Taburan hujan bermusim di Wilayah Guizhou adalah tidak sekata, dengan lebih banyak hujan pada musim bunga dan musim panas, tetapi anak benih sesawi mudah terdedah kepada tekanan kemarau pada musim luruh dan musim sejuk, yang menjejaskan hasil dengan serius. Sawi ialah tanaman biji minyak khas yang kebanyakannya ditanam di Wilayah Guizhou. Ia mempunyai toleransi kemarau yang kuat dan boleh ditanam di kawasan pergunungan. Ia merupakan sumber gen tahan kemarau yang kaya. Penemuan gen tahan kemarau adalah sangat penting untuk penambahbaikan varieti sawi dan inovasi dalam sumber plasma nutfah. Keluarga GRF memainkan peranan penting dalam pertumbuhan dan perkembangan tumbuhan serta tindak balas terhadap tekanan kemarau. Pada masa ini, gen GRF telah ditemui dalam Arabidopsis 2, padi (Oryza sativa) 12, sesawi 13, kapas (Gossypium hirsutum) 14, gandum (Triticum), aestivum)15, millet mutiara (Setaria italica)16 dan Brassica17, tetapi tiada laporan gen GRF yang dikesan dalam sawi. Dalam kajian ini, gen keluarga GRF bagi sawi telah dikenal pasti pada peringkat genom seluruhnya dan ciri-ciri fizikal dan kimianya, hubungan evolusi, homologi, motif terpelihara, struktur gen, pertindihan gen, unsur-unsur cis dan peringkat anak benih (peringkat empat daun) telah dianalisis. Corak ekspresi di bawah tekanan kemarau telah dianalisis secara komprehensif untuk menyediakan asas saintifik bagi kajian lanjut tentang fungsi potensi gen BjGRF dalam tindak balas kemarau dan untuk menyediakan gen calon bagi pembiakan sawi tahan kemarau.
Tiga puluh empat gen BjGRF telah dikenal pasti dalam genom Brassica juncea menggunakan dua carian HMMER, yang semuanya mengandungi domain QLQ dan WRC. Urutan CDS bagi gen BjGRF yang dikenal pasti dibentangkan dalam Jadual Tambahan S1. BjGRF01–BjGRF34 dinamakan berdasarkan lokasinya pada kromosom. Sifat fizikokimia keluarga ini menunjukkan bahawa panjang asid amino sangat berubah-ubah, antara 261 aa (BjGRF19) hingga 905 aa (BjGRF28). Titik isoelektrik BjGRF adalah antara 6.19 (BjGRF02) hingga 9.35 (BjGRF03) dengan purata 8.33, dan 88.24% BjGRF adalah protein asas. Julat berat molekul BjGRF yang diramalkan adalah dari 29.82 kDa (BjGRF19) hingga 102.90 kDa (BjGRF28); Indeks ketidakstabilan protein BjGRF adalah antara 51.13 (BjGRF08) hingga 78.24 (BjGRF19), semuanya lebih besar daripada 40, menunjukkan bahawa indeks asid lemak adalah antara 43.65 (BjGRF01) hingga 78.78 (BjGRF22), purata hidrofilikiti (GRAVY) adalah antara -1.07 (BjGRF31) hingga -0.45 (BjGRF22), semua protein BjGRF hidrofilik mempunyai nilai GRAVY negatif, yang mungkin disebabkan oleh kekurangan hidrofobisiti yang disebabkan oleh sisa-sisa. Ramalan penyetempatan subselular menunjukkan bahawa 31 protein yang dikodkan BjGRF boleh dilokalisasikan dalam nukleus, BjGRF04 boleh dilokalisasikan dalam peroksisom, BjGRF25 boleh dilokalisasikan dalam sitoplasma, dan BjGRF28 boleh dilokalisasikan dalam kloroplas (Jadual 1), menunjukkan bahawa BjGRF mungkin dilokalisasikan dalam nukleus dan memainkan peranan pengawalseliaan penting sebagai faktor transkripsi.
Analisis filogenetik keluarga GRF dalam spesies yang berbeza dapat membantu mengkaji fungsi gen. Oleh itu, jujukan asid amino penuh bagi 35 biji sesawi, 16 lobak, 12 beras, 10 biji millet dan 9 GRF Arabidopsis telah dimuat turun dan pokok filogenetik dibina berdasarkan 34 gen BjGRF yang dikenal pasti (Rajah 1). Tiga subfamili mengandungi bilangan ahli yang berbeza; 116 TF GRF dibahagikan kepada tiga subfamili berbeza (kumpulan A~C), masing-masing mengandungi 59 (50.86%), 34 (29.31%) dan 23 (19.83)% daripada GRF. Antaranya, 34 ahli keluarga BjGRF tersebar merentasi 3 subfamili: 13 ahli dalam kumpulan A (38.24%), 12 ahli dalam kumpulan B (35.29%) dan 9 ahli dalam kumpulan C (26.47%). Dalam proses poliploidisasi sawi, bilangan gen BjGRF dalam subfamili yang berbeza adalah berbeza, dan amplifikasi serta kehilangan gen mungkin telah berlaku. Perlu diingatkan bahawa tiada taburan GRF beras dan sekoi dalam kumpulan C, manakala terdapat 2 GRF beras dan 1 GRF sekoi dalam kumpulan B, dan kebanyakan GRF beras dan sekoi dikumpulkan dalam satu cabang, menunjukkan bahawa BjGRF berkait rapat dengan dikot. Antaranya, kajian paling mendalam tentang fungsi GRF dalam Arabidopsis thaliana menyediakan asas untuk kajian fungsian BjGRF.
Pokok filogenetik sawi termasuk Brassica napus, Brassica napus, padi, sekoi dan ahli keluarga Arabidopsis thaliana GRF.
Analisis gen berulang dalam keluarga GRF mustard. Garis kelabu di latar belakang mewakili blok disegerakkan dalam genom mustard, garis merah mewakili sepasang ulangan bersegmen gen BjGRF;
Ekspresi gen BjGRF di bawah tekanan kemarau pada peringkat daun keempat. Data qRT-PCR ditunjukkan dalam Jadual Tambahan S5. Perbezaan ketara dalam data ditunjukkan oleh huruf kecil.
Ketika iklim global terus berubah, mengkaji bagaimana tanaman menghadapi tekanan kemarau dan meningkatkan mekanisme toleransinya telah menjadi topik penyelidikan yang hangat18. Selepas kemarau, struktur morfologi, ekspresi gen dan proses metabolik tumbuhan akan berubah, yang boleh menyebabkan pemberhentian fotosintesis dan gangguan metabolik, yang mempengaruhi hasil dan kualiti tanaman19,20,21. Apabila tumbuhan mengesan isyarat kemarau, mereka menghasilkan utusan kedua seperti Ca2+ dan fosfatidilinositol, meningkatkan kepekatan ion kalsium intraselular dan mengaktifkan rangkaian pengawalseliaan laluan fosforilasi protein22,23. Protein sasaran akhir terlibat secara langsung dalam pertahanan selular atau mengawal selia ekspresi gen tekanan berkaitan melalui TF, meningkatkan toleransi tumbuhan terhadap tekanan24,25. Oleh itu, TF memainkan peranan penting dalam bertindak balas terhadap tekanan kemarau. Mengikut urutan dan sifat pengikatan DNA TF yang responsif terhadap tekanan kemarau, TF boleh dibahagikan kepada keluarga yang berbeza, seperti GRF, ERF, MYB, WRKY dan keluarga lain26.
Keluarga gen GRF merupakan sejenis TF khusus tumbuhan yang memainkan peranan penting dalam pelbagai aspek seperti pertumbuhan, perkembangan, transduksi isyarat dan tindak balas pertahanan tumbuhan27. Sejak gen GRF pertama dikenal pasti dalam O. sativa28, semakin banyak gen GRF telah dikenal pasti dalam banyak spesies dan terbukti mempengaruhi pertumbuhan, perkembangan dan tindak balas tekanan tumbuhan8, 29, 30,31,32. Dengan penerbitan jujukan genom Brassica juncea, pengenalpastian keluarga gen BjGRF menjadi mungkin33. Dalam kajian ini, 34 gen BjGRF telah dikenal pasti dalam keseluruhan genom sawi dan dinamakan BjGRF01–BjGRF34 berdasarkan kedudukan kromosomnya. Kesemuanya mengandungi domain QLQ dan WRC yang sangat terpelihara. Analisis sifat fizikokimia menunjukkan bahawa perbezaan dalam bilangan asid amino dan berat molekul protein BjGRF (kecuali BjGRF28) tidak signifikan, menunjukkan bahawa ahli keluarga BjGRF mungkin mempunyai fungsi yang serupa. Analisis struktur gen menunjukkan bahawa 64.7% daripada gen BjGRF mengandungi 4 ekson, menunjukkan bahawa struktur gen BjGRF agak terpelihara dalam evolusi, tetapi bilangan ekson dalam gen BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 dan BjGRF29 adalah lebih besar. Kajian telah menunjukkan bahawa penambahan atau penghapusan ekson atau intron boleh menyebabkan perbezaan dalam struktur dan fungsi gen, sekali gus mewujudkan gen baharu34,35,36. Oleh itu, kami membuat spekulasi bahawa intron BjGRF telah hilang semasa evolusi, yang boleh menyebabkan perubahan dalam fungsi gen. Selaras dengan kajian sedia ada, kami juga mendapati bahawa bilangan intron dikaitkan dengan ekspresi gen. Apabila bilangan intron dalam gen adalah besar, gen tersebut boleh bertindak balas dengan cepat terhadap pelbagai faktor yang tidak menguntungkan.
Penduaan gen merupakan faktor utama dalam evolusi genomik dan genetik37. Kajian berkaitan telah menunjukkan bahawa penduaan gen bukan sahaja meningkatkan bilangan gen GRF, tetapi juga berfungsi sebagai cara untuk menjana gen baharu bagi membantu tumbuhan menyesuaikan diri dengan pelbagai keadaan persekitaran yang buruk38. Sebanyak 48 pasangan gen pendua ditemui dalam kajian ini, yang kesemuanya merupakan penduaan segmental, menunjukkan bahawa penduaan segmental merupakan mekanisme utama untuk meningkatkan bilangan gen dalam keluarga ini. Telah dilaporkan dalam literatur bahawa penduaan segmental boleh menggalakkan amplifikasi ahli keluarga gen GRF secara berkesan dalam Arabidopsis dan strawberi, dan tiada penduaan tandem keluarga gen ini ditemui dalam mana-mana spesies27,39. Keputusan kajian ini selaras dengan kajian sedia ada mengenai keluarga Arabidopsis thaliana dan strawberi, menunjukkan bahawa keluarga GRF boleh meningkatkan bilangan gen dan menjana gen baharu melalui penduaan segmental dalam tumbuhan yang berbeza.
Dalam kajian ini, sejumlah 34 gen BjGRF telah dikenal pasti dalam sawi, yang dibahagikan kepada 3 subfamili. Gen-gen ini menunjukkan motif dan struktur gen yang terpelihara yang serupa. Analisis kolineariti mendedahkan 48 pasang duplikasi segmen dalam sawi. Kawasan promoter BjGRF mengandungi unsur bertindak cis yang berkaitan dengan tindak balas cahaya, tindak balas hormon, tindak balas tekanan persekitaran, dan pertumbuhan dan perkembangan. Ekspresi 34 gen BjGRF dikesan pada peringkat anak benih sawi (akar, batang, daun), dan corak ekspresi 10 gen BjGRF di bawah keadaan kemarau. Didapati bahawa corak ekspresi gen BjGRF di bawah tekanan kemarau adalah serupa dan mungkin serupa. penglibatan dalam pengawalaturan Pemaksaan kemarau. Gen BjGRF03 dan BjGRF32 mungkin memainkan peranan pengawalaturan positif dalam tekanan kemarau, manakala BjGRF06 dan BjGRF23 memainkan peranan dalam tekanan kemarau sebagai gen sasaran miR396. Secara keseluruhan, kajian kami menyediakan asas biologi untuk penemuan fungsi gen BjGRF pada masa hadapan dalam tumbuhan Brassicaceae.
Biji sawi yang digunakan dalam eksperimen ini disediakan oleh Institut Penyelidikan Benih Minyak Guizhou, Akademi Sains Pertanian Guizhou. Pilih keseluruhan biji benih dan tanamkannya di dalam tanah (substrat: tanah = 3:1), dan kumpulkan akar, batang dan daun selepas peringkat empat daun. Tumbuhan dirawat dengan 20% PEG 6000 untuk mensimulasikan kemarau, dan daun dikumpulkan selepas 0, 3, 6, 12 dan 24 jam. Semua sampel tumbuhan dibekukan segera dalam nitrogen cecair dan kemudian disimpan dalam peti sejuk beku -80°C untuk ujian seterusnya.
Semua data yang diperoleh atau dianalisis semasa kajian ini dimasukkan ke dalam artikel yang diterbitkan dan fail maklumat tambahan.
Masa siaran: 22 Jan-2025