La distribución estacional de las precipitaciones en la provincia de Guizhou es desigual, con mayor precipitación en primavera y verano, pero las plántulas de colza son susceptibles al estrés hídrico en otoño e invierno, lo que afecta gravemente el rendimiento. La mostaza es un cultivo oleaginoso especial que se cultiva principalmente en la provincia de Guizhou. Tiene una fuerte tolerancia a la sequía y puede cultivarse en zonas montañosas. Es una fuente rica de genes resistentes a la sequía. El descubrimiento de genes resistentes a la sequía es de vital importancia para la mejora de las variedades de mostaza y la innovación en los recursos de germoplasma. La familia GRF juega un papel crítico en el crecimiento y desarrollo de las plantas y en la respuesta al estrés hídrico. Actualmente, se han encontrado genes GRF en Arabidopsis 2, arroz (Oryza sativa) 12, colza 13, algodón (Gossypium hirsutum) 14, trigo (Triticum aestivum)15, mijo perla (Setaria italica)16 y Brassica17, pero no hay informes de genes GRF detectados en la mostaza. En este estudio, se identificaron los genes de la familia GRF de la mostaza a nivel genómico y se analizaron sus características físicas y químicas, relaciones evolutivas, homología, motivos conservados, estructura génica, duplicaciones génicas, elementos cis y estadio de plántula (estadio de cuatro hojas). Se analizaron exhaustivamente los patrones de expresión bajo estrés hídrico para proporcionar una base científica para futuros estudios sobre la función potencial de los genes BjGRF en la respuesta a la sequía y para proponer genes candidatos para el mejoramiento genético de la mostaza tolerante a la sequía.
Se identificaron treinta y cuatro genes BjGRF en el genoma de Brassica juncea mediante dos búsquedas HMMER, todos los cuales contienen los dominios QLQ y WRC. Las secuencias CDS de los genes BjGRF identificados se presentan en la Tabla Suplementaria S1. BjGRF01–BjGRF34 se nombran según su ubicación en el cromosoma. Las propiedades fisicoquímicas de esta familia indican que la longitud de aminoácidos es altamente variable, oscilando entre 261 aa (BjGRF19) y 905 aa (BjGRF28). El punto isoeléctrico de BjGRF oscila entre 6,19 (BjGRF02) y 9,35 (BjGRF03), con un promedio de 8,33, y el 88,24% de BjGRF es una proteína básica. El rango de peso molecular predicho de BjGRF es de 29,82 kDa (BjGRF19) a 102,90 kDa (BjGRF28); el índice de inestabilidad de las proteínas BjGRF varía de 51,13 (BjGRF08) a 78,24 (BjGRF19), todos son mayores que 40, lo que indica que el índice de ácidos grasos varía de 43,65 (BjGRF01) a 78,78 (BjGRF22), la hidrofilicidad promedio (GRAVY) varía de -1,07 (BjGRF31) a -0,45 (BjGRF22), todas las proteínas BjGRF hidrofílicas tienen valores GRAVY negativos, lo que puede deberse a la falta de hidrofobicidad causada por los residuos. La predicción de la localización subcelular mostró que 31 proteínas codificadas por BjGRF podrían estar localizadas en el núcleo, BjGRF04 podría estar localizada en los peroxisomas, BjGRF25 podría estar localizada en el citoplasma y BjGRF28 podría estar localizada en los cloroplastos (Tabla 1), lo que indica que los BjGRF pueden estar localizados en el núcleo y desempeñar un papel regulador importante como factor de transcripción.
El análisis filogenético de las familias GRF en diferentes especies puede ayudar a estudiar las funciones de los genes. Por lo tanto, se descargaron las secuencias completas de aminoácidos de 35 GRF de colza, 16 de nabo, 12 de arroz, 10 de mijo y 9 de Arabidopsis, y se construyó un árbol filogenético basado en 34 genes BjGRF identificados (Fig. 1). Las tres subfamilias contienen diferentes números de miembros; 116 TF GRF se dividen en tres subfamilias diferentes (grupos A~C), que contienen el 59 (50,86%), 34 (29,31%) y 23 (19,83)% de los GRF, respectivamente. Entre ellos, 34 miembros de la familia BjGRF se encuentran dispersos en 3 subfamilias: 13 miembros en el grupo A (38,24%), 12 miembros en el grupo B (35,29%) y 9 miembros en el grupo C (26,47%). En el proceso de poliploidización de la mostaza, el número de genes BjGRF varía entre las distintas subfamilias, pudiendo haberse producido amplificación y pérdida de genes. Cabe destacar que no se observa distribución de GRF de arroz y mijo en el grupo C, mientras que en el grupo B se encuentran dos GRF de arroz y uno de mijo. La mayoría de los GRF de arroz y mijo se agrupan en una rama, lo que indica que los BjGRF están estrechamente relacionados con las dicotiledóneas. Entre ellos, los estudios más exhaustivos sobre la función de los GRF en Arabidopsis thaliana proporcionan una base para los estudios funcionales de los BjGRF.
Árbol filogenético de la mostaza que incluye Brassica napus, Brassica napus, arroz, mijo y miembros de la familia GRF de Arabidopsis thaliana.
Análisis de genes repetitivos en la familia GRF de la mostaza. La línea gris en el fondo representa un bloque sincronizado en el genoma de la mostaza, la línea roja representa un par de repeticiones segmentadas del gen BjGRF;
Expresión del gen BjGRF bajo estrés hídrico en la etapa de la cuarta hoja. Los datos de qRT-PCR se muestran en la Tabla Suplementaria S5. Las diferencias significativas en los datos se indican con letras minúsculas.
A medida que el clima global continúa cambiando, el estudio de cómo los cultivos afrontan el estrés hídrico y la mejora de sus mecanismos de tolerancia se ha convertido en un tema de investigación de gran interés18. Tras la sequía, la estructura morfológica, la expresión génica y los procesos metabólicos de las plantas se modifican, lo que puede provocar la interrupción de la fotosíntesis y alteraciones metabólicas, afectando al rendimiento y la calidad de los cultivos19,20,21. Cuando las plantas detectan señales de sequía, producen segundos mensajeros como Ca2+ y fosfatidilinositol, aumentan la concentración intracelular de iones de calcio y activan la red reguladora de la vía de fosforilación de proteínas22,23. La proteína diana final participa directamente en la defensa celular o regula la expresión de genes relacionados con el estrés a través de factores de transcripción (FT), mejorando la tolerancia de la planta al estrés24,25. Por lo tanto, los FT desempeñan un papel crucial en la respuesta al estrés hídrico. Según la secuencia y las propiedades de unión al ADN de los FT que responden al estrés hídrico, estos se pueden dividir en diferentes familias, como GRF, ERF, MYB, WRKY y otras26.
La familia de genes GRF es un tipo de TF específico de plantas que desempeña funciones importantes en diversos aspectos como el crecimiento, el desarrollo, la transducción de señales y las respuestas de defensa de las plantas27. Desde que se identificó el primer gen GRF en O. sativa28, se han identificado cada vez más genes GRF en muchas especies y se ha demostrado que afectan el crecimiento, el desarrollo y la respuesta al estrés de las plantas8, 29, 30,31,32. Con la publicación de la secuencia del genoma de Brassica juncea, fue posible la identificación de la familia de genes BjGRF33. En este estudio, se identificaron 34 genes BjGRF en todo el genoma de la mostaza y se denominaron BjGRF01–BjGRF34 según su posición cromosómica. Todos ellos contienen dominios QLQ y WRC altamente conservados. El análisis de las propiedades fisicoquímicas mostró que las diferencias en el número de aminoácidos y los pesos moleculares de las proteínas BjGRF (excepto BjGRF28) no fueron significativas, lo que indica que los miembros de la familia BjGRF pueden tener funciones similares. El análisis de la estructura genética mostró que el 64,7% de los genes BjGRF contenían 4 exones, lo que indica que la estructura genética de BjGRF está relativamente conservada en la evolución, pero el número de exones en los genes BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 y BjGRF29 es mayor. Los estudios han demostrado que la adición o eliminación de exones o intrones puede conducir a diferencias en la estructura y función genética, creando así nuevos genes34,35,36. Por lo tanto, especulamos que el intrón de BjGRF se perdió durante la evolución, lo que puede causar cambios en la función genética. En consonancia con los estudios existentes, también encontramos que el número de intrones estaba asociado con la expresión genética. Cuando el número de intrones en un gen es grande, el gen puede responder rápidamente a diversos factores desfavorables.
La duplicación génica es un factor importante en la evolución genómica y genética37. Estudios relacionados han demostrado que la duplicación génica no solo aumenta el número de genes GRF, sino que también sirve como un medio para generar nuevos genes que ayudan a las plantas a adaptarse a diversas condiciones ambientales adversas38. En este estudio se encontraron un total de 48 pares de genes duplicados, todos ellos duplicaciones segmentarias, lo que indica que las duplicaciones segmentarias son el principal mecanismo para aumentar el número de genes en esta familia. Se ha informado en la literatura que la duplicación segmentaria puede promover eficazmente la amplificación de los miembros de la familia de genes GRF en Arabidopsis y fresa, y no se encontró ninguna duplicación en tándem de esta familia de genes en ninguna de las especies27,39. Los resultados de este estudio son consistentes con estudios existentes sobre las familias de Arabidopsis thaliana y fresa, lo que sugiere que la familia GRF puede aumentar el número de genes y generar nuevos genes a través de la duplicación segmentaria en diferentes plantas.
En este estudio, se identificaron un total de 34 genes BjGRF en la mostaza, que se dividieron en 3 subfamilias. Estos genes mostraron motivos conservados y estructuras genéticas similares. El análisis de colinealidad reveló 48 pares de duplicaciones de segmentos en la mostaza. La región promotora de BjGRF contiene elementos cis-activos asociados con la respuesta a la luz, respuesta hormonal, respuesta al estrés ambiental y crecimiento y desarrollo. La expresión de 34 genes BjGRF se detectó en la etapa de plántula de mostaza (raíces, tallos, hojas), y el patrón de expresión de 10 genes BjGRF bajo condiciones de sequía. Se encontró que los patrones de expresión de los genes BjGRF bajo estrés por sequía eran similares y pueden ser similares. participación en la regulación de forzamiento de sequía. Los genes BjGRF03 y BjGRF32 pueden desempeñar funciones reguladoras positivas en el estrés por sequía, mientras que BjGRF06 y BjGRF23 desempeñan funciones en el estrés por sequía como genes diana de miR396. En resumen, nuestro estudio proporciona una base biológica para el futuro descubrimiento de la función del gen BjGRF en las plantas de la familia Brassicaceae.
Las semillas de mostaza utilizadas en este experimento fueron proporcionadas por el Instituto de Investigación de Semillas Oleaginosas de Guizhou, perteneciente a la Academia de Ciencias Agrícolas de Guizhou. Se seleccionaron las semillas enteras y se sembraron en tierra (sustrato: tierra = 3:1). Posteriormente, se recolectaron las raíces, los tallos y las hojas cuando las plantas alcanzaron las cuatro hojas. Las plantas fueron tratadas con PEG 6000 al 20% para simular la sequía, y las hojas se recolectaron a las 0, 3, 6, 12 y 24 horas. Todas las muestras de plantas se congelaron inmediatamente en nitrógeno líquido y se almacenaron en un congelador a -80 °C para el siguiente análisis.
Todos los datos obtenidos o analizados durante este estudio están incluidos en el artículo publicado y en los archivos de información complementaria.
Fecha de publicación: 22 de enero de 2025