Lượng mưa phân bố theo mùa ở tỉnh Quý Châu không đồng đều, lượng mưa nhiều hơn vào mùa xuân và mùa hè, nhưng cây giống cải dầu dễ bị căng thẳng hạn hán vào mùa thu và mùa đông, ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất. Mù tạt là một loại cây lấy dầu đặc biệt chủ yếu được trồng ở tỉnh Quý Châu. Nó có khả năng chịu hạn mạnh và có thể được trồng ở các vùng núi. Đây là nguồn gen chống hạn phong phú. Việc phát hiện ra các gen chống hạn có tầm quan trọng sống còn đối với việc cải thiện các giống mù tạt và đổi mới nguồn gen. Họ GRF đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật cũng như phản ứng với căng thẳng hạn hán. Hiện tại, các gen GRF đã được tìm thấy ở Arabidopsis 2, lúa (Oryza sativa) 12, hạt cải dầu 13, bông (Gossypium hirsutum) 14, lúa mì (Triticum). aestivum) 15, kê ngọc trai (Setaria italica) 16 và Brassica17, nhưng không có báo cáo nào về việc phát hiện thấy gen GRF trong mù tạt. Trong nghiên cứu này, các gen họ GRF của cây mù tạt đã được xác định ở cấp độ toàn bộ hệ gen và các đặc điểm vật lý và hóa học, mối quan hệ tiến hóa, tính đồng nhất, mô típ bảo tồn, cấu trúc gen, sự nhân đôi gen, các yếu tố cis và giai đoạn cây con (giai đoạn bốn lá) của chúng đã được phân tích. Các kiểu biểu hiện dưới áp lực hạn hán đã được phân tích toàn diện để cung cấp cơ sở khoa học cho các nghiên cứu sâu hơn về chức năng tiềm tàng của gen BjGRF trong phản ứng hạn hán và cung cấp các gen ứng cử viên để lai tạo cây mù tạt chịu hạn.
Ba mươi bốn gen BjGRF đã được xác định trong bộ gen Brassica juncea bằng hai tìm kiếm HMMER, tất cả đều chứa miền QLQ và WRC. Trình tự CDS của các gen BjGRF đã xác định được trình bày trong Bảng bổ sung S1. BjGRF01–BjGRF34 được đặt tên dựa trên vị trí của chúng trên nhiễm sắc thể. Các tính chất lý hóa của họ này chỉ ra rằng chiều dài axit amin rất thay đổi, dao động từ 261 aa (BjGRF19) đến 905 aa (BjGRF28). Điểm đẳng điện của BjGRF dao động từ 6,19 (BjGRF02) đến 9,35 (BjGRF03) với giá trị trung bình là 8,33 và 88,24% BjGRF là protein cơ bản. Phạm vi trọng lượng phân tử dự đoán của BjGRF là từ 29,82 kDa (BjGRF19) đến 102,90 kDa (BjGRF28); chỉ số bất ổn định của protein BjGRF nằm trong khoảng từ 51,13 (BjGRF08) đến 78,24 (BjGRF19), tất cả đều lớn hơn 40, cho thấy chỉ số axit béo nằm trong khoảng từ 43,65 (BjGRF01) đến 78,78 (BjGRF22), độ ưa nước trung bình (GRAVY) nằm trong khoảng từ -1,07 (BjGRF31) đến -0,45 (BjGRF22), tất cả các protein BjGRF ưa nước đều có giá trị GRAVY âm, có thể là do thiếu tính kỵ nước do các chất còn lại gây ra. Dự đoán vị trí dưới tế bào cho thấy 31 protein được mã hóa BjGRF có thể được định vị trong nhân, BjGRF04 có thể được định vị trong peroxisome, BjGRF25 có thể được định vị trong tế bào chất và BjGRF28 có thể được định vị trong lục lạp (Bảng 1), cho thấy BjGRF có thể được định vị trong nhân và đóng vai trò điều hòa quan trọng như một yếu tố phiên mã.
Phân tích phát sinh loài của các họ GRF ở các loài khác nhau có thể giúp nghiên cứu chức năng gen. Do đó, trình tự axit amin đầy đủ của 35 GRF hạt cải, 16 củ cải, 12 lúa, 10 kê và 9 Arabidopsis đã được tải xuống và một cây phát sinh loài đã được xây dựng dựa trên 34 gen BjGRF đã xác định (Hình 1). Ba phân họ chứa số lượng thành viên khác nhau; 116 TF GRF được chia thành ba phân họ khác nhau (nhóm A~C), chứa lần lượt 59 (50,86%), 34 (29,31%) và 23 (19,83)% GRF. Trong số đó, 34 thành viên của họ BjGRF nằm rải rác trên 3 phân họ: 13 thành viên trong nhóm A (38,24%), 12 thành viên trong nhóm B (35,29%) và 9 thành viên trong nhóm C (26,47%). Trong quá trình đa bội hóa mù tạt, số lượng gen BjGRFs ở các phân họ khác nhau là khác nhau, và có thể đã xảy ra hiện tượng khuếch đại và mất gen. Cần lưu ý rằng không có sự phân bố của GRF lúa và kê trong nhóm C, trong khi có 2 GRF lúa và 1 GRF kê trong nhóm B, và hầu hết các GRF lúa và kê được nhóm trong một nhánh, cho thấy BjGRF có quan hệ họ hàng gần với thực vật hai lá mầm. Trong số đó, các nghiên cứu chuyên sâu nhất về chức năng GRF ở Arabidopsis thaliana cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu chức năng của BjGRF.
Cây phát sinh loài của cây mù tạt bao gồm Brassica napus, Brassica napus, lúa, kê và các thành viên của họ GRF Arabidopsis thaliana.
Phân tích các gen lặp lại trong họ GRF mù tạt. Đường màu xám ở nền biểu thị một khối đồng bộ trong bộ gen mù tạt, đường màu đỏ biểu thị một cặp lặp lại phân đoạn của gen BjGRF;
Biểu hiện gen BjGRF dưới điều kiện hạn hán ở giai đoạn lá thứ tư. Dữ liệu qRT-PCR được hiển thị trong Bảng bổ sung S5. Sự khác biệt đáng kể trong dữ liệu được biểu thị bằng chữ thường.
Khi khí hậu toàn cầu tiếp tục thay đổi, việc nghiên cứu cách cây trồng ứng phó với căng thẳng hạn hán và cải thiện cơ chế chịu đựng của chúng đã trở thành một chủ đề nghiên cứu nóng hổi18. Sau hạn hán, cấu trúc hình thái, biểu hiện gen và các quá trình trao đổi chất của thực vật sẽ thay đổi, điều này có thể dẫn đến ngừng quang hợp và rối loạn chuyển hóa, ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng cây trồng19,20,21. Khi thực vật cảm nhận được tín hiệu hạn hán, chúng sản xuất ra các chất truyền tin thứ hai như Ca2+ và phosphatidylinositol, làm tăng nồng độ ion canxi nội bào và kích hoạt mạng lưới điều hòa của con đường phosphoryl hóa protein22,23. Protein mục tiêu cuối cùng tham gia trực tiếp vào quá trình phòng vệ của tế bào hoặc điều chỉnh biểu hiện của các gen căng thẳng liên quan thông qua TF, tăng cường khả năng chịu đựng của thực vật đối với căng thẳng24,25. Do đó, TF đóng vai trò quan trọng trong việc ứng phó với căng thẳng hạn hán. Theo trình tự và đặc tính liên kết DNA của TF phản ứng với căng thẳng hạn hán, TF có thể được chia thành các họ khác nhau, chẳng hạn như GRF, ERF, MYB, WRKY và các họ khác26.
Họ gen GRF là một loại TF đặc hiệu của thực vật đóng vai trò quan trọng trong nhiều khía cạnh như tăng trưởng, phát triển, truyền tín hiệu và phản ứng phòng vệ của thực vật27. Kể từ khi gen GRF đầu tiên được xác định ở O. sativa28, ngày càng có nhiều gen GRF được xác định ở nhiều loài và cho thấy chúng ảnh hưởng đến sự tăng trưởng, phát triển và phản ứng với căng thẳng của thực vật8, 29, 30,31,32. Với việc công bố trình tự bộ gen Brassica juncea, việc xác định họ gen BjGRF đã trở nên khả thi33. Trong nghiên cứu này, 34 gen BjGRF đã được xác định trong toàn bộ bộ gen mù tạt và được đặt tên là BjGRF01–BjGRF34 dựa trên vị trí nhiễm sắc thể của chúng. Tất cả chúng đều chứa các miền QLQ và WRC được bảo tồn cao. Phân tích các tính chất lý hóa cho thấy sự khác biệt về số lượng axit amin và trọng lượng phân tử của các protein BjGRF (trừ BjGRF28) là không đáng kể, cho thấy các thành viên của họ BjGRF có thể có chức năng tương tự nhau. Phân tích cấu trúc gen cho thấy 64,7% gen BjGRF chứa 4 exon, cho thấy cấu trúc gen BjGRF tương đối được bảo tồn trong quá trình tiến hóa, nhưng số lượng exon trong các gen BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 và BjGRF29 lại lớn hơn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thêm hoặc xóa các exon hoặc intron có thể dẫn đến sự khác biệt về cấu trúc và chức năng của gen, do đó tạo ra các gen mới34,35,36. Do đó, chúng tôi suy đoán rằng intron của BjGRF đã bị mất trong quá trình tiến hóa, điều này có thể gây ra những thay đổi về chức năng của gen. Phù hợp với các nghiên cứu hiện có, chúng tôi cũng phát hiện ra rằng số lượng intron có liên quan đến biểu hiện gen. Khi số lượng intron trong một gen lớn, gen có thể phản ứng nhanh với nhiều yếu tố bất lợi khác nhau.
Nhân đôi gen là một yếu tố chính trong quá trình tiến hóa bộ gen và di truyền37. Các nghiên cứu liên quan đã chỉ ra rằng nhân đôi gen không chỉ làm tăng số lượng gen GRF mà còn đóng vai trò là phương tiện tạo ra các gen mới giúp thực vật thích nghi với nhiều điều kiện môi trường bất lợi38. Tổng cộng có 48 cặp gen trùng lặp được tìm thấy trong nghiên cứu này, tất cả đều là nhân đôi phân đoạn, cho thấy rằng nhân đôi phân đoạn là cơ chế chính để tăng số lượng gen trong họ này. Các tài liệu đã báo cáo rằng nhân đôi phân đoạn có thể thúc đẩy hiệu quả sự khuếch đại của các thành viên họ gen GRF ở Arabidopsis và dâu tây, và không tìm thấy sự nhân đôi song song của họ gen này ở bất kỳ loài nào27,39. Kết quả của nghiên cứu này phù hợp với các nghiên cứu hiện có về họ Arabidopsis thaliana và dâu tây, cho thấy rằng họ GRF có thể làm tăng số lượng gen và tạo ra các gen mới thông qua nhân đôi phân đoạn ở các loài thực vật khác nhau.
Trong nghiên cứu này, tổng cộng 34 gen BjGRF đã được xác định trong cây mù tạt, được chia thành 3 phân họ. Các gen này cho thấy các mô típ bảo tồn và cấu trúc gen tương tự nhau. Phân tích đa cộng tuyến cho thấy 48 cặp đoạn trùng lặp trong cây mù tạt. Vùng khởi động BjGRF chứa các yếu tố hoạt động cis liên quan đến phản ứng ánh sáng, phản ứng nội tiết tố, phản ứng với căng thẳng môi trường và sự tăng trưởng và phát triển. Sự biểu hiện của 34 gen BjGRF đã được phát hiện ở giai đoạn cây con của cây mù tạt (rễ, thân, lá) và kiểu biểu hiện của 10 gen BjGRF trong điều kiện hạn hán. Người ta thấy rằng kiểu biểu hiện của các gen BjGRF trong điều kiện hạn hán là tương tự và có thể tương tự nhau. sự tham gia vào quá trình điều hòa cưỡng bức hạn hán. Các gen BjGRF03 và BjGRF32 có thể đóng vai trò điều hòa tích cực trong điều kiện hạn hán, trong khi BjGRF06 và BjGRF23 đóng vai trò trong điều kiện hạn hán như các gen mục tiêu miR396. Nhìn chung, nghiên cứu của chúng tôi cung cấp cơ sở sinh học cho việc khám phá chức năng gen BjGRF trong tương lai ở các loài thực vật họ Cải.
Hạt cải được sử dụng trong thí nghiệm này được cung cấp bởi Viện nghiên cứu hạt có dầu Quý Châu, Viện khoa học nông nghiệp Quý Châu. Chọn toàn bộ hạt và trồng chúng trong đất (giá thể: đất = 3:1), và thu thập rễ, thân và lá sau giai đoạn bốn lá. Cây được xử lý bằng 20% PEG 6000 để mô phỏng hạn hán, và lá được thu thập sau 0, 3, 6, 12 và 24 giờ. Tất cả các mẫu cây được đông lạnh ngay lập tức trong nitơ lỏng và sau đó được bảo quản trong tủ đông -80°C để thử nghiệm tiếp theo.
Mọi dữ liệu thu thập hoặc phân tích trong nghiên cứu này đều được đưa vào bài báo đã xuất bản và các tệp thông tin bổ sung.
Thời gian đăng: 22-01-2025