Die seisoenale verspreiding van neerslag in die Guizhou-provinsie is ongelyk, met meer neerslag in die lente en somer, maar die raapsaadsaailinge is vatbaar vir droogtestres in die herfs en winter, wat die opbrengs ernstig beïnvloed. Mosterd is 'n spesiale oliesaadgewas wat hoofsaaklik in die Guizhou-provinsie verbou word. Dit het sterk droogtetoleransie en kan in bergagtige gebiede verbou word. Dit is 'n ryk bron van droogtebestande gene. Die ontdekking van droogtebestande gene is van kritieke belang vir die verbetering van mosterdvariëteite en innovasie in kiemplasma-hulpbronne. Die GRF-familie speel 'n kritieke rol in plantgroei en -ontwikkeling en die reaksie op droogtestres. Tans is GRF-gene gevind in Arabidopsis 2, rys (Oryza sativa) 12, raapsaad 13, katoen (Gossypium hirsutum) 14, koring (Triticum aestivum)15, pêrelgiers (Setaria italica)16 en Brassica17, maar daar is geen verslae van GRF-gene wat in mosterd opgespoor is nie. In hierdie studie is die GRF-familiegene van mosterd op genoomwye vlak geïdentifiseer en hul fisiese en chemiese eienskappe, evolusionêre verwantskappe, homologie, gekonserveerde motiewe, geenstruktuur, geenduplikasies, cis-elemente en saailingstadium (vierblaarstadium) is geanaliseer. Die uitdrukkingspatrone onder droogtestres is omvattend geanaliseer om 'n wetenskaplike basis te bied vir verdere studies oor die potensiële funksie van BjGRF-gene in droogtereaksie en om kandidaatgene vir die teel van droogtetolerante mosterd te verskaf.
Vier-en-dertig BjGRF-gene is in die Brassica juncea-genoom geïdentifiseer deur twee HMMER-soektogte te gebruik, wat almal die QLQ- en WRC-domeine bevat. Die CDS-volgordes van die geïdentifiseerde BjGRF-gene word in Aanvullende Tabel S1 aangebied. BjGRF01–BjGRF34 word benoem op grond van hul ligging op die chromosoom. Die fisies-chemiese eienskappe van hierdie familie dui daarop dat die aminosuurlengte hoogs veranderlik is, en wissel van 261 aa (BjGRF19) tot 905 aa (BjGRF28). Die isoelektriese punt van BjGRF wissel van 6.19 (BjGRF02) tot 9.35 (BjGRF03) met 'n gemiddelde van 8.33, en 88.24% van BjGRF is 'n basiese proteïen. Die voorspelde molekulêre gewigsreeks van BjGRF is van 29.82 kDa (BjGRF19) tot 102.90 kDa (BjGRF28); Die onstabiliteitsindeks van BjGRF-proteïene wissel van 51.13 (BjGRF08) tot 78.24 (BjGRF19), almal is groter as 40, wat aandui dat die vetsuurindeks wissel van 43.65 (BjGRF01) tot 78.78 (BjGRF22), die gemiddelde hidrofilisiteit (GRAVY) wissel van -1.07 (BjGRF31) tot -0.45 (BjGRF22), al die hidrofiliese BjGRF-proteïene het negatiewe GRAVY-waardes, wat moontlik te wyte is aan die gebrek aan hidrofobisiteit wat deur die residue veroorsaak word. Subsellulêre lokaliseringsvoorspelling het getoon dat 31 BjGRF-gekodeerde proteïene in die kern gelokaliseer kan word, BjGRF04 in peroksisome gelokaliseer kan word, BjGRF25 in die sitoplasma gelokaliseer kan word, en BjGRF28 in chloroplaste gelokaliseer kan word (Tabel 1), wat aandui dat BjGRF's in die kern gelokaliseer kan word en 'n belangrike regulerende rol as 'n transkripsiefaktor speel.
Filogenetiese analise van GRF-families in verskillende spesies kan help om geenfunksies te bestudeer. Daarom is die vollengte aminosuurvolgordes van 35 raapsaad-, 16 raap-, 12 rys-, 10 gierst- en 9 Arabidopsis-GRF's afgelaai en 'n filogenetiese boom is gekonstrueer gebaseer op 34 geïdentifiseerde BjGRF-gene (Fig. 1). Die drie subfamilies bevat verskillende getalle lede; 116 GRF TF's word verdeel in drie verskillende subfamilies (groepe A~C), wat onderskeidelik 59 (50.86%), 34 (29.31%) en 23 (19.83)% van die GRF's bevat. Onder hulle is 34 BjGRF-familielede versprei oor 3 subfamilies: 13 lede in groep A (38.24%), 12 lede in groep B (35.29%) en 9 lede in groep C (26.47%). In die proses van mosterdpoliploïdisering is die aantal BjGRF-gene in verskillende subfamilies verskillend, en geenamplifikasie en -verlies kon plaasgevind het. Dit is opmerklik dat daar geen verspreiding van rys- en gierst-GRF's in groep C is nie, terwyl daar 2 rys-GRF's en 1 gierst-GRF in groep B is, en die meeste van die rys- en gierst-GRF's in een tak gegroepeer is, wat aandui dat BjGRF's nou verwant is aan dikotiele. Onder hulle bied die mees diepgaande studies oor die GRF-funksie in Arabidopsis thaliana 'n basis vir funksionele studies van BjGRF's.
Filogenetiese boom van mosterd, insluitend Brassica napus, Brassica napus, rys, gierst en lede van die Arabidopsis thaliana GRF-familie.
Analise van herhalende gene in die mosterd-GRF-familie. Die grys lyn in die agtergrond verteenwoordig 'n gesinchroniseerde blok in die mosterdgenoom, die rooi lyn verteenwoordig 'n paar gesegmenteerde herhalings van die BjGRF-geen;
BjGRF-geenuitdrukking onder droogtestres in die vierde blaarstadium. qRT-PCR-data word in Aanvullende Tabel S5 getoon. Beduidende verskille in data word met kleinletters aangedui.
Namate die globale klimaat aanhou verander, het die studie van hoe gewasse droogtestres hanteer en hul toleransiemeganismes verbeter, 'n warm navorsingsonderwerp geword18. Na droogte sal die morfologiese struktuur, geenekspressie en metaboliese prosesse van plante verander, wat kan lei tot die staking van fotosintese en metaboliese versteuring, wat die opbrengs en kwaliteit van gewasse beïnvloed19,20,21. Wanneer plante droogteseine waarneem, produseer hulle tweede boodskappers soos Ca2+ en fosfatidielinositol, verhoog die intrasellulêre kalsiumioonkonsentrasie en aktiveer die regulatoriese netwerk van die proteïenfosforileringsroete22,23. Die finale teikenproteïen is direk betrokke by sellulêre verdediging of reguleer die uitdrukking van verwante stresgene deur TF's, wat planttoleransie vir stres verbeter24,25. Dus speel TF's 'n belangrike rol in die reaksie op droogtestres. Volgens die volgorde en DNA-bindingseienskappe van droogtestres-responsiewe TF's, kan TF's in verskillende families verdeel word, soos GRF, ERF, MYB, WRKY en ander families26.
Die GRF-geenfamilie is 'n tipe plantspesifieke TF wat belangrike rolle speel in verskeie aspekte soos groei, ontwikkeling, seintransduksie en plantverdedigingsreaksies27. Sedert die eerste GRF-geen in O. sativa28 geïdentifiseer is, is meer en meer GRF-gene in baie spesies geïdentifiseer en getoon dat dit plantgroei, ontwikkeling en stresrespons beïnvloed8, 29, 30,31,32. Met die publikasie van die Brassica juncea-genoomvolgorde het die identifisering van die BjGRF-geenfamilie moontlik geword33. In hierdie studie is 34 BjGRF-gene in die hele mosterdgenoom geïdentifiseer en BjGRF01-BjGRF34 genoem op grond van hul chromosomale posisie. Almal bevat hoogs gekonserveerde QLQ- en WRC-domeine. Analise van die fisies-chemiese eienskappe het getoon dat die verskille in die aminosuurgetalle en molekulêre gewigte van die BjGRF-proteïene (behalwe BjGRF28) nie beduidend was nie, wat aandui dat die BjGRF-familielede soortgelyke funksies kan hê. Geenstruktuuranalise het getoon dat 64.7% van die BjGRF-gene 4 eksone bevat het, wat aandui dat die BjGRF-geenstruktuur relatief behoue gebly het in evolusie, maar die aantal eksone in die BjGRF10-, BjGRF16-, BjGRP28- en BjGRF29-gene is groter. Studies het getoon dat die byvoeging of verwydering van eksone of introne kan lei tot verskille in geenstruktuur en -funksie, waardeur nuwe gene geskep word34,35,36. Daarom spekuleer ons dat die intron van BjGRF tydens evolusie verlore gegaan het, wat veranderinge in geenfunksie kan veroorsaak. In ooreenstemming met bestaande studies het ons ook gevind dat die aantal introne geassosieer was met geenuitdrukking. Wanneer die aantal introne in 'n geen groot is, kan die geen vinnig op verskeie ongunstige faktore reageer.
Geen duplikasie is 'n belangrike faktor in genomiese en genetiese evolusie37. Verwante studies het getoon dat geen duplikasie nie net die aantal GRF-gene verhoog nie, maar ook dien as 'n manier om nuwe gene te genereer om plante te help aanpas by verskeie ongunstige omgewingstoestande38. 'n Totaal van 48 duplikaat geenpare is in hierdie studie gevind, wat almal segmentale duplikasies was, wat aandui dat segmentale duplikasies die belangrikste meganisme is om die aantal gene in hierdie familie te verhoog. Daar is in die literatuur berig dat segmentale duplikasie die versterking van GRF-geenfamilielede in Arabidopsis en aarbeie effektief kan bevorder, en geen tandem duplikasie van hierdie geenfamilie is in enige van die spesies gevind nie27,39. Die resultate van hierdie studie stem ooreen met bestaande studies oor Arabidopsis thaliana en aarbeifamilies, wat daarop dui dat die GRF-familie die aantal gene kan verhoog en nuwe gene kan genereer deur segmentale duplikasie in verskillende plante.
In hierdie studie is 'n totaal van 34 BjGRF-gene in mosterd geïdentifiseer, wat in 3 subfamilies verdeel is. Hierdie gene het soortgelyke gekonserveerde motiewe en geenstrukture getoon. Kollineariteitsanalise het 48 pare segmentduplikasies in mosterd aan die lig gebring. Die BjGRF-promotorstreek bevat cis-werkende elemente wat geassosieer word met ligrespons, hormonale respons, omgewingsstresrespons, en groei en ontwikkeling. Die uitdrukking van 34 BjGRF-gene is in die mosterdsaailingstadium (wortels, stingels, blare) opgespoor, en die uitdrukkingspatroon van 10 BjGRF-gene onder droogtetoestande. Daar is gevind dat die uitdrukkingspatrone van BjGRF-gene onder droogtestres soortgelyk was en moontlik soortgelyk is. BjGRF03- en BjGRF32-gene kan positiewe regulatoriese rolle in droogtestres speel, terwyl BjGRF06 en BjGRF23 rolle in droogtestres speel as miR396-teikengene. Oor die algemeen bied ons studie 'n biologiese basis vir toekomstige ontdekking van BjGRF-geenfunksie in Brassicaceae-plante.
Die mosterdsaad wat in hierdie eksperiment gebruik is, is verskaf deur die Guizhou Oil Seed Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences. Kies die hele saad en plant dit in grond (substraat: grond = 3:1), en versamel die wortels, stingels en blare na die vierblaarstadium. Die plante is behandel met 20% PEG 6000 om droogte te simuleer, en die blare is na 0, 3, 6, 12 en 24 uur versamel. Alle plantmonsters is onmiddellik in vloeibare stikstof gevries en toe in 'n -80°C vrieskas gestoor vir die volgende toets.
Alle data wat tydens hierdie studie verkry of geanaliseer is, is ingesluit in die gepubliseerde artikel en aanvullende inligtingslêers.
Plasingstyd: 22 Januarie 2025