Den sæsonmæssige fordeling af nedbør i Guizhou-provinsen er ujævn, med mere nedbør om foråret og sommeren, men rapsfrøplanterne er modtagelige for tørkestress om efteråret og vinteren, hvilket alvorligt påvirker udbyttet. Sennep er en speciel oliefrøafgrøde, der hovedsageligt dyrkes i Guizhou-provinsen. Den har stærk tørketolerance og kan dyrkes i bjergrige områder. Det er en rig ressource af tørkeresistente gener. Opdagelsen af tørkeresistente gener er af afgørende betydning for forbedringen af sennepssorter. og innovation i kimplasmassourcer. GRF-familien spiller en afgørende rolle i plantevækst og -udvikling og reaktionen på tørkestress. På nuværende tidspunkt er der fundet GRF-gener i Arabidopsis 2, ris (Oryza sativa) 12, rapsfrø 13, bomuld (Gossypium hirsutum) 14, hvede (Triticum). aestivum)15, perlehirse (Setaria italica)16 og Brassica17, men der er ingen rapporter om GRF-gener påvist i sennep. I denne undersøgelse blev GRF-familiegenerne af sennep identificeret på genom-dækkende niveau, og deres fysiske og kemiske karakteristika, evolutionære forhold, homologi, konserverede motiver, genstruktur, genduplikationer, cis-elementer og frøplantestadie (firebladsstadiet) blev analyseret. Ekspressionsmønstrene under tørkestress blev grundigt analyseret for at give et videnskabeligt grundlag for yderligere undersøgelser af BjGRF-geners potentielle funktion i tørkerespons og for at tilvejebringe kandidatgener til avl af tørketolerant sennep.
Fireogtredive BjGRF-gener blev identificeret i Brassica juncea-genomet ved hjælp af to HMMER-søgninger, som alle indeholder QLQ- og WRC-domænerne. CDS-sekvenserne af de identificerede BjGRF-gener er præsenteret i supplerende tabel S1. BjGRF01–BjGRF34 er navngivet baseret på deres placering på kromosomet. De fysisk-kemiske egenskaber af denne familie indikerer, at aminosyrelængden er meget variabel, varierende fra 261 aa (BjGRF19) til 905 aa (BjGRF28). Det isoelektriske punkt for BjGRF varierer fra 6,19 (BjGRF02) til 9,35 (BjGRF03) med et gennemsnit på 8,33, og 88,24% af BjGRF er et basisprotein. Det forudsagte molekylvægtinterval for BjGRF er fra 29,82 kDa (BjGRF19) til 102,90 kDa (BjGRF28); ustabilitetsindekset for BjGRF-proteiner spænder fra 51,13 (BjGRF08) til 78,24 (BjGRF19), alle er større end 40, hvilket indikerer, at fedtsyreindekset varierer fra 43,65 (BjGRF01) til 78,78 (BjGRF22)s gennemsnitlig hydrofilitetsinterval (GRAVY22). (BjGRF31) til -0,45 (BjGRF22), har alle de hydrofile BjGRF-proteiner negative GRAVY-værdier, hvilket kan skyldes manglen på hydrofobicitet forårsaget af resterne. Subcellulær lokaliseringsforudsigelse viste, at 31 BjGRF-kodede proteiner kunne lokaliseres i kernen, BjGRF04 kunne lokaliseres i peroxisomer, BjGRF25 kunne lokaliseres i cytoplasmaet, og BjGRF28 kunne lokaliseres i kloroplaster (tabel 1), hvilket indikerer, at BjGRF kan spille en vigtig rolle i kernekraften. transskriptionsfaktor.
Fylogenetisk analyse af GRF-familier i forskellige arter kan hjælpe med at studere genfunktioner. Derfor blev aminosyresekvenserne i fuld længde af 35 rapsfrø, 16 majroer, 12 ris, 10 hirse og 9 Arabidopsis GRF'er downloadet, og et fylogenetisk træ blev konstrueret baseret på 34 identificerede BjGRF-gener (fig. 1). De tre underfamilier indeholder forskelligt antal medlemmer; 116 GRF TF'er er opdelt i tre forskellige underfamilier (gruppe A~C), der indeholder henholdsvis 59 (50,86%), 34 (29,31%) og 23 (19,83)% af GRF'erne. Blandt dem er 34 BjGRF-familiemedlemmer spredt ud over 3 underfamilier: 13 medlemmer i gruppe A (38,24%), 12 medlemmer i gruppe B (35,29%) og 9 medlemmer i gruppe C (26,47%). I processen med sennepspolyploidisering er antallet af BjGRFs-gener i forskellige underfamilier forskelligt, og genamplifikation og -tab kan være forekommet. Det er værd at bemærke, at der ikke er nogen fordeling af ris- og hirse-GRF'er i gruppe C, mens der er 2 ris-GRF'er og 1 hirse-GRF'er i gruppe B, og de fleste af ris- og hirse-GRF'erne er grupperet i én gren, hvilket indikerer, at BjGRF'er er tæt beslægtet med dikotylleblade. Blandt dem giver de mest dybdegående undersøgelser af GRF-funktionen i Arabidopsis thaliana grundlag for funktionelle undersøgelser af BjGRF'er.
Fylogenetisk sennepstræ, inklusive Brassica napus, Brassica napus, ris, hirse og medlemmer af Arabidopsis thaliana GRF-familien.
Analyse af gentagne gener i senneps-GRF-familien. Den grå linje i baggrunden repræsenterer en synkroniseret blok i sennepsgenomet, den røde linje repræsenterer et par segmenterede gentagelser af BjGRF-genet;
BjGRF-genekspression under tørkestress i det fjerde bladstadium. QRT-PCR-data er vist i supplerende tabel S5. Signifikante forskelle i data er angivet med små bogstaver.
Efterhånden som det globale klima fortsætter med at ændre sig, er undersøgelse af, hvordan afgrøder håndterer tørkestress og forbedring af deres tolerancemekanismer, blevet et varmt forskningsemne18. Efter tørke vil planters morfologiske struktur, genekspression og metaboliske processer ændre sig, hvilket kan føre til ophør af fotosyntese og metaboliske forstyrrelser, hvilket påvirker udbyttet og kvaliteten af afgrøder19,20,21. Når planter fornemmer tørkesignaler, producerer de sekundære budbringere såsom Ca2+ og phosphatidylinositol, øger den intracellulære calciumionkoncentration og aktiverer det regulatoriske netværk af proteinphosphoryleringsvej22,23. Det endelige målprotein er direkte involveret i cellulært forsvar eller regulerer ekspressionen af relaterede stressgener gennem TF'er, hvilket øger plantetolerancen over for stress24,25. Således spiller TF'er en afgørende rolle i at reagere på tørkestress. Ifølge sekvensen og DNA-bindende egenskaber af tørkestress-responsive TF'er kan TF'er opdeles i forskellige familier, såsom GRF, ERF, MYB, WRKY og andre familier26.
GRF-genfamilien er en type plantespecifik TF, der spiller vigtige roller i forskellige aspekter såsom vækst, udvikling, signaltransduktion og planteforsvarsrespons27. Siden det første GRF-gen blev identificeret i O. sativa28, er flere og flere GRF-gener blevet identificeret i mange arter og vist at påvirke plantevækst, udvikling og stressrespons8, 29, 30,31,32. Med offentliggørelsen af Brassica juncea-genomsekvensen blev identifikation af BjGRF-genfamilien mulig33. I denne undersøgelse blev 34 BjGRF-gener identificeret i hele sennepsgenomet og navngivet BjGRF01-BjGRF34 baseret på deres kromosomale position. Alle af dem indeholder meget konserverede QLQ- og WRC-domæner. Analyse af de fysisk-kemiske egenskaber viste, at forskellene i aminosyretal og molekylvægte af BjGRF-proteinerne (undtagen BjGRF28) ikke var signifikante, hvilket indikerer, at BjGRF-familiemedlemmerne kan have lignende funktioner. Genstrukturanalyse viste, at 64,7% af BjGRF-generne indeholdt 4 exoner, hvilket indikerer, at BjGRF-genstrukturen er relativt bevaret i evolution, men antallet af exoner i BjGRF10-, BjGRF16-, BjGRP28- og BjGRF29-generne er større. Undersøgelser har vist, at tilføjelse eller deletion af exoner eller introner kan føre til forskelle i genstruktur og funktion og derved skabe nye gener34,35,36. Derfor spekulerer vi i, at intronen af BjGRF gik tabt under evolutionen, hvilket kan forårsage ændringer i genfunktionen. I overensstemmelse med eksisterende undersøgelser fandt vi også, at antallet af introner var forbundet med genekspression. Når antallet af introner i et gen er stort, kan genet hurtigt reagere på forskellige ugunstige faktorer.
Genduplikation er en vigtig faktor i genomisk og genetisk evolution37. Relaterede undersøgelser har vist, at genduplikation ikke kun øger antallet af GRF-gener, men også tjener som et middel til at generere nye gener for at hjælpe planter med at tilpasse sig forskellige ugunstige miljøforhold38. I alt 48 duplikerede genpar blev fundet i denne undersøgelse, som alle var segmentelle duplikationer, hvilket indikerer, at segmentelle duplikationer er den vigtigste mekanisme til at øge antallet af gener i denne familie. Det er blevet rapporteret i litteraturen, at segmental duplikation effektivt kan fremme amplifikationen af GRF-genfamiliemedlemmer i Arabidopsis og jordbær, og ingen tandemduplikation af denne genfamilie blev fundet i nogen af arterne27,39. Resultaterne af denne undersøgelse er i overensstemmelse med eksisterende undersøgelser af Arabidopsis thaliana og jordbærfamilier, hvilket tyder på, at GRF-familien kan øge antallet af gener og generere nye gener gennem segmental duplikation i forskellige planter.
I denne undersøgelse blev i alt 34 BjGRF-gener identificeret i sennep, som blev opdelt i 3 underfamilier. Disse gener viste lignende bevarede motiver og genstrukturer. Kollinearitetsanalyse afslørede 48 par segmentduplikationer i sennep. BjGRF-promotorregionen indeholder cis-virkende elementer forbundet med lysrespons, hormonal respons, miljøstressrespons og vækst og udvikling. Ekspressionen af 34 BjGRF-gener blev påvist på sennepsfrøplantestadiet (rødder, stængler, blade), og ekspressionsmønsteret af 10 BjGRF-gener under tørkeforhold. Det blev fundet, at ekspressionsmønstrene for BjGRF-gener under tørkestress var ens og kan være ens. involvering i tørke Tvinger regulering. BjGRF03- og BjGRF32-gener kan spille positive regulatoriske roller i tørkestress, mens BjGRF06 og BjGRF23 spiller roller i tørkestress som miR396-målgener. Samlet set giver vores undersøgelse et biologisk grundlag for fremtidig opdagelse af BjGRF-genfunktion i Brassicaceae-planter.
Sennepsfrøene, der blev brugt i dette eksperiment, blev leveret af Guizhou Oil Seed Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences. Vælg de hele frø og plant dem i jord (substrat: jord = 3:1), og saml rødder, stængler og blade efter firebladsstadiet. Planterne blev behandlet med 20% PEG 6000 for at simulere tørke, og bladene blev opsamlet efter 0, 3, 6, 12 og 24 timer. Alle planteprøver blev straks frosset i flydende nitrogen og derefter opbevaret i en -80°C fryser til næste test.
Alle data opnået eller analyseret i løbet af denne undersøgelse er inkluderet i den publicerede artikel og supplerende informationsfiler.
Indlægstid: 22-jan-2025