De seizoensgebonden neerslagverdeling in de provincie Guizhou is ongelijkmatig, met meer neerslag in de lente en zomer, maar de koolzaadzaailingen zijn gevoelig voor droogtestress in de herfst en winter, wat de opbrengst ernstig beïnvloedt. Mosterd is een speciaal oliehoudend gewas dat voornamelijk in de provincie Guizhou wordt verbouwd. Het heeft een sterke droogtetolerantie en kan in bergachtige gebieden worden verbouwd. Het is een rijke bron van droogtebestendige genen. De ontdekking van droogtebestendige genen is van cruciaal belang voor de verbetering van mosterdvariëteiten en innovatie in kiemplasmabronnen. De GRF-familie speelt een cruciale rol in de groei en ontwikkeling van planten en de reactie op droogtestress. Momenteel zijn GRF-genen aangetroffen in Arabidopsis 2, rijst (Oryza sativa) 12, koolzaad 13, katoen (Gossypium hirsutum) 14, tarwe (Triticum), aestivum)15, parelgierst (Setaria italica)16 en Brassica17, maar er zijn geen meldingen van GRF-genen die in mosterd zijn aangetroffen. In deze studie werden de GRF-familiegenen van mosterd op genoomniveau geïdentificeerd en werden hun fysische en chemische kenmerken, evolutionaire relaties, homologie, geconserveerde motieven, genstructuur, genduplicaties, cis-elementen en zaailingstadium (vierbladstadium) geanalyseerd. De expressiepatronen onder droogtestress werden uitgebreid geanalyseerd om een wetenschappelijke basis te bieden voor verder onderzoek naar de mogelijke functie van BjGRF-genen bij de reactie op droogte en om kandidaatgenen te ontwikkelen voor de veredeling van droogtetolerante mosterd.
Vierendertig BjGRF-genen werden geïdentificeerd in het genoom van Brassica juncea met behulp van twee HMMER-zoekopdrachten, die allemaal de QLQ- en WRC-domeinen bevatten. De CDS-sequenties van de geïdentificeerde BjGRF-genen worden weergegeven in aanvullende tabel S1. BjGRF01–BjGRF34 zijn vernoemd naar hun locatie op het chromosoom. De fysicochemische eigenschappen van deze familie geven aan dat de aminozuurlengte zeer variabel is, variërend van 261 aminozuren (BjGRF19) tot 905 aminozuren (BjGRF28). Het isoelektrische punt van BjGRF varieert van 6,19 (BjGRF02) tot 9,35 (BjGRF03) met een gemiddelde van 8,33, en 88,24% van BjGRF is een basisch eiwit. Het voorspelde molecuulgewichtbereik van BjGRF is van 29,82 kDa (BjGRF19) tot 102,90 kDa (BjGRF28); de instabiliteitsindex van BjGRF-eiwitten varieert van 51,13 (BjGRF08) tot 78,24 (BjGRF19); alle waarden zijn groter dan 40, wat aangeeft dat de vetzuurindex varieert van 43,65 (BjGRF01) tot 78,78 (BjGRF22); de gemiddelde hydrofiliteit (GRAVY) varieert van -1,07 (BjGRF31) tot -0,45 (BjGRF22); alle hydrofiele BjGRF-eiwitten hebben negatieve GRAVY-waarden, wat kan worden veroorzaakt door het gebrek aan hydrofobiciteit veroorzaakt door de residuen. Uit de voorspelling van de subcellulaire lokalisatie bleek dat 31 door BjGRF gecodeerde eiwitten in de celkern konden worden gelokaliseerd, BjGRF04 in peroxisomen, BjGRF25 in het cytoplasma en BjGRF28 in chloroplasten (tabel 1). Dit geeft aan dat BjGRF's mogelijk in de celkern kunnen worden gelokaliseerd en een belangrijke regulerende rol spelen als transcriptiefactor.
Fylogenetische analyse van GRF-families in verschillende soorten kan helpen bij het bestuderen van genfuncties. Daarom werden de volledige aminozuursequenties van 35 koolzaad-, 16 raap-, 12 rijst-, 10 gierst- en 9 Arabidopsis-GRF's gedownload en werd een fylogenetische stamboom geconstrueerd op basis van 34 geïdentificeerde BjGRF-genen (Fig. 1). De drie subfamilies bevatten verschillende aantallen leden; 116 GRF-TF's zijn verdeeld over drie verschillende subfamilies (groepen A~C), die respectievelijk 59 (50,86%), 34 (29,31%) en 23 (19,83)% van de GRF's bevatten. 34 leden van de BjGRF-familie zijn verspreid over 3 subfamilies: 13 leden in groep A (38,24%), 12 leden in groep B (35,29%) en 9 leden in groep C (26,47%). Tijdens het proces van mosterdpolyploïdisatie verschilt het aantal BjGRF-genen in verschillende subfamilies, en genamplificatie en verlies kunnen hebben plaatsgevonden. Het is opmerkelijk dat er geen verdeling is van rijst- en gierst-GRF's in groep C, terwijl er 2 rijst-GRF's en 1 gierst-GRF in groep B zijn, en dat de meeste rijst- en gierst-GRF's in één tak gegroepeerd zijn, wat aangeeft dat BjGRF's nauw verwant zijn aan tweezaadlobbigen. De meest diepgaande studies naar de GRF-functie in Arabidopsis thaliana vormen een basis voor functioneel onderzoek naar BjGRF's.
Fylogenetische boom van mosterd, waaronder Brassica napus, Brassica napus, rijst, gierst en leden van de Arabidopsis thaliana GRF-familie.
Analyse van repetitieve genen in de mosterd-GRF-familie. De grijze lijn op de achtergrond representeert een gesynchroniseerd blok in het mosterd-genoom, de rode lijn representeert een paar gesegmenteerde herhalingen van het BjGRF-gen;
BjGRF-genexpressie onder droogtestress in het vierde bladstadium. qRT-PCR-gegevens worden weergegeven in aanvullende tabel S5. Significante verschillen in de gegevens worden aangegeven met kleine letters.
Naarmate het wereldwijde klimaat blijft veranderen, is het bestuderen van hoe gewassen omgaan met droogtestress en het verbeteren van hun tolerantiemechanismen een hot topic geworden18. Na een droogteperiode zullen de morfologische structuur, genexpressie en metabolische processen van planten veranderen, wat kan leiden tot het stoppen van de fotosynthese en metabolische verstoringen, wat de opbrengst en kwaliteit van gewassen beïnvloedt19,20,21. Wanneer planten droogtesignalen waarnemen, produceren ze tweede boodschappers zoals Ca2+ en fosfatidylinositol, verhogen ze de intracellulaire calciumionconcentratie en activeren ze het regulerende netwerk van de proteïnefosforyleringsroute22,23. Het uiteindelijke doelwiteiwit is direct betrokken bij cellulaire afweer of reguleert de expressie van gerelateerde stressgenen via TF's, waardoor de stresstolerantie van planten wordt verbeterd24,25. TF's spelen dus een cruciale rol bij het reageren op droogtestress. Afhankelijk van de sequentie en DNA-bindende eigenschappen van TF's die reageren op droogtestress, kunnen TF's worden onderverdeeld in verschillende families, zoals GRF, ERF, MYB, WRKY en andere families26.
De GRF-genfamilie is een type plantspecifieke TF die een belangrijke rol speelt in verschillende aspecten zoals groei, ontwikkeling, signaaltransductie en plantafweerreacties27. Sinds het eerste GRF-gen werd geïdentificeerd in O. sativa28, zijn er in veel soorten steeds meer GRF-genen geïdentificeerd waarvan is aangetoond dat ze de plantengroei, ontwikkeling en stressrespons beïnvloeden8, 29, 30,31,32. Met de publicatie van de genoomsequentie van Brassica juncea werd de identificatie van de BjGRF-genfamilie mogelijk33. In deze studie werden 34 BjGRF-genen geïdentificeerd in het volledige mosterdgenoom en BjGRF01–BjGRF34 genoemd op basis van hun chromosomale positie. Ze bevatten allemaal sterk geconserveerde QLQ- en WRC-domeinen. Analyse van de fysisch-chemische eigenschappen toonde aan dat de verschillen in het aantal aminozuren en het molecuulgewicht van de BjGRF-eiwitten (behalve BjGRF28) niet significant waren, wat aangeeft dat de BjGRF-familieleden mogelijk vergelijkbare functies hebben. Uit genstructuuranalyse bleek dat 64,7% van de BjGRF-genen 4 exonen bevatte, wat aangeeft dat de BjGRF-genstructuur relatief geconserveerd is in de evolutie, maar dat het aantal exonen in de genen BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 en BjGRF29 groter is. Studies hebben aangetoond dat de toevoeging of verwijdering van exonen of intronen kan leiden tot verschillen in genstructuur en -functie, waardoor nieuwe genen ontstaan34,35,36. Daarom vermoeden we dat het intron van BjGRF tijdens de evolutie verloren is gegaan, wat veranderingen in de genfunctie kan veroorzaken. In overeenstemming met bestaande studies vonden we ook dat het aantal intronen verband hield met genexpressie. Wanneer het aantal intronen in een gen groot is, kan het gen snel reageren op verschillende ongunstige factoren.
Genduplicatie is een belangrijke factor in de genomische en genetische evolutie37. Verwante studies hebben aangetoond dat genduplicatie niet alleen het aantal GRF-genen verhoogt, maar ook dient als een manier om nieuwe genen te genereren om planten te helpen zich aan te passen aan verschillende ongunstige omgevingsomstandigheden38. In deze studie werden in totaal 48 duplicaatgenenparen gevonden, die allemaal segmentale duplicaties waren, wat aangeeft dat segmentale duplicaties het belangrijkste mechanisme zijn voor het verhogen van het aantal genen in deze familie. In de literatuur is gerapporteerd dat segmentale duplicatie de amplificatie van GRF-genfamilieleden in Arabidopsis en aardbei effectief kan bevorderen, en er werd geen tandemduplicatie van deze genfamilie gevonden in een van de soorten27,39. De resultaten van deze studie komen overeen met bestaande studies over Arabidopsis thaliana en aardbeifamilies, wat suggereert dat de GRF-familie het aantal genen kan verhogen en nieuwe genen kan genereren door segmentale duplicatie in verschillende planten.
In deze studie werden in totaal 34 BjGRF-genen geïdentificeerd in mosterd, verdeeld in 3 subfamilies. Deze genen vertoonden vergelijkbare geconserveerde motieven en genstructuren. Collineariteitsanalyse onthulde 48 paren segmentduplicaties in mosterd. De BjGRF-promotorregio bevat cis-werkende elementen die geassocieerd zijn met lichtrespons, hormonale respons, reactie op omgevingsstress en groei en ontwikkeling. De expressie van 34 BjGRF-genen werd gedetecteerd in het mosterdzaailingstadium (wortels, stengels, bladeren) en het expressiepatroon van 10 BjGRF-genen onder droogteomstandigheden. Er werd vastgesteld dat de expressiepatronen van BjGRF-genen onder droogtestress vergelijkbaar waren en mogelijk vergelijkbaar zijn. betrokkenheid bij de regulatie van droogteforcering. De genen BjGRF03 en BjGRF32 spelen mogelijk een positieve regulerende rol bij droogtestress, terwijl BjGRF06 en BjGRF23 een rol spelen bij droogtestress als miR396-doelgenen. Samenvattend biedt ons onderzoek een biologische basis voor toekomstige ontdekkingen van de functie van het BjGRF-gen in Brassicaceae-planten.
De mosterdzaadjes die in dit experiment werden gebruikt, werden geleverd door het Guizhou Oil Seed Research Institute van de Guizhou Academy of Agricultural Sciences. Selecteer de hele zaden en plant ze in aarde (substraat: aarde = 3:1). Verzamel de wortels, stengels en bladeren na het vierbladstadium. De planten werden behandeld met 20% PEG 6000 om droogte te simuleren en de bladeren werden verzameld na 0, 3, 6, 12 en 24 uur. Alle plantmonsters werden direct ingevroren in vloeibare stikstof en vervolgens bewaard in een vriezer van -80 °C voor de volgende test.
Alle tijdens dit onderzoek verkregen of geanalyseerde gegevens zijn opgenomen in het gepubliceerde artikel en de aanvullende informatiebestanden.
Plaatsingstijd: 22-01-2025