Distribusi curah hujan musiman di Provinsi Guizhou tidak merata, dengan curah hujan lebih banyak di musim semi dan musim panas, tetapi bibit rapeseed rentan terhadap stres kekeringan di musim gugur dan musim dingin, yang secara serius mempengaruhi hasil panen. Mustard adalah tanaman biji minyak khusus yang terutama tumbuh di Provinsi Guizhou. Ia memiliki toleransi kekeringan yang kuat dan dapat tumbuh di daerah pegunungan. Ini adalah sumber daya yang kaya akan gen tahan kekeringan. Penemuan gen tahan kekeringan sangat penting untuk peningkatan varietas mustard, dan inovasi dalam sumber daya plasma nutfah. Famili GRF memainkan peran penting dalam pertumbuhan dan perkembangan tanaman dan respons terhadap stres kekeringan. Saat ini, gen GRF telah ditemukan di Arabidopsis 2, padi (Oryza sativa) 12, rapeseed 13, kapas (Gossypium hirsutum) 14, gandum (Triticum aestivum) 15, millet mutiara (Setaria italica) 16 dan Brassica 17, tetapi tidak ada laporan gen GRF yang terdeteksi pada mustard. Dalam penelitian ini, gen keluarga GRF pada sawi diidentifikasi pada tingkat genom secara luas dan karakteristik fisik dan kimianya, hubungan evolusi, homologi, motif yang dilestarikan, struktur gen, duplikasi gen, elemen cis, dan tahap pembibitan (tahap empat daun) dianalisis. Pola ekspresi di bawah tekanan kekeringan dianalisis secara komprehensif untuk memberikan dasar ilmiah bagi penelitian lebih lanjut tentang fungsi potensial gen BjGRF dalam respons kekeringan dan untuk menyediakan gen kandidat untuk pemuliaan sawi toleran kekeringan.
Tiga puluh empat gen BjGRF diidentifikasi dalam genom Brassica juncea menggunakan dua penelusuran HMMER, yang semuanya mengandung domain QLQ dan WRC. Urutan CDS dari gen BjGRF yang teridentifikasi disajikan dalam Tabel Tambahan S1. BjGRF01–BjGRF34 diberi nama berdasarkan lokasinya pada kromosom. Sifat fisikokimia famili ini menunjukkan bahwa panjang asam amino sangat bervariasi, berkisar antara 261 aa (BjGRF19) hingga 905 aa (BjGRF28). Titik isoelektrik BjGRF berkisar antara 6,19 (BjGRF02) hingga 9,35 (BjGRF03) dengan rata-rata 8,33, dan 88,24% BjGRF merupakan protein basa. Kisaran berat molekular BjGRF yang diprediksi adalah dari 29,82 kDa (BjGRF19) hingga 102,90 kDa (BjGRF28); indeks ketidakstabilan protein BjGRF berkisar antara 51,13 (BjGRF08) hingga 78,24 (BjGRF19), semuanya lebih besar dari 40, yang menunjukkan bahwa indeks asam lemak berkisar antara 43,65 (BjGRF01) hingga 78,78 (BjGRF22), hidrofilisitas rata-rata (GRAVY) berkisar antara -1,07 (BjGRF31) hingga -0,45 (BjGRF22), semua protein BjGRF yang hidrofilik memiliki nilai GRAVY negatif, yang mungkin disebabkan oleh kurangnya hidrofobisitas yang disebabkan oleh residu. Prediksi lokalisasi subseluler menunjukkan bahwa 31 protein berkode BjGRF dapat dilokalisasi di dalam nukleus, BjGRF04 dapat dilokalisasi di dalam peroksisom, BjGRF25 dapat dilokalisasi di dalam sitoplasma, dan BjGRF28 dapat dilokalisasi di dalam kloroplas (Tabel 1), yang menunjukkan bahwa BjGRF mungkin dilokalisasi di dalam nukleus dan memainkan peran regulasi penting sebagai faktor transkripsi.
Analisis filogenetik famili GRF pada spesies yang berbeda dapat membantu mempelajari fungsi gen. Oleh karena itu, urutan asam amino lengkap dari 35 GRF rapeseed, 16 lobak, 12 beras, 10 millet dan 9 Arabidopsis diunduh dan pohon filogenetik dibangun berdasarkan 34 gen BjGRF yang teridentifikasi (Gbr. 1). Ketiga subfamili tersebut memiliki jumlah anggota yang berbeda; 116 TF GRF dibagi menjadi tiga subfamili yang berbeda (kelompok A~C), yang masing-masing berisi 59 (50,86%), 34 (29,31%) dan 23 (19,83)% dari GRF. Di antara mereka, 34 anggota famili BjGRF tersebar di 3 subfamili: 13 anggota dalam kelompok A (38,24%), 12 anggota dalam kelompok B (35,29%) dan 9 anggota dalam kelompok C (26,47%). Dalam proses poliploidisasi sawi, jumlah gen BjGRF dalam subfamili yang berbeda berbeda, dan amplifikasi serta kehilangan gen mungkin terjadi. Perlu dicatat bahwa tidak ada distribusi GRF padi dan millet dalam kelompok C, sementara ada 2 GRF padi dan 1 GRF millet dalam kelompok B, dan sebagian besar GRF padi dan millet dikelompokkan dalam satu cabang, yang menunjukkan bahwa BjGRF berkerabat dekat dengan dikotil. Di antara mereka, studi paling mendalam tentang fungsi GRF di Arabidopsis thaliana memberikan dasar untuk studi fungsional BjGRF.
Pohon filogenetik sawi termasuk Brassica napus, Brassica napus, beras, millet dan anggota famili GRF Arabidopsis thaliana.
Analisis gen berulang dalam famili GRF mustard. Garis abu-abu di latar belakang menunjukkan blok yang tersinkronisasi dalam genom mustard, garis merah menunjukkan sepasang pengulangan tersegmentasi dari gen BjGRF;
Ekspresi gen BjGRF di bawah tekanan kekeringan pada tahap daun keempat. Data qRT-PCR ditunjukkan pada Tabel Tambahan S5. Perbedaan signifikan pada data ditunjukkan dengan huruf kecil.
Seiring dengan terus berubahnya iklim global, mempelajari bagaimana tanaman mengatasi stres kekeringan dan meningkatkan mekanisme toleransinya telah menjadi topik penelitian yang menarik18. Setelah kekeringan, struktur morfologi, ekspresi gen, dan proses metabolisme tanaman akan berubah, yang dapat menyebabkan terhentinya fotosintesis dan gangguan metabolisme, yang memengaruhi hasil dan kualitas tanaman19,20,21. Ketika tanaman merasakan sinyal kekeringan, mereka menghasilkan pembawa pesan kedua seperti Ca2+ dan fosfatidilinositol, meningkatkan konsentrasi ion kalsium intraseluler, dan mengaktifkan jaringan pengatur jalur fosforilasi protein22,23. Protein target akhir terlibat langsung dalam pertahanan seluler atau mengatur ekspresi gen stres terkait melalui TF, meningkatkan toleransi tanaman terhadap stres24,25. Dengan demikian, TF memainkan peran penting dalam menanggapi stres kekeringan. Menurut urutan dan sifat pengikatan DNA TF yang responsif terhadap stres kekeringan, TF dapat dibagi menjadi beberapa famili, seperti GRF, ERF, MYB, WRKY, dan famili lainnya26.
Famili gen GRF adalah jenis TF spesifik tanaman yang memainkan peran penting dalam berbagai aspek seperti pertumbuhan, perkembangan, transduksi sinyal, dan respons pertahanan tanaman27. Sejak gen GRF pertama diidentifikasi dalam O. sativa28, semakin banyak gen GRF telah diidentifikasi dalam banyak spesies dan terbukti memengaruhi pertumbuhan, perkembangan, dan respons stres tanaman8, 29, 30,31,32. Dengan dipublikasikannya sekuens genom Brassica juncea, identifikasi famili gen BjGRF menjadi mungkin33. Dalam penelitian ini, 34 gen BjGRF diidentifikasi dalam seluruh genom mustard dan diberi nama BjGRF01–BjGRF34 berdasarkan posisi kromosomnya. Semuanya mengandung domain QLQ dan WRC yang sangat terkonservasi. Analisis sifat fisikokimia menunjukkan bahwa perbedaan dalam jumlah asam amino dan berat molekul protein BjGRF (kecuali BjGRF28) tidak signifikan, yang menunjukkan bahwa anggota famili BjGRF mungkin memiliki fungsi yang serupa. Analisis struktur gen menunjukkan bahwa 64,7% gen BjGRF mengandung 4 ekson, yang menunjukkan bahwa struktur gen BjGRF relatif kekal dalam evolusi, tetapi jumlah ekson dalam gen BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 dan BjGRF29 lebih besar. Penelitian telah menunjukkan bahwa penambahan atau penghapusan ekson atau intron dapat menyebabkan perbedaan dalam struktur dan fungsi gen, sehingga menciptakan gen baru34,35,36. Oleh karena itu, kami berspekulasi bahwa intron BjGRF hilang selama evolusi, yang dapat menyebabkan perubahan dalam fungsi gen. Konsisten dengan penelitian yang ada, kami juga menemukan bahwa jumlah intron dikaitkan dengan ekspresi gen. Ketika jumlah intron dalam suatu gen besar, gen dapat dengan cepat merespons berbagai faktor yang tidak menguntungkan.
Duplikasi gen merupakan faktor utama dalam evolusi genomik dan genetik37. Penelitian terkait telah menunjukkan bahwa duplikasi gen tidak hanya meningkatkan jumlah gen GRF, tetapi juga berfungsi sebagai sarana untuk menghasilkan gen baru guna membantu tanaman beradaptasi dengan berbagai kondisi lingkungan yang merugikan38. Sebanyak 48 pasangan gen duplikat ditemukan dalam penelitian ini, yang semuanya merupakan duplikasi segmental, yang menunjukkan bahwa duplikasi segmental merupakan mekanisme utama untuk meningkatkan jumlah gen dalam famili ini. Telah dilaporkan dalam literatur bahwa duplikasi segmental dapat secara efektif mendorong amplifikasi anggota famili gen GRF di Arabidopsis dan strawberry, dan tidak ditemukan duplikasi tandem famili gen ini di salah satu spesies27,39. Hasil penelitian ini konsisten dengan penelitian yang ada pada famili Arabidopsis thaliana dan strawberry, yang menunjukkan bahwa famili GRF dapat meningkatkan jumlah gen dan menghasilkan gen baru melalui duplikasi segmental pada tanaman yang berbeda.
Dalam penelitian ini, total 34 gen BjGRF diidentifikasi dalam sawi, yang dibagi menjadi 3 subfamili. Gen-gen ini menunjukkan motif dan struktur gen yang sama. Analisis kolinearitas mengungkapkan 48 pasang duplikasi segmen dalam sawi. Wilayah promotor BjGRF mengandung elemen-elemen yang bekerja cis yang terkait dengan respons cahaya, respons hormonal, respons stres lingkungan, dan pertumbuhan serta perkembangan. Ekspresi 34 gen BjGRF terdeteksi pada tahap pembibitan sawi (akar, batang, daun), dan pola ekspresi 10 gen BjGRF dalam kondisi kekeringan. Ditemukan bahwa pola ekspresi gen BjGRF dalam stres kekeringan serupa dan mungkin serupa. keterlibatan dalam regulasi pemaksaan kekeringan. Gen BjGRF03 dan BjGRF32 mungkin memainkan peran regulasi positif dalam stres kekeringan, sementara BjGRF06 dan BjGRF23 memainkan peran dalam stres kekeringan sebagai gen target miR396. Secara keseluruhan, penelitian kami menyediakan dasar biologis untuk penemuan fungsi gen BjGRF di masa mendatang pada tanaman Brassicaceae.
Biji sawi yang digunakan dalam percobaan ini disediakan oleh Guizhou Oil Seed Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences. Pilih biji utuh dan tanam di tanah (substrat: tanah = 3:1), dan kumpulkan akar, batang, dan daun setelah tahap empat daun. Tanaman diperlakukan dengan 20% PEG 6000 untuk mensimulasikan kekeringan, dan daun dikumpulkan setelah 0, 3, 6, 12, dan 24 jam. Semua sampel tanaman segera dibekukan dalam nitrogen cair dan kemudian disimpan dalam freezer bersuhu -80°C untuk pengujian berikutnya.
Semua data yang diperoleh atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang diterbitkan dan berkas informasi tambahan.
Waktu posting: 22-Jan-2025