Сезоннае размеркаванне ападкаў у правінцыі Гуйчжоу нераўнамернае, з большай колькасцю ападкаў вясной і летам, але расада рапсу ўспрымальная да засухі восенню і зімой, што сур'ёзна ўплывае на ўраджайнасць. Гарчыца - гэта асаблівая алейная культура, якая ў асноўным вырошчваецца ў правінцыі Гуйчжоу. Яна мае высокую засухаўстойлівасць і можа вырошчвацца ў горных раёнах. Гэта багатая крыніца генаў засухаўстойлівасці. Адкрыццё генаў засухаўстойлівасці мае вырашальнае значэнне для паляпшэння гатункаў гарчыцы і інавацый у рэсурсах зародкавай плазмы. Сямейства GRF адыгрывае важную ролю ў росце і развіцці раслін і рэакцыі на засуху. У цяперашні час гены GRF былі знойдзены ў Arabidopsis 2, рысе (Oryza sativa) 12, рапсе 13, бавоўне (Gossypium hirsutum) 14, пшаніцы (Triticum aestivum) 15, жамчужным просе (Setaria italica) 16 і Brassica 17, але няма паведамленняў аб выяўленні генаў GRF у гарчыцы. У гэтым даследаванні гены сямейства GRF гарчыцы былі ідэнтыфікаваны на ўзроўні ўсяго геному, і былі прааналізаваны іх фізічныя і хімічныя характарыстыкі, эвалюцыйныя сувязі, гамалогія, кансерватыўныя матывы, структура генаў, дуплікацыі генаў, цыс-элементы і стадыя праростка (стадыя чатырох лістоў). Патэрны экспрэсіі ва ўмовах засухі былі ўсебакова прааналізаваны, каб забяспечыць навуковую аснову для далейшых даследаванняў патэнцыйнай функцыі генаў BjGRF у рэакцыі на засуху і прапанаваць гены-кандыдаты для селекцыі засухаўстойлівай гарчыцы.
Трыццаць чатыры гены BjGRF былі ідэнтыфікаваныя ў геноме Brassica juncea з дапамогай двух пошукаў HMMER, усе з якіх утрымліваюць дамены QLQ і WRC. Паслядоўнасці CDS ідэнтыфікаваных генаў BjGRF прадстаўлены ў дадатковай табліцы S1. BjGRF01–BjGRF34 названы ў залежнасці ад іх размяшчэння на храмасоме. Фізіка-хімічныя ўласцівасці гэтага сямейства паказваюць, што даўжыня амінакіслот вельмі зменлівая і вагаецца ад 261 амінакіслот (BjGRF19) да 905 амінакіслот (BjGRF28). Ізаэлектрычная кропка BjGRF вагаецца ад 6,19 (BjGRF02) да 9,35 (BjGRF03) з сярэднім значэннем 8,33, і 88,24% BjGRF з'яўляецца асноўным бялком. Прагназуемы дыяпазон малекулярных мас BjGRF складае ад 29,82 кДа (BjGRF19) да 102,90 кДа (BjGRF28); Індэкс нестабільнасці бялкоў BjGRF вагаецца ад 51,13 (BjGRF08) да 78,24 (BjGRF19), усе яны перавышаюць 40, што паказвае на тое, што індэкс тоўстых кіслот вагаецца ад 43,65 (BjGRF01) да 78,78 (BjGRF22), сярэдняя гідрафільнасць (GRAVY) вагаецца ад -1,07 (BjGRF31) да -0,45 (BjGRF22), усе гідрафільныя бялкі BjGRF маюць адмоўныя значэнні GRAVY, што можа быць звязана з адсутнасцю гідрафобнасці, выкліканай рэшткамі. Прагназаванне субклеткавай лакалізацыі паказала, што 31 бялок, закадаваны BjGRF, можа быць лакалізаваны ў ядры, BjGRF04 можа быць лакалізаваны ў пераксісомах, BjGRF25 можа быць лакалізаваны ў цытаплазме, а BjGRF28 можа быць лакалізаваны ў хларапластах (табліца 1), што сведчыць аб тым, што BjGRF могуць быць лакалізаваны ў ядры і гуляць важную рэгуляторную ролю ў якасці транскрыпцыйнага фактару.
Філагенетычны аналіз сямействаў GRF у розных відаў можа дапамагчы ў вывучэнні функцый генаў. Такім чынам, былі загружаныя поўныя амінакіслотныя паслядоўнасці 35 GRF рапсу, 16 GRF рэпы, 12 GRF рысу, 10 GRF проса і 9 GRF Arabidopsis, і на аснове 34 ідэнтыфікаваных генаў BjGRF было пабудавана філагенетычнае дрэва (мал. 1). Тры падсям'і ўтрымліваюць розную колькасць членаў; 116 GRF TF падзелены на тры розныя падсям'і (групы A~C), якія ўтрымліваюць 59 (50,86%), 34 (29,31%) і 23 (19,83)% GRF адпаведна. Сярод іх 34 члены сямейства BjGRF раскіданы па 3 падсям'ях: 13 членаў у групе A (38,24%), 12 членаў у групе B (35,29%) і 9 членаў у групе C (26,47%). У працэсе поліплоідызацыі гарчыцы колькасць генаў BjGRF у розных падсямействах адрозніваецца, і магла адбыцца ампліфікацыя і страта генаў. Варта адзначыць, што ў групе C няма размеркавання GRF рысу і проса, у той час як у групе B ёсць 2 GRF рысу і 1 GRF проса, і большасць GRF рысу і проса згрупаваны ў адну галіну, што сведчыць аб цесным сваяцтве BjGRF з двухдольнымі раслінамі. Сярод іх найбольш паглыбленыя даследаванні функцыі GRF у Arabidopsis thaliana забяспечваюць аснову для функцыянальных даследаванняў BjGRF.
Філагенетычнае дрэва гарчыцы, якое ўключае Brassica napus, Brassica napus, рыс, проса і прадстаўнікоў сямейства Arabidopsis thaliana GRF.
Аналіз паўтаральных генаў у сямействе GRF гарчыцы. Шэрая лінія на заднім плане прадстаўляе сінхранізаваны блок у геноме гарчыцы, чырвоная лінія прадстаўляе пару сегментаваных паўтораў гена BjGRF;
Экспрэсія гена BjGRF ва ўмовах засухі на стадыі чацвёртага ліста. Дадзеныя qRT-PCR паказаны ў дадатковай табліцы S5. Істотныя адрозненні ў дадзеных пазначаны малымі літарамі.
Па меры таго, як глабальны клімат працягвае змяняцца, вывучэнне таго, як сельскагаспадарчыя культуры спраўляюцца са стрэсам, выкліканым засухай, і паляпшэнне іх механізмаў талерантнасці стала актуальнай тэмай даследаванняў18. Пасля засухі марфалагічная структура, экспрэсія генаў і метабалічныя працэсы раслін зменяцца, што можа прывесці да спынення фотасінтэзу і парушэнняў абмену рэчываў, што паўплывае на ўраджайнасць і якасць сельскагаспадарчых культур19,20,21. Калі расліны адчуваюць сігналы засухі, яны выпрацоўваюць другасныя мессенджеры, такія як Ca2+ і фасфатыдыліназітол, павялічваюць унутрыклетачную канцэнтрацыю іонаў кальцыя і актывуюць рэгуляторную сетку шляхоў фасфаралявання бялку22,23. Канчатковы мэтавы бялок непасрэдна ўдзельнічае ў клетачнай абароне або рэгулюе экспрэсію роднасных генаў стрэсу праз транскрыптазы, павышаючы талерантнасць раслін да стрэсу24,25. Такім чынам, транскрыптазы гуляюць вырашальную ролю ў рэагаванні на стрэс, выкліканы засухай. У адпаведнасці з паслядоўнасцю і ўласцівасцямі звязвання ДНК транскрыптазы, якія рэагуюць на стрэс, выкліканы засухай, транскрыптазы можна падзяліць на розныя сямействы, такія як GRF, ERF, MYB, WRKY і іншыя сямействы26.
Сямейства генаў GRF — гэта тып спецыфічных для раслін трансфарматарных фактараў (TF), які адыгрывае важную ролю ў розных аспектах, такіх як рост, развіццё, сігнальная трансдукцыя і ахоўныя рэакцыі раслін27. З моманту выяўлення першага гена GRF у O. sativa28, усё больш і больш генаў GRF былі выяўлены ў многіх відах і, як паказана, уплываюць на рост, развіццё і рэакцыю раслін на стрэс8, 29, 30, 31, 32. З публікацыяй паслядоўнасці геному Brassica juncea стала магчымай ідэнтыфікацыя сямейства генаў BjGRF33. У гэтым даследаванні 34 гены BjGRF былі ідэнтыфікаваны ва ўсім геноме гарчыцы і названы BjGRF01–BjGRF34 на аснове іх храмасомнага становішча. Усе яны ўтрымліваюць высокакансерватыўныя дамены QLQ і WRC. Аналіз фізіка-хімічных уласцівасцей паказаў, што адрозненні ў колькасці амінакіслот і малекулярных масах бялкоў BjGRF (акрамя BjGRF28) не былі значнымі, што сведчыць аб тым, што члены сямейства BjGRF могуць мець падобныя функцыі. Аналіз структуры генаў паказаў, што 64,7% генаў BjGRF утрымлівалі 4 экзоны, што сведчыць аб адноснай захаванасці структуры гена BjGRF у працэсе эвалюцыі, але колькасць экзонаў у генах BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 і BjGRF29 большая. Даследаванні паказалі, што даданне або выдаленне экзонаў або інтронаў можа прывесці да адрозненняў у структуры і функцыі генаў, тым самым ствараючы новыя гены34,35,36. Такім чынам, мы мяркуем, што інтрон BjGRF быў страчаны падчас эвалюцыі, што можа выклікаць змены ў функцыі генаў. У адпаведнасці з існуючымі даследаваннямі, мы таксама выявілі, што колькасць інтронаў была звязана з экспрэсіяй генаў. Калі колькасць інтронаў у гене вялікая, ген можа хутка рэагаваць на розныя неспрыяльныя фактары.
Дуплікацыя генаў з'яўляецца важным фактарам геномнай і генетычнай эвалюцыі37. Роднасныя даследаванні паказалі, што дуплікацыя генаў не толькі павялічвае колькасць генаў GRF, але і служыць сродкам генерацыі новых генаў, якія дапамагаюць раслінам адаптавацца да розных неспрыяльных умоў навакольнага асяроддзя38. У гэтым даследаванні было выяўлена ў агульнай складанасці 48 пар дублікатаў генаў, усе з якіх былі сегментальнымі дуплікацыямі, што сведчыць аб тым, што сегментальныя дуплікацыі з'яўляюцца асноўным механізмам павелічэння колькасці генаў у гэтым сямействе. У літаратуры паведамлялася, што сегментальная дуплікацыя можа эфектыўна спрыяць ампліфікацыі членаў сямейства генаў GRF у Arabidopsis і трускаўкі, і тандемная дуплікацыя гэтага сямейства генаў не была выяўлена ні ў адным з відаў27,39. Вынікі гэтага даследавання адпавядаюць існуючым даследаванням сямействаў Arabidopsis thaliana і трускаўкі, што сведчыць аб тым, што сямейства GRF можа павялічваць колькасць генаў і генераваць новыя гены праз сегментальную дуплікацыю ў розных раслінах.
У гэтым даследаванні ў гарчыцы было выяўлена ў агульнай складанасці 34 гены BjGRF, якія былі падзелены на 3 падсямействы. Гэтыя гены прадэманстравалі падобныя кансерватыўныя матывы і структуры генаў. Аналіз калінеарнасці выявіў 48 пар дуплікацыі сегментаў у гарчыцы. Прамотарная вобласць BjGRF змяшчае цыс-дзейсныя элементы, звязаныя з рэакцыяй на святло, гарманальнай рэакцыяй, рэакцыяй на стрэс навакольнага асяроддзя, а таксама ростам і развіццём. Экспрэсія 34 генаў BjGRF была выяўлена на стадыі расады гарчыцы (карані, сцеблы, лісце), а таксама характар экспрэсіі 10 генаў BjGRF ва ўмовах засухі. Было выяўлена, што характар экспрэсіі генаў BjGRF ва ўмовах стрэсу засухі былі падобнымі і могуць быць падобнымі. Гены BjGRF03 і BjGRF32 могуць гуляць станоўчую рэгуляторную ролю пры стрэсе засухі, у той час як BjGRF06 і BjGRF23 гуляюць ролю ў стрэсе засухі ў якасці генаў-мішэняў miR396. У цэлым, наша даследаванне забяспечвае біялагічную аснову для будучага адкрыцця функцыі гена BjGRF у раслін сямейства крыжакветных.
Насенне гарчыцы, якое выкарыстоўвалася ў гэтым эксперыменце, было прадастаўлена Гуйчжоускім навукова-даследчым інстытутам алейных культур Гуйчжоускай акадэміі сельскагаспадарчых навук. Адбярыце цэлыя насенне і пасадзіце іх у глебу (субстрат: глеба = 3:1), а таксама збярыце карані, сцеблы і лісце пасля стадыі чатырох лістоў. Расліны былі апрацаваны 20% PEG 6000 для імітацыі засухі, а лісце былі сабраны праз 0, 3, 6, 12 і 24 гадзіны. Усе ўзоры раслін былі неадкладна замарожаны ў вадкім азоце, а затым захоўваліся ў маразільнай камеры пры тэмпературы -80°C для наступнага тэсту.
Усе дадзеныя, атрыманыя або прааналізаваныя падчас гэтага даследавання, уключаны ў апублікаваны артыкул і дадатковыя інфармацыйныя файлы.
Час публікацыі: 22 студзеня 2025 г.