Úrkomudreifingin í Guizhou-héraði er ójöfn árstíðabundið, með meiri úrkomu á vorin og sumrin, en repjufræplönturnar eru viðkvæmar fyrir þurrkaálagi á haustin og veturinn, sem hefur alvarleg áhrif á uppskeruna. Sinnep er sérstök olíufræuppskera sem aðallega er ræktuð í Guizhou-héraði. Hún þolir þurrka vel og er hægt að rækta hana á fjallasvæðum. Hún er rík af þurrkaþolnum genum. Uppgötvun þurrkaþolinna gena er afar mikilvæg fyrir umbætur á sinnepsafbrigðum og nýsköpun í kímplasmaauðlindum. GRF-fjölskyldan gegnir mikilvægu hlutverki í vexti og þroska plantna og viðbrögðum við þurrkaálagi. Sem stendur hafa GRF-gen fundist í Arabidopsis 2, hrísgrjónum (Oryza sativa) 12, repju 13, bómull (Gossypium hirsutum) 14, hveiti (Triticum aestivum)15, perluhirsi (Setaria italica)16 og Brassica17, en engar tilkynningar hafa verið gerðar um GRF-gen í sinnepi. Í þessari rannsókn voru GRF fjölskyldugen sinneps greind á erfðamengisstigi og eðlis- og efnafræðilegir eiginleikar þeirra, þróunartengsl, samsvörun, varðveitt mótíf, genabygging, genaafritun, cis-þættir og fræplöntustig (fjögurra blaða stig) voru greind. Tjáningarmynstur við þurrkaálag voru ítarlega greind til að veita vísindalegan grunn fyrir frekari rannsóknir á hugsanlegri virkni BjGRF gena í þurrkaviðbrögðum og til að finna gen sem gætu verið möguleg fyrir ræktun þurrkaþolins sinneps.
Þrjátíu og fjögur BjGRF gen voru greind í erfðamengi Brassica juncea með því að nota tvær HMMER leitir, sem öll innihalda QLQ og WRC lénin. CDS raðir greindra BjGRF genanna eru kynntar í viðbótartöflu S1. BjGRF01–BjGRF34 eru nefnd eftir staðsetningu þeirra á litningnum. Eðlis- og efnafræðilegir eiginleikar þessarar fjölskyldu benda til þess að lengd amínósýrunnar sé mjög breytileg, frá 261 aa (BjGRF19) til 905 aa (BjGRF28). Rafpunktur BjGRF er á bilinu 6,19 (BjGRF02) til 9,35 (BjGRF03) með meðaltali 8,33, og 88,24% af BjGRF er basískt prótein. Spáð mólþungabil BjGRF er frá 29,82 kDa (BjGRF19) til 102,90 kDa (BjGRF28); Óstöðugleikavísitala BjGRF próteina er á bilinu 51,13 (BjGRF08) til 78,24 (BjGRF19), öll eru hærri en 40, sem bendir til þess að fitusýruvísitalan sé á bilinu 43,65 (BjGRF01) til 78,78 (BjGRF22), meðalvatnssækni (GRAVY) er á bilinu -1,07 (BjGRF31) til -0,45 (BjGRF22), öll vatnssæknu BjGRF próteinin hafa neikvæð GRAVY gildi, sem gæti stafað af skorti á vatnsfælni af völdum leifanna. Spá um staðsetningu undirfrumum sýndi að 31 BjGRF-kóðuð prótein gætu verið staðsett í kjarnanum, BjGRF04 gæti verið staðsett í peroxisome, BjGRF25 gæti verið staðsett í umfryminu og BjGRF28 gæti verið staðsett í grænukornum (Tafla 1), sem bendir til þess að BjGRF gætu verið staðsett í kjarnanum og gegnt mikilvægu hlutverki sem umritunarþáttur.
Þörungafræðileg greining á GRF fjölskyldum í mismunandi tegundum getur hjálpað til við að rannsaka genastarfsemi. Því voru amínósýruröð í fullri lengd 35 GRF af repju, 16 af næpu, 12 af hrísgrjónum, 10 af hirsi og 9 af Arabidopsis sóttar og þörungafræðilegt tré var smíðað byggt á 34 greindum BjGRF genum (Mynd 1). Þrjár undirættkvíslir innihalda mismunandi fjölda meðlima; 116 GRF TF gena eru skipt í þrjár mismunandi undirættkvíslir (hópa A~C), sem innihalda 59 (50,86%), 34 (29,31%) og 23 (19,83)% af GRF fjölskyldunum, talið í sömu röð. Meðal þeirra eru 34 meðlimir BjGRF fjölskyldunnar dreifðir yfir 3 undirættkvíslir: 13 meðlimir í hópi A (38,24%), 12 meðlimir í hópi B (35,29%) og 9 meðlimir í hópi C (26,47%). Í ferli sinnepsfjölföldunar er fjöldi BjGRF gena í mismunandi undirættum mismunandi og genaauknun og tap kann að hafa átt sér stað. Það er vert að taka fram að engin dreifing er á hrísgrjóna- og hirsi-GRF í hópi C, en það eru 2 hrísgrjóna-GRF og 1 hirsi-GRF í hópi B, og flestir hrísgrjóna- og hirsi-GRF eru flokkaðir í eina grein, sem bendir til þess að BjGRF séu náskyld tvíkímblöðungum. Meðal þeirra eru ítarlegustu rannsóknirnar á virkni GRF í Arabidopsis thaliana grunnur að virknisrannsóknum á BjGRF.
Þyrpingartré sinneps, þar á meðal Brassica napus, Brassica napus, hrísgrjón, hirsi og meðlimir sinnepsættarinnar Arabidopsis thaliana GRF.
Greining á endurteknum genum í GRF fjölskyldu sinnepsgensins. Gráa línan í bakgrunni táknar samstillta blokk í erfðamengi sinnepsgensins, rauða línan táknar par af endurteknum BjGRF geninu;
BjGRF genatjáning við þurrkastreitu á fjórða blaðstigi. qRT-PCR gögn eru sýnd í viðbótartöflu S5. Marktækur munur á gögnum er gefinn til kynna með lágstöfum.
Þar sem hnattrænt loftslag heldur áfram að breytast hefur rannsókn á því hvernig uppskera tekst á við þurrkastreitu og hvernig hún bætir þol hennar orðið vinsælt rannsóknarefni18. Eftir þurrka breytast formgerð, genatjáning og efnaskiptaferli plantna, sem getur leitt til þess að ljóstillífun stöðvast og efnaskiptatruflanir verða truflaðar, sem hefur áhrif á uppskeru og gæði uppskerunnar19,20,21. Þegar plöntur nema þurrkamerki framleiða þær aðra boðbera eins og Ca2+ og fosfatidýlinosítól, auka styrk kalsíumjóna innan frumna og virkja stjórnkerfi próteinfosfórunarferla22,23. Lokapróteinið tekur beinan þátt í frumuvörnum eða stjórnar tjáningu skyldra streitugena í gegnum þvagsýrugigtarprótein, sem eykur þol plantna fyrir streitu24,25. Þannig gegna þvagsýrugigtarprótein lykilhlutverki í viðbrögðum við þurrkastreitu. Samkvæmt röð og DNA-bindandi eiginleika þvagsýrugigtarpróteina sem bregðast við þurrkastreitu má skipta þvagsýrugigtarpróteinum í mismunandi fjölskyldur, svo sem GRF, ERF, MYB, WRKY og aðrar fjölskyldur26.
GRF-genafjölskyldan er tegund af plöntusértækum TF sem gegnir mikilvægu hlutverki í ýmsum þáttum eins og vexti, þroska, merkjasendingum og varnarviðbrögðum plantna27. Frá því að fyrsta GRF-genið var greint í O. sativa28 hafa fleiri og fleiri GRF-gen verið greind í mörgum tegundum og sýnt fram á að þau hafa áhrif á vöxt, þroska og streituviðbrögð plantna8, 29, 30,31,32. Með birtingu erfðamengisraðar Brassica juncea varð greining á BjGRF-genafjölskyldunni möguleg33. Í þessari rannsókn voru 34 BjGRF-gen greind í öllu sinnepsgenamengi og nefnd BjGRF01–BjGRF34 út frá litningastöðu þeirra. Öll innihalda þau mjög varðveitt QLQ- og WRC-lén. Greining á efnafræðilegum eiginleikum sýndi að munurinn á amínósýrufjölda og mólþyngd BjGRF-próteina (nema BjGRF28) var ekki marktækur, sem bendir til þess að meðlimir BjGRF-fjölskyldunnar gætu haft svipaða virkni. Greining á genabyggingu sýndi að 64,7% af BjGRF genum innihéldu 4 exona, sem bendir til þess að BjGRF genabyggingin sé tiltölulega varðveitt í þróuninni, en fjöldi exona í BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 og BjGRF29 genum sé meiri. Rannsóknir hafa sýnt að viðbót eða eyðing exona eða introna getur leitt til mismunar á genabyggingu og virkni, og þar með myndun nýrra gena34,35,36. Þess vegna gerum við ráð fyrir að intron BjGRF hafi tapast í þróuninni, sem getur valdið breytingum á genastarfsemi. Í samræmi við núverandi rannsóknir komumst við einnig að því að fjöldi introna tengdist genatjáningu. Þegar fjöldi introna í geni er mikill getur genið brugðist hratt við ýmsum óhagstæðum þáttum.
Tvöföldun gena er mikilvægur þáttur í erfðafræðilegri þróun37. Tengdar rannsóknir hafa sýnt að tvöföldun gena eykur ekki aðeins fjölda GRF-gena heldur þjónar einnig sem leið til að mynda ný gen til að hjálpa plöntum að aðlagast ýmsum óhagstæðum umhverfisaðstæðum38. Alls fundust 48 tvöföld genapör í þessari rannsókn, sem öll voru hlutaafrit, sem bendir til þess að hlutaafrit séu aðalferillinn að aukinni fjölda gena í þessari fjölskyldu. Í ritrýndum heimildum hefur verið greint frá því að hlutaafrit geti á áhrifaríkan hátt stuðlað að fjölgun GRF-genafjölskyldumeðlima í Arabidopsis og jarðarberjum, og engin tvítekning þessarar genaafjölskyldu fannst í neinum tegundanna27,39. Niðurstöður þessarar rannsóknar eru í samræmi við núverandi rannsóknir á Arabidopsis thaliana og jarðarberjafjölskyldum, sem bendir til þess að GRF-fjölskyldan geti aukið fjölda gena og myndað ný gen með hlutaafrit í mismunandi plöntum.
Í þessari rannsókn voru alls 34 BjGRF gen greind í sinnepi, sem voru skipt í þrjár undirættir. Þessi gen sýndu svipaða varðveitta myndefni og genabyggingu. Samræmisgreining leiddi í ljós 48 pör af tvíteknum genapörum í sinnepi. BjGRF hvatasvæðið inniheldur cis-virk þætti sem tengjast ljóssvörun, hormónasvörun, umhverfisálagssvörun og vexti og þroska. Tjáning 34 BjGRF gena greindist á sinnepsplöntustigi (rætur, stilkar, lauf) og tjáningarmynstur 10 BjGRF gena við þurrkaskilyrði. Kom í ljós að tjáningarmynstur BjGRF gena við þurrkaálag voru svipuð og gætu verið svipuð. BjGRF03 og BjGRF32 genin geta gegnt jákvæðu stjórnunarhlutverki í þurrkaálagi, en BjGRF06 og BjGRF23 gegna hlutverki í þurrkaálagi sem miR396 markgen. Í heildina veitir rannsókn okkar líffræðilegan grunn fyrir framtíðaruppgötvanir á virkni BjGRF gena í Brassicaceae plöntum.
Sinnepsfræin sem notuð voru í þessari tilraun voru útveguð af Guizhou Oil Seed Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences. Veljið heil fræ og sáið þeim í mold (undirlag: mold = 3:1) og safnið rótum, stilkum og laufum eftir fjögurra laufþroskastigið. Plönturnar voru meðhöndlaðar með 20% PEG 6000 til að líkja eftir þurrki og laufunum var safnað eftir 0, 3, 6, 12 og 24 klukkustundir. Öll plöntusýni voru strax fryst í fljótandi köfnunarefni og síðan geymd í -80°C frysti fyrir næstu prófun.
Öll gögn sem aflað var eða greind voru í þessari rannsókn eru í birtri grein og viðbótarupplýsingaskrám.
Birtingartími: 22. janúar 2025