Taburan hujan bermusim di Wilayah Guizhou adalah tidak sekata, dengan lebih banyak kerpasan pada musim bunga dan musim panas, tetapi anak benih rapeseed terdedah kepada tekanan kemarau pada musim luruh dan musim sejuk, yang menjejaskan hasil secara serius. Mustard ialah tanaman biji minyak khas yang ditanam terutamanya di Wilayah Guizhou. Ia mempunyai toleransi kemarau yang kuat dan boleh ditanam di kawasan pergunungan. Ia adalah sumber yang kaya dengan gen tahan kemarau. Penemuan gen tahan kemarau adalah sangat penting untuk penambahbaikan varieti mustard. dan inovasi dalam sumber plasma nutfah. Keluarga GRF memainkan peranan penting dalam pertumbuhan dan perkembangan tumbuhan dan tindak balas kepada tekanan kemarau. Pada masa ini, gen GRF telah ditemui dalam Arabidopsis 2, beras (Oryza sativa) 12, rapeseed 13, kapas (Gossypium hirsutum) 14, gandum (Triticum). aestivum)15, pearl millet (Setaria italica)16 dan Brassica17, tetapi tiada laporan gen GRF dikesan dalam mustard. Dalam kajian ini, gen keluarga GRF mustard telah dikenal pasti pada peringkat genom-lebar dan ciri fizikal dan kimianya, hubungan evolusi, homologi, motif terpelihara, struktur gen, duplikasi gen, unsur-cis dan peringkat anak benih (peringkat empat daun) dianalisis. Corak ekspresi di bawah tekanan kemarau dianalisis secara komprehensif untuk menyediakan asas saintifik untuk kajian lanjut mengenai potensi fungsi gen BjGRF dalam tindak balas kemarau dan untuk menyediakan gen calon untuk pembiakan mustard 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 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 berjulat dari 6.19 (BjGRF02) hingga 9.35 (BjGRF03) dengan purata 8.33, dan 88.24% BjGRF ialah protein asas. Julat berat molekul BjGRF yang diramalkan ialah dari 29.82 kDa (BjGRF19) hingga 102.90 kDa (BjGRF28); indeks ketidakstabilan protein BjGRF berjulat dari 51.13 (BjGRF08) hingga 78.24 (BjGRF19), semuanya lebih besar daripada 40, menunjukkan bahawa indeks asid lemak berjulat dari 43.65 (BjGRF01) hingga 78.78 (julat BjGRF22) (dari purata 10 hidrofilik) (BjGRF31) hingga -0.45 (BjGRF22), semua protein BjGRF hidrofilik mempunyai nilai GRAVY negatif, yang mungkin disebabkan oleh kekurangan hidrofobisiti yang disebabkan oleh sisa. Ramalan penyetempatan subselular menunjukkan bahawa 31 protein yang dikodkan BjGRF boleh disetempatkan dalam nukleus, BjGRF04 boleh disetempatkan dalam peroksisom, BjGRF25 boleh disetempatkan dalam sitoplasma, dan BjGRF28 boleh disetempatkan dalam kloroplas (Jadual 1), menunjukkan bahawa BjGRF04 boleh memainkan peranan penting dalam nukleus sebagai faktor pengawal selia.
Analisis filogenetik keluarga GRF dalam spesies yang berbeza boleh membantu untuk mengkaji fungsi gen. Oleh itu, jujukan asid amino penuh 35 biji sesawi, 16 lobak, 12 beras, 10 biji dan 9 GRF Arabidopsis telah dimuat turun dan pokok filogenetik telah dibina berdasarkan 34 gen BjGRF yang dikenal pasti (Rajah 1). Tiga subfamili mengandungi bilangan ahli yang berbeza; 116 GRF TF 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 di 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 mustard, bilangan gen BjGRFs dalam subfamili yang berbeza adalah berbeza, dan penguatan dan kehilangan gen mungkin telah berlaku. Perlu diingat bahawa tiada pengagihan GRF beras dan millet dalam kumpulan C, manakala terdapat 2 GRF beras dan 1 GRF millet dalam kumpulan B, dan kebanyakan GRF beras dan millet dikumpulkan dalam satu cawangan, menunjukkan bahawa BjGRFs berkait rapat dengan dicot. Antaranya, kajian yang paling mendalam mengenai fungsi GRF dalam Arabidopsis thaliana menyediakan asas untuk kajian fungsional BjGRFs.
Pokok sawi filogenetik termasuk Brassica napus, Brassica napus, beras, bijirin dan ahli keluarga Arabidopsis thaliana GRF.
Analisis gen berulang dalam keluarga GRF mustard. Garis kelabu di latar belakang mewakili blok yang 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 yang ketara dalam data ditunjukkan dengan huruf kecil.
Apabila iklim global terus berubah, mengkaji cara tanaman menghadapi tekanan kemarau dan meningkatkan mekanisme toleransi mereka 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, menjejaskan hasil dan kualiti tanaman19,20,21. Apabila tumbuhan merasakan isyarat kemarau, mereka menghasilkan utusan kedua seperti Ca2+ dan phosphatidylinositol, meningkatkan kepekatan ion kalsium intraselular dan mengaktifkan rangkaian pengawalseliaan laluan fosforilasi protein22,23. Protein sasaran akhir terlibat secara langsung dalam pertahanan selular atau mengawal ekspresi gen tekanan yang berkaitan melalui TF, meningkatkan toleransi tumbuhan kepada tekanan24,25. Oleh itu, TF memainkan peranan penting dalam bertindak balas terhadap tekanan kemarau. Mengikut urutan dan sifat pengikatan DNA TF responsif tekanan kemarau, TF boleh dibahagikan kepada keluarga yang berbeza, seperti GRF, ERF, MYB, WRKY dan keluarga lain26.
Keluarga gen GRF ialah 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 tumbuhan, perkembangan dan tindak balas tekanan8, 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 mustard dan dinamakan BjGRF01-BjGRF34 berdasarkan kedudukan kromosomnya. Kesemuanya mengandungi domain QLQ dan WRC yang sangat terpelihara. Analisis sifat fizikokimia menunjukkan bahawa perbezaan dalam nombor asid amino dan berat molekul protein BjGRF (kecuali BjGRF28) adalah tidak ketara, menunjukkan bahawa ahli keluarga BjGRF mungkin mempunyai fungsi yang sama. Analisis struktur gen menunjukkan bahawa 64.7% daripada gen BjGRF mengandungi 4 ekson, menunjukkan bahawa struktur gen BjGRF secara relatifnya dipelihara dalam evolusi, tetapi bilangan ekson dalam gen BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 dan BjGRF29 adalah lebih besar. Kajian telah menunjukkan bahawa penambahan atau pemadaman ekson atau intron boleh membawa kepada perbezaan dalam struktur dan fungsi gen, seterusnya 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 boleh bertindak balas dengan cepat kepada pelbagai faktor yang tidak menguntungkan.
Penduaan gen adalah faktor utama dalam evolusi genomik dan genetik37. Kajian berkaitan telah menunjukkan bahawa pertindihan gen bukan sahaja meningkatkan bilangan gen GRF, tetapi juga berfungsi sebagai cara menjana gen baharu untuk membantu tumbuhan menyesuaikan diri dengan pelbagai keadaan persekitaran yang buruk38. Sebanyak 48 pasangan gen pendua ditemui dalam kajian ini, semuanya adalah penduaan segmen, menunjukkan bahawa penduaan segmen adalah mekanisme utama untuk meningkatkan bilangan gen dalam keluarga ini. Telah dilaporkan dalam kesusasteraan bahawa pertindihan segmen secara berkesan boleh mempromosikan penguatan ahli keluarga gen GRF dalam Arabidopsis dan strawberi, dan tiada pertindihan tandem keluarga gen ini ditemui dalam mana-mana spesies27, 39. Hasil kajian ini konsisten dengan kajian sedia ada mengenai keluarga Arabidopsis thaliana dan strawberi, menunjukkan bahawa keluarga GRF boleh meningkatkan bilangan gen dan menjana gen baru melalui penduaan segmen dalam tumbuhan yang berbeza.
Dalam kajian ini, sebanyak 34 gen BjGRF telah dikenalpasti dalam mustard, yang dibahagikan kepada 3 subfamili. Gen ini menunjukkan motif terpelihara dan struktur gen yang serupa. Analisis kolineariti mendedahkan 48 pasang pertindihan segmen dalam mustard. Rantau penggalak BjGRF mengandungi unsur tindakan cis yang dikaitkan dengan tindak balas cahaya, tindak balas hormon, tindak balas tekanan alam sekitar 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 kemarau Memaksa peraturan. Gen BjGRF03 dan BjGRF32 mungkin memainkan peranan pengawalseliaan yang 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 masa depan fungsi gen BjGRF 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 tanam di dalam tanah (substrat: tanah = 3:1), dan kumpulkan akar, batang dan daun selepas peringkat empat daun. Tumbuhan telah dirawat dengan 20% PEG 6000 untuk mensimulasikan kemarau, dan daun dikumpulkan selepas 0, 3, 6, 12 dan 24 jam. Semua sampel tumbuhan segera dibekukan dalam nitrogen cecair dan kemudian disimpan dalam peti sejuk -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: Jan-22-2025