Lượng mưa theo mùa ở tỉnh Quý Châu không đồng đều, nhiều mưa vào mùa xuân và mùa hè, nhưng cây cải dầu non lại dễ bị hạn hán vào mùa thu và mùa đông, ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất. Cải dầu là một loại cây lấy dầu đặc biệt chủ yếu được trồng ở tỉnh Quý Châu. Nó có khả năng chịu hạn tốt và có thể được trồng ở vùng núi. Đây là nguồn gen kháng hạn phong phú. Việc phát hiện các gen kháng hạn có tầm quan trọng sống còn đối với việc cải tiến giống cải dầu và đổi mới nguồn gen. Họ gen GRF đóng vai trò quan trọng trong sự sinh trưởng và phát triển của cây cũng như phản ứng với stress hạn hán. Hiện nay, gen GRF đã được tìm thấy ở Arabidopsis 2, lúa (Oryza sativa) 12, cải dầu 13, bông (Gossypium hirsutum) 14, lúa mì (Triticum aestivum)15, kê (Setaria italica)16 và Brassica17, nhưng chưa có báo cáo nào về việc phát hiện gen GRF ở cải dầu. Trong nghiên cứu này, các gen thuộc 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 tương đồng, các 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. Mô hình biểu hiện dưới điều kiện 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 năng của các gen BjGRF trong phản ứng với hạn hán và cung cấp các gen ứng cử viên cho việc lai tạo giống mù tạt chịu hạn.
Ba mươi bốn gen BjGRF đã được xác định trong bộ gen Brassica juncea bằng cách sử dụng hai tìm kiếm HMMER, tất cả đều chứa các miền QLQ và WRC. Trình tự CDS của các gen BjGRF được 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 đặc tính lý hóa của họ gen này cho thấy chiều dài axit amin rất biến 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 kiềm. Khối lượng phân tử dự đoán của BjGRF nằm trong khoảng từ 29,82 kDa (BjGRF19) đến 102,90 kDa (BjGRF28); chỉ số không ổn định của protein BjGRF dao động từ 51,13 (BjGRF08) đến 78,24 (BjGRF19), tất cả đều lớn hơn 40, cho thấy chỉ số axit béo dao động từ 43,65 (BjGRF01) đến 78,78 (BjGRF22), độ ưa nước trung bình (GRAVY) dao động từ -1,07 (BjGRF31) đến -0,45 (BjGRF22), tất cả các protein BjGRF ưa nước đều có giá trị GRAVY âm, điều này có thể là do thiếu tính kỵ nước gây ra bởi các gốc amino axit. Dự đoán vị trí nội bào cho thấy 31 protein được mã hóa bởi 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 chủng 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 từ cây cải dầu, 16 GRF từ củ cải trắng, 12 GRF từ lúa, 10 GRF từ kê và 9 GRF từ Arabidopsis đã được tải xuống và một cây phát sinh chủng loài được xây dựng dựa trên 34 gen BjGRF đã được xác định (Hình 1). Ba phân họ chứa số lượng thành viên khác nhau; 116 yếu tố phiên mã GRF được chia thành ba phân họ khác nhau (nhóm A~C), lần lượt chiếm 59% (50,86%), 34% (29,31%) và 23% (19,83%) tổng số GRF. Trong số đó, 34 thành viên của họ BjGRF phân bố 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 cây mù tạt, số lượng gen BjGRFs trong các phân nhóm khác nhau là khác nhau, và hiện tượng khuếch đại và mất gen có thể đã xảy ra. Điều đáng chú ý là không có sự phân bố GRFs của lúa và kê trong nhóm C, trong khi đó có 2 GRFs của lúa và 1 GRFs của kê trong nhóm B, và hầu hết các GRFs của lúa và kê đều tập trung trong một nhánh, cho thấy BjGRFs có mối quan hệ mật thiết 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 BjGRFs.
Cây phát sinh chủng loài của cây mù tạt bao gồm Brassica napus, Brassica napus, gạo, kê và các thành viên của họ GRF thuộc loài Arabidopsis thaliana.
Phân tích các gen lặp lại trong họ GRF của cây mù tạt. Đường màu xám ở nền biểu thị một khối đồng bộ trong bộ gen của cây mù tạt, đường màu đỏ biểu thị một cặp đoạn lặp lại của gen BjGRF;
Biểu hiện gen BjGRF dưới điều kiện hạn hán ở giai đoạn lá thứ tư. Dữ liệu qRT-PCR được trình bày trong Bảng bổ sung S5. Sự khác biệt đáng kể về dữ liệu được biểu thị bằng chữ cái viết thường.
Khi khí hậu toàn cầu tiếp tục thay đổi, việc nghiên cứu cách cây trồng đối phó với căng thẳng hạn hán và cải thiện cơ chế chịu hạn của chúng đã trở thành một chủ đề nghiên cứu nóng hổi18. Sau hạn hán, cấu trúc hình thái, biểu hiện gen và quá trình trao đổi chất của thực vật sẽ thay đổi, có thể dẫn đến việc ngừng quang hợp và rối loạn trao đổi chất, ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng cây trồng19,20,21. Khi cây cảm nhận được tín hiệu hạn hán, chúng sản sinh ra các chất truyền tin thứ cấp 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 đích cuối cùng tham gia trực tiếp vào cơ chế phòng vệ tế bào hoặc điều chỉnh biểu hiện của các gen gây stress liên quan thông qua các yếu tố phiên mã (TF), tăng cường khả năng chịu stress của cây trồng24,25. Do đó, các TF đóng vai trò quan trọng trong việc phản ứng với căng thẳng hạn hán. Dựa trên trình tự và đặc tính liên kết DNA của các TF phản ứng với căng thẳng hạn hán, các 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 yếu tố phiên mã (TF) đặc trưng 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 nhiều gen GRF được xác định ở nhiều loài và được chứng minh là ảnh hưởng đến sự tăng trưởng, phát triển và phản ứng với stress 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 cải 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 (ngoại trừ BjGRF28) không đáng kể, cho thấy các thành viên trong họ BjGRF có thể có chức năng tương tự. 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 exon hoặc intron có thể dẫn đến sự khác biệt về cấu trúc và chức năng của gen, từ đó tạo ra các gen mới34,35,36. Do đó, chúng tôi suy đoán rằng intron của BjGRF đã bị mất đi trong quá trình tiến hóa, điều này có thể gây ra những thay đổi trong chức năng của gen. Phù hợp với các nghiên cứu hiện có, chúng tôi cũng nhận thấy rằng số lượng intron có liên quan đến biểu hiện gen. Khi số lượng intron trong một gen lớn, gen đó có thể nhanh chóng phản ứng với nhiều yếu tố bất lợi khác nhau.
Sự nhân đôi gen là một yếu tố chính trong quá trình tiến hóa gen và hệ gen37. Các nghiên cứu liên quan đã chỉ ra rằng sự 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 các điều kiện môi trường bất lợi khác nhau38. Tổng cộng 48 cặp gen nhân đôi đã được tìm thấy trong nghiên cứu này, tất cả đều là sự nhân đôi phân đoạn, cho thấy sự nhân đôi phân đoạn là cơ chế chính để tăng số lượng gen trong họ này. Tài liệu đã báo cáo rằng sự nhân đôi phân đoạn có thể thúc đẩy hiệu quả sự khuếch đại các thành viên trong họ gen GRF ở Arabidopsis và dâu tây, và không tìm thấy sự nhân đôi liên tiếp 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 họ GRF có thể tăng số lượng gen và tạo ra các gen mới thông qua sự nhân đôi phân đoạn ở các loài thực vật khác nhau.
Trong nghiên cứu này, tổng cộng 34 gen BjGRF đã được xác định ở cây mù tạt, được chia thành 3 phân nhóm. Các gen này cho thấy các motif bảo tồn và cấu trúc gen tương tự nhau. Phân tích tính thẳng hàng cho thấy 48 cặp đoạn lặp lại ở cây mù tạt. Vùng promoter của BjGRF chứa các yếu tố cis-acting liên quan đến phản ứng ánh sáng, phản ứng hormone, phản ứng stress môi trường, và sinh trưởng và phát triển. Sự biểu hiện của 34 gen BjGRF đã được phát hiện ở giai đoạn cây con mù tạt (rễ, thân, lá), và mô hình biểu hiện của 10 gen BjGRF trong điều kiện hạn hán. Người ta nhận thấy rằng mô hình biểu hiện của các gen BjGRF dưới điều kiện stress hạn hán tương tự nhau và có thể tương tự nhau trong việc điều hòa stress hạn hán. Gen BjGRF03 và BjGRF32 có thể đóng vai trò điều hòa tích cực trong stress hạn hán, trong khi BjGRF06 và BjGRF23 đóng vai trò trong stress hạn hán như các gen đích của miR396. Nhìn chung, nghiên cứu của chúng tôi cung cấp cơ sở sinh học cho việc khám phá chức năng của gen BjGRF trong các loài thực vật thuộc họ Brassicaceae trong tương lai.
Hạt mù tạt được sử dụng trong thí nghiệm này do Viện Nghiên cứu Hạt dầu Quý Châu, Học viện Khoa học Nông nghiệp Quý Châu cung cấp. Chọn những hạt nguyên vẹn và gieo trồng trong đất (tỷ lệ chất nền: đất = 3:1), sau đó thu hoạch rễ, thân và lá sau giai đoạn bốn lá. Cây được xử lý bằng dung dịch PEG 6000 20% để mô phỏng hạn hán, và lá được thu hoạch 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 tiến hành thí nghiệm tiếp theo.
Tất cả dữ liệu thu được hoặc phân tích trong nghiên cứu này đều được bao gồm trong bài báo đã xuất bản và các tệp thông tin bổ sung.
Thời gian đăng bài: 22/01/2025