Сезонска расподела падавина у провинцији Гуејџоу је неравномерна, са више падавина у пролеће и лето, али су саднице уљане репице подложне стресу од суше у јесен и зиму, што озбиљно утиче на принос. Сенф је посебна уљарица која се углавном гаји у провинцији Гуејџоу. Има јаку толеранцију на сушу и може се гајити у планинским подручјима. Богат је ресурс гена отпорних на сушу. Откриће гена отпорних на сушу је од кључне важности за побољшање сорти сенфа и иновације у ресурсима гермплазме. GRF фамилија игра кључну улогу у расту и развоју биљака и одговору на стрес од суше. Тренутно су GRF гени пронађени код Arabidopsis 2, пиринча (Oryza sativa) 12, уљане репице 13, памука (Gossypium hirsutum) 14, пшенице (Triticum aestivum) 15, бисерног проса (Setaria italica) 16 и Brassica 17, али нема извештаја о GRF генима откривеним код сенфа. У овој студији, гени породице GRF сенфа су идентификовани на нивоу целог генома и анализиране су њихове физичке и хемијске карактеристике, еволутивни односи, хомологија, конзервирани мотиви, структура гена, дупликације гена, цис-елементи и фаза саднице (фаза четири листа). Обрасци експресије под стресом су свеобухватно анализирани како би се пружила научна основа за даља истраживања о потенцијалној функцији BjGRF гена у одговору на сушу и како би се обезбедили кандидатски гени за узгој сенфа отпорног на сушу.
Тридесет четири BjGRF гена су идентификована у геному Brassica juncea коришћењем две HMMER претраге, од којих сви садрже QLQ и WRC домене. CDS секвенце идентификованих BjGRF гена су приказане у Додатној табели S1. BjGRF01–BjGRF34 су именовани на основу њихове локације на хромозому. Физичко-хемијска својства ове фамилије указују на то да је дужина аминокиселина веома варијабилна, у распону од 261 аминокиселине (BjGRF19) до 905 аминокиселина (BjGRF28). Изоелектрична тачка BjGRF креће се од 6,19 (BjGRF02) до 9,35 (BjGRF03) са просеком од 8,33, а 88,24% BjGRF је базни протеин. Предвиђени опсег молекулске тежине BjGRF је од 29,82 kDa (BjGRF19) до 102,90 kDa (BjGRF28); Индекс нестабилности BjGRF протеина креће се од 51,13 (BjGRF08) до 78,24 (BjGRF19), сви су већи од 40, што указује да се индекс масних киселина креће од 43,65 (BjGRF01) до 78,78 (BjGRF22), просечна хидрофилност (GRAVY) креће се од -1,07 (BjGRF31) до -0,45 (BjGRF22), сви хидрофилни BjGRF протеини имају негативне GRAVY вредности, што може бити последица недостатка хидрофобности изазване остацима. Предвиђање субћелијске локализације показало је да 31 протеин кодиран BjGRF може бити локализован у једру, BjGRF04 може бити локализован у пероксизомима, BjGRF25 може бити локализован у цитоплазми, а BjGRF28 може бити локализован у хлоропластима (Табела 1), што указује да BjGRF могу бити локализовани у једру и играти важну регулаторну улогу као транскрипциони фактор.
Филогенетска анализа GRF фамилија код различитих врста може помоћи у проучавању функција гена. Стога су преузете пуне аминокиселинске секвенце 35 GRF уљане репице, 16 репе, 12 пиринча, 10 проса и 9 Arabidopsis GRF-ова и конструисано је филогенетско стабло на основу 34 идентификована BjGRF гена (Сл. 1). Три потфамилије садрже различит број чланова; 116 GRF TF-ова је подељено у три различите потфамилије (групе A~C), које садрже 59 (50,86%), 34 (29,31%) и 23 (19,83)% GRF-ова, респективно. Међу њима, 34 члана BjGRF фамилије су раштркана у 3 потфамилије: 13 чланова у групи А (38,24%), 12 чланова у групи Б (35,29%) и 9 чланова у групи Ц (26,47%). У процесу полиплоидизације сенфа, број BjGRF гена у различитим потфамилијама је различит, те је могуће да је дошло до амплификације и губитка гена. Вреди напоменути да не постоји дистрибуција GRF-ова пиринча и проса у групи C, док у групи B постоје 2 GRF-а пиринча и 1 GRF проса, а већина GRF-ова пиринча и проса је груписана у једну грану, што указује да су BjGRF-ови уско повезани са дикотима. Међу њима, најдетаљније студије о функцији GRF-а код Arabidopsis thaliana пружају основу за функционалне студије BjGRF-ова.
Филогенетско стабло сенфа укључујући Brassica napus, Brassica napus, пиринач, просо и чланове породице Arabidopsis thaliana GRF.
Анализа репетитивних гена у породици GRF сенфа. Сива линија у позадини представља синхронизовани блок у геному сенфа, црвена линија представља пар сегментираних понављања BjGRF гена;
Експресија гена BjGRF под стресом суше у фази четвртог листа. Подаци qRT-PCR су приказани у Додатној табели S5. Значајне разлике у подацима су означене малим словима.
Како се глобална клима наставља мењати, проучавање начина на који се усеви носе са стресом изазваним сушом и побољшање њихових механизама толеранције постало је актуелна тема истраживања18. Након суше, морфолошка структура, експресија гена и метаболички процеси биљака ће се променити, што може довести до престанка фотосинтезе и метаболичких поремећаја, што утиче на принос и квалитет усева19,20,21. Када биљке осете сигнале суше, оне производе секундарне гласнике као што су Ca2+ и фосфатидилинозитол, повећавају интрацелуларну концентрацију калцијумових јона и активирају регулаторну мрежу пута фосфорилације протеина22,23. Коначни циљни протеин је директно укључен у ћелијску одбрану или регулише експресију сродних стресних гена путем транскрипционих фактора (TF), повећавајући толеранцију биљака на стрес24,25. Дакле, TF играју кључну улогу у реаговању на стрес изазван сушом. Према секвенци и својствима везивања ДНК TF који реагују на стрес изазван сушом, TF се могу поделити у различите породице, као што су GRF, ERF, MYB, WRKY и друге породице26.
Породица гена GRF је врста транскрипционе факторске транспозиције специфичне за биљке која игра важну улогу у различитим аспектима као што су раст, развој, пренос сигнала и одбрамбени одговори биљака27. Од када је први GRF ген идентификован код O. sativa28, све више GRF гена је идентификовано код многих врста и показано је да утичу на раст, развој и одговор биљака на стрес8, 29, 30,31,32. Објављивањем секвенце генома Brassica juncea, идентификација породице гена BjGRF постала је могућа33. У овој студији, идентификовано је 34 BjGRF гена у целом геному сенфа и названо BjGRF01–BjGRF34 на основу њиховог хромозомског положаја. Сви они садрже високо конзервиране QLQ и WRC домене. Анализа физичко-хемијских својстава показала је да разлике у броју аминокиселина и молекулским тежинама BjGRF протеина (осим BjGRF28) нису биле значајне, што указује да чланови породице BjGRF могу имати сличне функције. Анализа структуре гена показала је да 64,7% BjGRF гена садржи 4 ексона, што указује да је структура BjGRF гена релативно конзервирана у еволуцији, али је број ексона у генима BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 и BjGRF29 већи. Студије су показале да додавање или брисање ексона или интрона може довести до разлика у структури и функцији гена, чиме се стварају нови гени34,35,36. Стога претпостављамо да је интрон BjGRF изгубљен током еволуције, што може изазвати промене у функцији гена. У складу са постојећим студијама, такође смо открили да је број интрона повезан са експресијом гена. Када је број интрона у гену велики, ген може брзо реаговати на различите неповољне факторе.
Дупликација гена је главни фактор у геномској и генетској еволуцији37. Сродне студије су показале да дупликација гена не само да повећава број GRF гена, већ служи и као средство за генерисање нових гена који помажу биљкама да се прилагоде различитим неповољним условима околине38. У овој студији је пронађено укупно 48 дуплираних парова гена, од којих су све биле сегментне дупликације, што указује да су сегментне дупликације главни механизам за повећање броја гена у овој породици. У литератури је објављено да сегментна дупликација може ефикасно промовисати амплификацију чланова породице GRF гена код Arabidopsis и јагоде, а није пронађена тандемска дупликација ове породице гена ни код једне врсте27,39. Резултати ове студије су у складу са постојећим студијама о породицама Arabidopsis thaliana и јагоде, што сугерише да породица GRF може повећати број гена и генерисати нове гене путем сегментне дупликације код различитих биљака.
У овој студији, укупно 34 BjGRF гена су идентификована у сенфу, који су подељени у 3 подфамилије. Ови гени су показали сличне конзервиране мотиве и генске структуре. Анализа колинеарности открила је 48 парова дупликација сегмената у сенфу. Промоторски регион BjGRF садржи цис-делујуће елементе повезане са одговором на светлост, хормонским одговором, одговором на стрес из околине, као и растом и развојем. Експресија 34 BjGRF гена је откривена у фази саднице сенфа (корен, стабљике, листови), а образац експресије 10 BjGRF гена у условима суше. Утврђено је да су обрасци експресије BjGRF гена под стресом суше слични и да могу бити слични. учешће у регулацији присиљавања суше. Гени BjGRF03 и BjGRF32 могу играти позитивну регулаторну улогу у стресу суше, док BjGRF06 и BjGRF23 играју улогу у стресу суше као циљни гени miR396. Све у свему, наша студија пружа биолошку основу за будуће откривање функције BjGRF гена у биљкама породице Brassicaceae.
Семе слачице коришћено у овом експерименту обезбедио је Институт за истраживање уљаног семена Гуејџоу, Академије пољопривредних наука Гуејџоу. Изаберите цело семе и посадите га у земљу (супстрат: земља = 3:1), а корење, стабљике и листове сакупите након фазе четири листа. Биљке су третиране са 20% PEG 6000 да би се симулирала суша, а листови су сакупљени након 0, 3, 6, 12 и 24 сата. Сви узорци биљака су одмах замрзнути у течном азоту, а затим чувани у замрзивачу на -80°C за следеће тестирање.
Сви подаци добијени или анализирани током ове студије укључени су у објављени чланак и додатне информативне датотеке.
Време објаве: 22. јануар 2025.