A distribución estacional das precipitacións na provincia de Guizhou é desigual, con máis precipitacións na primavera e no verán, pero as mudas de colza son susceptibles á seca no outono e no inverno, o que afecta gravemente o rendemento. A mostaza é un cultivo oleaxinoso especial que se cultiva principalmente na provincia de Guizhou. Ten unha forte tolerancia á seca e pódese cultivar en zonas montañosas. É un recurso rico en xenes resistentes á seca. O descubrimento de xenes resistentes á seca é de vital importancia para a mellora das variedades de mostaza e a innovación nos recursos de xermoplasma. A familia GRF xoga un papel fundamental no crecemento e desenvolvemento das plantas e na resposta á seca. Na actualidade, atopáronse xenes GRF en Arabidopsis 2, arroz (Oryza sativa) 12, colza 13, algodón (Gossypium hirsutum) 14, trigo (Triticum aestivum) 15, millo perlado (Setaria italica) 16 e Brassica 17, pero non hai informes de xenes GRF detectados na mostaza. Neste estudo, identificáronse os xenes da familia GRF da mostaza a nivel de todo o xenoma e analizáronse as súas características físicas e químicas, relacións evolutivas, homoloxía, motivos conservados, estrutura xénica, duplicacións xénicas, elementos cis e estadio de plántula (estadio de catro follas). Os patróns de expresión baixo estrés por seca analizáronse exhaustivamente para proporcionar unha base científica para futuros estudos sobre a función potencial dos xenes BjGRF na resposta á seca e para proporcionar xenes candidatos para o cultivo de mostaza tolerante á seca.
Identificáronse trinta e catro xenes BjGRF no xenoma de Brassica juncea mediante dúas buscas HMMER, e todos eles conteñen os dominios QLQ e WRC. As secuencias CDS dos xenes BjGRF identificados preséntanse na Táboa suplementaria S1. Os nomes de BjGRF01 a BjGRF34 baséanse na súa localización no cromosoma. As propiedades fisicoquímicas desta familia indican que a lonxitude dos aminoácidos é moi variable, e que oscila entre 261 aa (BjGRF19) e 905 aa (BjGRF28). O punto isoeléctrico de BjGRF oscila entre 6,19 (BjGRF02) e 9,35 (BjGRF03) cunha media de 8,33, e o 88,24 % de BjGRF é unha proteína básica. O rango de peso molecular previsto de BjGRF é de 29,82 kDa (BjGRF19) a 102,90 kDa (BjGRF28); O índice de inestabilidade das proteínas BjGRF oscila entre 51,13 (BjGRF08) e 78,24 (BjGRF19), e todos son maiores que 40, o que indica que o índice de ácidos graxos oscila entre 43,65 (BjGRF01) e 78,78 (BjGRF22), a hidrofilicidade media (GRAVY) oscila entre -1,07 (BjGRF31) e -0,45 (BjGRF22), e todas as proteínas BjGRF hidrófilas teñen valores de GRAVY negativos, o que pode deberse á falta de hidrofobicidade causada polos residuos. A predición da localización subcelular mostrou que 31 proteínas codificadas por BjGRF podían localizarse no núcleo, BjGRF04 podía localizarse en peroxisomas, BjGRF25 podía localizarse no citoplasma e BjGRF28 podía localizarse en cloroplastos (Táboa 1), o que indica que os BjGRF poden localizarse no núcleo e desempeñar un importante papel regulador como factor de transcrición.
A análise filoxenética das familias de GRF en diferentes especies pode axudar a estudar as funcións dos xenes. Polo tanto, descargáronse as secuencias de aminoácidos de lonxitude completa de 35 GRF de colza, 16 de nabo, 12 de arroz, 10 de millo e 9 de Arabidopsis e construíuse unha árbore filoxenética baseada nos 34 xenes BjGRF identificados (Fig. 1). As tres subfamilias conteñen diferente número de membros; 116 TF GRF divídense en tres subfamilias diferentes (grupos A~C), que conteñen o 59 (50,86%), o 34 (29,31%) e o 23 (19,83)% dos GRF, respectivamente. Entre eles, 34 membros da familia BjGRF están dispersos en 3 subfamilias: 13 membros no grupo A (38,24%), 12 membros no grupo B (35,29%) e 9 membros no grupo C (26,47%). No proceso de poliploidización da mostaza, o número de xenes BjGRF en diferentes subfamilias é diferente, e pode que se producise unha amplificación e perda de xenes. Cómpre sinalar que non hai unha distribución de GRF de arroz e millo no grupo C, mentres que hai 2 GRF de arroz e 1 GRF de millo no grupo B, e a maioría dos GRF de arroz e millo están agrupados nunha rama, o que indica que os BjGRF están estreitamente relacionados coas dicotiledóneas. Entre eles, os estudos máis profundos sobre a función dos GRF en *Arabidopsis thaliana* proporcionan unha base para estudos funcionais dos BjGRF.
Árbore filoxenética da mostaza que inclúe Brassica napus, Brassica napus, arroz, millo e membros da familia GRF Arabidopsis thaliana.
Análise de xenes repetitivos na familia GRF da mostaza. A liña gris no fondo representa un bloque sincronizado no xenoma da mostaza, a liña vermella representa un par de repeticións segmentadas do xene BjGRF;
Expresión xénica BjGRF baixo estrés por seca na fase da cuarta folla. Os datos de qRT-PCR móstranse na Táboa Suplementaria S5. As diferenzas significativas nos datos indícanse con letras minúsculas.
A medida que o clima global continúa a cambiar, o estudo de como os cultivos lidan co estrés da seca e a mellora dos seus mecanismos de tolerancia converteuse nun tema de investigación candente18. Despois da seca, a estrutura morfolóxica, a expresión xénica e os procesos metabólicos das plantas cambian, o que pode levar ao cesamento da fotosíntese e a alteracións metabólicas, afectando o rendemento e a calidade das colleitas19,20,21. Cando as plantas detectan sinais de seca, producen segundos mensaxeiros como o Ca2+ e o fosfatidilinositol, aumentan a concentración intracelular de ións de calcio e activan a rede reguladora da vía de fosforilación de proteínas22,23. A proteína diana final está directamente implicada na defensa celular ou regula a expresión de xenes relacionados co estrés a través dos factores de transcrición, mellorando a tolerancia das plantas ao estrés24,25. Polo tanto, os factores de transcrición desempeñan un papel crucial na resposta ao estrés da seca. Segundo a secuencia e as propiedades de unión ao ADN dos factores de transcrición sensibles ao estrés da seca, os factores de transcrición pódense dividir en diferentes familias, como GRF, ERF, MYB, WRKY e outras familias26.
A familia de xenes GRF é un tipo de factor de transcrición específico de plantas que desempeña papeis importantes en varios aspectos como o crecemento, o desenvolvemento, a transdución de sinais e as respostas de defensa das plantas27. Desde que se identificou o primeiro xene GRF en O. sativa28, identificáronse cada vez máis xenes GRF en moitas especies e demostrouse que afectan o crecemento, o desenvolvemento e a resposta ao estrés das plantas8, 29, 30,31,32. Coa publicación da secuencia do xenoma de Brassica juncea, fíxose posible a identificación da familia de xenes BjGRF33. Neste estudo, identificáronse 34 xenes BjGRF en todo o xenoma da mostaza e denomináronse BjGRF01–BjGRF34 en función da súa posición cromosómica. Todos eles conteñen dominios QLQ e WRC altamente conservados. A análise das propiedades fisicoquímicas mostrou que as diferenzas nos números de aminoácidos e nos pesos moleculares das proteínas BjGRF (excepto BjGRF28) non eran significativas, o que indica que os membros da familia BjGRF poden ter funcións similares. A análise da estrutura xénica mostrou que o 64,7 % dos xenes BjGRF contiñan 4 exóns, o que indica que a estrutura do xene BjGRF está relativamente conservada na evolución, pero o número de exóns nos xenes BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 e BjGRF29 é maior. Os estudos demostraron que a adición ou eliminación de exóns ou intróns pode levar a diferenzas na estrutura e a función dos xenes, creando así novos xenes34,35,36. Polo tanto, especulamos que o intrón de BjGRF se perdeu durante a evolución, o que pode causar cambios na función dos xenes. En consonancia cos estudos existentes, tamén atopamos que o número de intróns estaba asociado coa expresión xénica. Cando o número de intróns nun xene é grande, o xene pode responder rapidamente a varios factores desfavorables.
A duplicación xénica é un factor importante na evolución xenómica e xenética37. Estudos relacionados demostraron que a duplicación xénica non só aumenta o número de xenes GRF, senón que tamén serve como medio para xerar novos xenes para axudar ás plantas a adaptarse a diversas condicións ambientais adversas38. Neste estudo atopáronse un total de 48 pares de xenes duplicados, todos eles duplicacións segmentais, o que indica que as duplicacións segmentais son o principal mecanismo para aumentar o número de xenes desta familia. Informouse na literatura de que a duplicación segmentaria pode promover eficazmente a amplificación dos membros da familia de xenes GRF en Arabidopsis e amorodo, e non se atopou ningunha duplicación en tándem desta familia de xenes en ningunha das especies27,39. Os resultados deste estudo son consistentes cos estudos existentes sobre as familias de Arabidopsis thaliana e amorodo, o que suxire que a familia GRF pode aumentar o número de xenes e xerar novos xenes mediante a duplicación segmentaria en diferentes plantas.
Neste estudo, identificáronse un total de 34 xenes BjGRF na mostaza, que se dividiron en 3 subfamilias. Estes xenes mostraron motivos e estruturas xénicas conservados similares. A análise de colinealidade revelou 48 pares de duplicacións de segmentos na mostaza. A rexión promotora de BjGRF contén elementos de acción cis asociados coa resposta á luz, a resposta hormonal, a resposta ao estrés ambiental e o crecemento e desenvolvemento. Detectouse a expresión de 34 xenes BjGRF na fase de plántula de mostaza (raíces, talos, follas) e o patrón de expresión de 10 xenes BjGRF en condicións de seca. Descubriuse que os patróns de expresión dos xenes BjGRF baixo estrés por seca eran similares e poden ser similares. implicación na regulación do forzamento da seca. Os xenes BjGRF03 e BjGRF32 poden desempeñar papeis reguladores positivos no estrés por seca, mentres que BjGRF06 e BjGRF23 desempeñan papeis no estrés por seca como xenes diana miR396. En xeral, o noso estudo proporciona unha base biolóxica para o descubrimento futuro da función do xene BjGRF nas plantas de Brassicaceae.
As sementes de mostaza empregadas neste experimento foron proporcionadas polo Instituto de Investigación de Sementes Oleaxinosas de Guizhou, da Academia de Ciencias Agrícolas de Guizhou. Seleccionamos as sementes enteiras e plantámolas no solo (substrato: solo = 3:1) e recollemos as raíces, os talos e as follas despois da fase de catro follas. As plantas tratáronse con PEG 6000 ao 20 % para simular a seca e as follas recolléronse despois de 0, 3, 6, 12 e 24 horas. Todas as mostras de plantas conxeláronse inmediatamente en nitróxeno líquido e despois almacenáronse nun conxelador a -80 °C para a seguinte proba.
Todos os datos obtidos ou analizados durante este estudo inclúense no artigo publicado e nos ficheiros de información complementaria.
Data de publicación: 22 de xaneiro de 2025