La distribuzione stagionale delle precipitazioni nella provincia di Guizhou è irregolare, con maggiori precipitazioni in primavera ed estate, ma le piantine di colza sono suscettibili allo stress idrico in autunno e inverno, il che influisce seriamente sulla resa. La senape è una coltura oleaginosa particolare coltivata principalmente nella provincia di Guizhou. Ha una forte tolleranza alla siccità e può essere coltivata in zone montuose. È una ricca risorsa di geni resistenti alla siccità. La scoperta di geni resistenti alla siccità è di fondamentale importanza per il miglioramento delle varietà di senape e per l'innovazione nelle risorse di germoplasma. La famiglia GRF svolge un ruolo critico nella crescita e nello sviluppo delle piante e nella risposta allo stress idrico. Attualmente, i geni GRF sono stati trovati in Arabidopsis 2, riso (Oryza sativa) 12, colza 13, cotone (Gossypium hirsutum) 14, grano (Triticum). aestivum)15, miglio perlato (Setaria italica)16 e Brassica17, ma non ci sono segnalazioni di geni GRF rilevati nella senape. In questo studio, i geni della famiglia GRF della senape sono stati identificati a livello genomico e sono state analizzate le loro caratteristiche fisiche e chimiche, le relazioni evolutive, l'omologia, i motivi conservati, la struttura genica, le duplicazioni geniche, gli elementi cis e lo stadio di plantula (stadio a quattro foglie). I modelli di espressione in condizioni di stress idrico sono stati analizzati in modo esaustivo per fornire una base scientifica per ulteriori studi sulla potenziale funzione dei geni BjGRF nella risposta alla siccità e per fornire geni candidati per il miglioramento genetico della senape tollerante alla siccità.
Nel genoma di Brassica juncea sono stati identificati trentaquattro geni BjGRF utilizzando due ricerche HMMER, tutti contenenti i domini QLQ e WRC. Le sequenze CDS dei geni BjGRF identificati sono presentate nella Tabella supplementare S1. BjGRF01–BjGRF34 sono denominati in base alla loro posizione sul cromosoma. Le proprietà fisico-chimiche di questa famiglia indicano che la lunghezza degli amminoacidi è altamente variabile, da 261 aa (BjGRF19) a 905 aa (BjGRF28). Il punto isoelettrico di BjGRF varia da 6,19 (BjGRF02) a 9,35 (BjGRF03) con una media di 8,33, e l'88,24% di BjGRF è una proteina basica. Il range di peso molecolare previsto di BjGRF va da 29,82 kDa (BjGRF19) a 102,90 kDa (BjGRF28); l'indice di instabilità delle proteine BjGRF varia da 51,13 (BjGRF08) a 78,24 (BjGRF19), tutti superiori a 40, indicando che l'indice degli acidi grassi varia da 43,65 (BjGRF01) a 78,78 (BjGRF22), l'idrofilia media (GRAVY) varia da -1,07 (BjGRF31) a -0,45 (BjGRF22), tutte le proteine BjGRF idrofile hanno valori GRAVY negativi, il che potrebbe essere dovuto alla mancanza di idrofobicità causata dai residui. La previsione della localizzazione subcellulare ha mostrato che 31 proteine codificate da BjGRF potrebbero essere localizzate nel nucleo, BjGRF04 potrebbe essere localizzata nei perossisomi, BjGRF25 potrebbe essere localizzata nel citoplasma e BjGRF28 potrebbe essere localizzata nei cloroplasti (Tabella 1), indicando che i BjGRF potrebbero essere localizzati nel nucleo e svolgere un importante ruolo regolatorio come fattore di trascrizione.
L'analisi filogenetica delle famiglie GRF in diverse specie può aiutare a studiare le funzioni geniche. Pertanto, sono state scaricate le sequenze aminoacidiche complete di 35 GRF di colza, 16 di rapa, 12 di riso, 10 di miglio e 9 di Arabidopsis ed è stato costruito un albero filogenetico basato su 34 geni BjGRF identificati (Fig. 1). Le tre sottofamiglie contengono un numero diverso di membri; 116 TF GRF sono divisi in tre diverse sottofamiglie (gruppi A~C), contenenti rispettivamente il 59 (50,86%), il 34 (29,31%) e il 23 (19,83%) dei GRF. Tra questi, 34 membri della famiglia BjGRF sono distribuiti in 3 sottofamiglie: 13 membri nel gruppo A (38,24%), 12 membri nel gruppo B (35,29%) e 9 membri nel gruppo C (26,47%). Nel processo di poliploidizzazione della senape, il numero di geni BjGRF nelle diverse sottofamiglie è differente e potrebbero essersi verificati fenomeni di amplificazione e perdita genica. È interessante notare che non vi è alcuna distribuzione di GRF di riso e miglio nel gruppo C, mentre nel gruppo B sono presenti 2 GRF di riso e 1 GRF di miglio, e la maggior parte dei GRF di riso e miglio sono raggruppati in un unico ramo, il che indica che i BjGRF sono strettamente correlati alle dicotiledoni. Tra questi, gli studi più approfonditi sulla funzione dei GRF in Arabidopsis thaliana forniscono una base per gli studi funzionali dei BjGRF.
Albero filogenetico della senape, comprendente Brassica napus, riso, miglio e membri della famiglia GRF di Arabidopsis thaliana.
Analisi dei geni ripetitivi nella famiglia GRF della senape. La linea grigia sullo sfondo rappresenta un blocco sincronizzato nel genoma della senape, la linea rossa rappresenta una coppia di ripetizioni segmentate del gene BjGRF;
Espressione del gene BjGRF in condizioni di stress idrico allo stadio della quarta foglia. I dati della qRT-PCR sono riportati nella Tabella supplementare S5. Le differenze significative nei dati sono indicate da lettere minuscole.
Con il continuo cambiamento climatico globale, lo studio di come le colture affrontano lo stress da siccità e il miglioramento dei loro meccanismi di tolleranza sono diventati un argomento di ricerca di grande attualità18. Dopo un periodo di siccità, la struttura morfologica, l'espressione genica e i processi metabolici delle piante subiscono delle modifiche, che possono portare all'arresto della fotosintesi e a disturbi metabolici, compromettendo la resa e la qualità delle colture19,20,21. Quando le piante percepiscono i segnali di siccità, producono secondi messaggeri come Ca2+ e fosfatidilinositolo, aumentano la concentrazione intracellulare di ioni calcio e attivano la rete regolatoria della via di fosforilazione proteica22,23. La proteina bersaglio finale è direttamente coinvolta nella difesa cellulare o regola l'espressione dei geni correlati allo stress attraverso i fattori di trascrizione (TF), migliorando la tolleranza delle piante allo stress24,25. Pertanto, i TF svolgono un ruolo cruciale nella risposta allo stress da siccità. In base alla sequenza e alle proprietà di legame al DNA dei TF responsivi allo stress da siccità, questi possono essere suddivisi in diverse famiglie, come GRF, ERF, MYB, WRKY e altre26.
La famiglia di geni GRF è un tipo di fattore di trascrizione specifico delle piante che svolge ruoli importanti in vari aspetti come la crescita, lo sviluppo, la trasduzione del segnale e le risposte di difesa delle piante27. Da quando il primo gene GRF è stato identificato in O. sativa28, sempre più geni GRF sono stati identificati in molte specie e hanno dimostrato di influenzare la crescita, lo sviluppo e la risposta allo stress delle piante8, 29, 30,31,32. Con la pubblicazione della sequenza del genoma di Brassica juncea, è diventata possibile l'identificazione della famiglia di geni BjGRF33. In questo studio, sono stati identificati 34 geni BjGRF nell'intero genoma della senape e denominati BjGRF01–BjGRF34 in base alla loro posizione cromosomica. Tutti contengono domini QLQ e WRC altamente conservati. L'analisi delle proprietà fisico-chimiche ha mostrato che le differenze nel numero di amminoacidi e nei pesi molecolari delle proteine BjGRF (ad eccezione di BjGRF28) non erano significative, indicando che i membri della famiglia BjGRF potrebbero avere funzioni simili. L'analisi della struttura genica ha mostrato che il 64,7% dei geni BjGRF conteneva 4 esoni, indicando che la struttura genica BjGRF è relativamente conservata nell'evoluzione, ma il numero di esoni nei geni BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 e BjGRF29 è maggiore. Studi hanno dimostrato che l'aggiunta o la delezione di esoni o introni può portare a differenze nella struttura e nella funzione genica, creando così nuovi geni34,35,36. Pertanto, ipotizziamo che l'introne di BjGRF sia andato perso durante l'evoluzione, il che potrebbe causare cambiamenti nella funzione genica. In linea con gli studi esistenti, abbiamo anche scoperto che il numero di introni era associato all'espressione genica. Quando il numero di introni in un gene è elevato, il gene può rispondere rapidamente a diversi fattori sfavorevoli.
La duplicazione genica è un fattore importante nell'evoluzione genomica e genetica37. Studi correlati hanno dimostrato che la duplicazione genica non solo aumenta il numero di geni GRF, ma serve anche come mezzo per generare nuovi geni che aiutano le piante ad adattarsi a diverse condizioni ambientali avverse38. In questo studio sono state trovate 48 coppie di geni duplicati, tutte duplicazioni segmentali, il che indica che le duplicazioni segmentali sono il meccanismo principale per aumentare il numero di geni in questa famiglia. È stato riportato in letteratura che la duplicazione segmentale può promuovere efficacemente l'amplificazione dei membri della famiglia genica GRF in Arabidopsis e fragola, e non è stata trovata alcuna duplicazione in tandem di questa famiglia genica in nessuna delle specie27,39. I risultati di questo studio sono coerenti con gli studi esistenti sulle famiglie di Arabidopsis thaliana e fragola, suggerendo che la famiglia GRF può aumentare il numero di geni e generare nuovi geni attraverso la duplicazione segmentale in diverse piante.
In questo studio, sono stati identificati un totale di 34 geni BjGRF nella senape, suddivisi in 3 sottofamiglie. Questi geni hanno mostrato motivi conservati e strutture geniche simili. L'analisi di collinearità ha rivelato 48 coppie di duplicazioni di segmenti nella senape. La regione promotrice BjGRF contiene elementi cis-regolatori associati alla risposta alla luce, alla risposta ormonale, alla risposta allo stress ambientale e alla crescita e allo sviluppo. L'espressione di 34 geni BjGRF è stata rilevata nella fase di plantula della senape (radici, fusti, foglie) e il modello di espressione di 10 geni BjGRF in condizioni di siccità. È stato riscontrato che i modelli di espressione dei geni BjGRF in condizioni di stress da siccità erano simili e potrebbero essere simili. coinvolgimento nella regolazione forzata della siccità. I geni BjGRF03 e BjGRF32 potrebbero svolgere ruoli regolatori positivi nello stress da siccità, mentre BjGRF06 e BjGRF23 svolgono un ruolo nello stress da siccità come geni bersaglio di miR396. Nel complesso, il nostro studio fornisce una base biologica per la futura scoperta della funzione del gene BjGRF nelle piante della famiglia delle Brassicaceae.
I semi di senape utilizzati in questo esperimento sono stati forniti dall'Istituto di Ricerca sui Semi Oleaginosi del Guizhou, Accademia delle Scienze Agricole del Guizhou. Selezionare i semi interi e piantarli nel terreno (substrato: terreno = 3:1), raccogliendo radici, fusti e foglie dopo lo stadio di quattro foglie. Le piante sono state trattate con PEG 6000 al 20% per simulare la siccità e le foglie sono state raccolte dopo 0, 3, 6, 12 e 24 ore. Tutti i campioni vegetali sono stati immediatamente congelati in azoto liquido e poi conservati in un congelatore a -80 °C per il test successivo.
Tutti i dati ottenuti o analizzati durante questo studio sono inclusi nell'articolo pubblicato e nei file di informazioni supplementari.
Data di pubblicazione: 22 gennaio 2025