 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 altament 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 gènica va mostrar que el 64,7% dels gens BjGRF contenien 4 exons, cosa que indica que l'estructura del gen BjGRF està relativament conservada 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 supressió d'exons o introns pot conduir a 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 causar canvis en la funció dels gens. 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 els quals eren duplicacions segmentàries, cosa que indica que les duplicacions segmentàries són el principal mecanisme per augmentar el nombre de gens d'aquesta família. A la literatura s'ha informat que la duplicació segmentària pot promoure eficaçment l'amplificació dels membres de la família de gens GRF en 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 consistents 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 en mostassa, que es van dividir en 3 subfamílies. Aquests gens van mostrar motius i estructures gèniques conservades similars. L'anàlisi de col·linealitat va revelar 48 parells de duplicacions de segments en 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. Es va detectar l'expressió de 34 gens BjGRF a 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 regulació del forçament de la sequera. Els gens BjGRF03 i BjGRF32 poden tenir un paper regulador positiu en l'estrès per sequera, mentre que BjGRF06 i BjGRF23 tenen un paper en l'estrès per sequera com a gens diana de miR396. En general, el nostre estudi proporciona una base biològica per al descobriment futur de la funció del gen BjGRF en 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 Agrícoles de Guizhou. Seleccioneu les llavors senceres i planteu-les a la terra (substrat: terra = 3:1) i recolliu les arrels, les tiges i les fulles després de la fase 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.
Data de publicació: 22 de gener de 2025