खडेरीको अवस्थामा तोरीको वृद्धि नियमन कारकहरूको जीनोम-व्यापी पहिचान र अभिव्यक्ति विश्लेषण

गुइझोउ प्रान्तमा वर्षाको मौसमी वितरण असमान छ, वसन्त र गर्मीमा बढी वर्षा हुन्छ, तर रेपसीडका बिरुवाहरू शरद र जाडोमा खडेरीको तनावको लागि संवेदनशील हुन्छन्, जसले उत्पादनमा गम्भीर असर पार्छ। तोरी मुख्यतया गुइझोउ प्रान्तमा उब्जाउने विशेष तेलहन बाली हो। यसमा बलियो खडेरी सहनशीलता छ र पहाडी क्षेत्रहरूमा उब्जाउन सकिन्छ। यो खडेरी प्रतिरोधी जीनको समृद्ध स्रोत हो। तोरीका प्रजातिहरूको सुधार र जर्मप्लाज्म स्रोतहरूमा नवीनताको लागि खडेरी प्रतिरोधी जीनको खोज महत्त्वपूर्ण छ। GRF परिवारले बिरुवाको वृद्धि र विकास र खडेरी तनावको प्रतिक्रियामा महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्छ। हाल, Arabidopsis 2, चामल (Oryza sativa) 12, rapeseed 13, कपास (Gossypium hirsutum) 14, गहुँ (Triticum) 15, मोती बाजरा (Setaria italica) 16 र Brassica17 मा GRF जीनहरू फेला परेका छन्, तर तोरीमा GRF जीनहरू पत्ता लागेको कुनै रिपोर्ट छैन। यस अध्ययनमा, तोरीको GRF परिवार जीनहरू जीनोम-व्यापी स्तरमा पहिचान गरिएको थियो र तिनीहरूको भौतिक र रासायनिक विशेषताहरू, विकासवादी सम्बन्धहरू, समरूपता, संरक्षित आकृतिहरू, जीन संरचना, जीन दोहोरीकरण, cis-तत्वहरू र बिरुवा चरण (चार-पात चरण) विश्लेषण गरिएको थियो। खडेरी प्रतिक्रियामा BjGRF जीनको सम्भावित कार्यमा थप अध्ययनको लागि वैज्ञानिक आधार प्रदान गर्न र खडेरी-सहनशील तोरी प्रजननको लागि उम्मेदवार जीनहरू प्रदान गर्न खडेरी तनाव अन्तर्गत अभिव्यक्ति ढाँचाहरूको व्यापक विश्लेषण गरिएको थियो।
ब्रासिका जुनसिया जीनोममा दुई HMMER खोजहरू प्रयोग गरेर चौतीस BjGRF जीनहरू पहिचान गरिएका थिए, जसमा सबै QLQ र WRC डोमेनहरू समावेश छन्। पहिचान गरिएका BjGRF जीनहरूको CDS अनुक्रमहरू पूरक तालिका S1 मा प्रस्तुत गरिएका छन्। BjGRF01–BjGRF34 क्रोमोजोममा तिनीहरूको स्थानको आधारमा नामकरण गरिएको छ। यस परिवारको भौतिक-रासायनिक गुणहरूले एमिनो एसिडको लम्बाइ अत्यधिक परिवर्तनशील छ भनेर संकेत गर्दछ, 261 aa (BjGRF19) देखि 905 aa (BjGRF28) सम्म। BjGRF को आइसोइलेक्ट्रिक बिन्दु 6.19 (BjGRF02) देखि 9.35 (BjGRF03) सम्म हुन्छ जसको औसत 8.33 हुन्छ, र BjGRF को 88.24% आधारभूत प्रोटीन हो। BjGRF को अनुमानित आणविक वजन दायरा २९.८२ kDa (BjGRF19) देखि १०२.९० kDa (BjGRF28) सम्म छ; BjGRF प्रोटीनहरूको अस्थिरता सूचकांक ५१.१३ (BjGRF08) देखि ७८.२४ (BjGRF19) सम्म छ, सबै ४० भन्दा बढी छन्, जसले फ्याटी एसिड सूचकांक ४३.६५ (BjGRF01) देखि ७८.७८ (BjGRF22) सम्म रहेको जनाउँछ, औसत हाइड्रोफिलिसिटी (GRAVY) -१.०७ (BjGRF31) देखि -०.४५ (BjGRF22) सम्म रहेको जनाउँछ, सबै हाइड्रोफिलिक BjGRF प्रोटीनहरूमा नकारात्मक GRAVY मानहरू छन्, जुन अवशेषहरूको कारणले हाइड्रोफोबिसिटीको कमीको कारणले हुन सक्छ। सबसेलुलर लोकलाइजेसन भविष्यवाणीले देखाएको छ कि ३१ BjGRF एन्कोडेड प्रोटीनहरू न्यूक्लियसमा स्थानीयकृत गर्न सकिन्छ, BjGRF04 पेरोक्सिसोमहरूमा स्थानीयकृत गर्न सकिन्छ, BjGRF25 साइटोप्लाज्ममा स्थानीयकृत गर्न सकिन्छ, र BjGRF28 क्लोरोप्लास्टहरूमा स्थानीयकृत गर्न सकिन्छ (तालिका १), जसले संकेत गर्दछ कि BjGRF हरू न्यूक्लियसमा स्थानीयकृत हुन सक्छन् र ट्रान्सक्रिप्शन कारकको रूपमा महत्त्वपूर्ण नियामक भूमिका खेल्छन्।
विभिन्न प्रजातिहरूमा GRF परिवारहरूको फाइलोजेनेटिक विश्लेषणले जीन कार्यहरू अध्ययन गर्न मद्दत गर्न सक्छ। त्यसकारण, ३५ रेपसीड, १६ शलजम, १२ चामल, १० कोदो र ९ एराबिडोप्सिस GRF को पूर्ण-लम्बाइको एमिनो एसिड अनुक्रमहरू डाउनलोड गरियो र ३४ पहिचान गरिएका BjGRF जीनहरू (चित्र १) को आधारमा फाइलोजेनेटिक रूख निर्माण गरियो। तीन उपपरिवारहरूमा सदस्यहरूको संख्या फरक हुन्छ; ११६ GRF TF हरूलाई तीन फरक उपपरिवारहरू (समूह A~C) मा विभाजित गरिएको छ, जसमा क्रमशः ५९ (५०.८६%), ३४ (२९.३१%) र २३ (१९.८३)% GRF हरू छन्। तिनीहरूमध्ये, ३४ BjGRF परिवारका सदस्यहरू ३ उपपरिवारहरूमा छरिएका छन्: समूह A मा १३ सदस्यहरू (३८.२४%), समूह B मा १२ सदस्यहरू (३५.२९%) र समूह C मा ९ सदस्यहरू (२६.४७%)। तोरीको पोलिप्लोइडाइजेसनको प्रक्रियामा, विभिन्न उप-परिवारहरूमा BjGRFs जीनको संख्या फरक हुन्छ, र जीन प्रवर्धन र क्षति भएको हुन सक्छ। यो ध्यान दिन लायक छ कि समूह C मा चामल र कोदो GRFs को कुनै वितरण छैन, जबकि समूह B मा 2 चामल GRFs र 1 कोदो GRF छन्, र धेरैजसो चामल र कोदो GRFs एउटै शाखामा समूहबद्ध छन्, जसले BjGRFs dicots सँग नजिकबाट सम्बन्धित छन् भनेर संकेत गर्दछ। ती मध्ये, Arabidopsis thaliana मा GRF प्रकार्यमा सबैभन्दा गहन अध्ययनले BjGRFs को कार्यात्मक अध्ययनको लागि आधार प्रदान गर्दछ।
तोरीको फाइलोजेनेटिक रूख जसमा ब्रासिका नेपस, ब्रासिका नेपस, चामल, कोदो र अराबिडोप्सिस थालियाना जीआरएफ परिवारका सदस्यहरू समावेश छन्।
तोरी GRF परिवारमा दोहोरिने जीनहरूको विश्लेषण। पृष्ठभूमिमा रहेको खैरो रेखाले तोरी जीनोममा सिंक्रोनाइज्ड ब्लकलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, रातो रेखाले BjGRF जीनको खण्डित दोहोरिने जोडीलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ;
चौथो पात चरणमा खडेरी तनाव अन्तर्गत BjGRF जीन अभिव्यक्ति। qRT-PCR डेटा पूरक तालिका S5 मा देखाइएको छ। डेटामा महत्त्वपूर्ण भिन्नताहरू साना अक्षरहरूद्वारा संकेत गरिएको छ।
विश्वव्यापी जलवायु परिवर्तन हुँदै जाँदा, बालीहरूले खडेरीको तनावसँग कसरी सामना गर्छन् र तिनीहरूको सहनशीलता संयन्त्रमा सुधार गर्छन् भन्ने अध्ययन एक तातो अनुसन्धान विषय बनेको छ18। खडेरी पछि, बिरुवाहरूको रूपात्मक संरचना, जीन अभिव्यक्ति र चयापचय प्रक्रियाहरू परिवर्तन हुनेछन्, जसले प्रकाश संश्लेषण र चयापचय गडबडीको अन्त्य हुन सक्छ, जसले बालीहरूको उत्पादन र गुणस्तरलाई असर गर्छ19,20,21। जब बिरुवाहरूले खडेरीको संकेतहरू महसुस गर्छन्, तिनीहरूले Ca2+ र फास्फेटिडायलिनोजिटोल जस्ता दोस्रो सन्देशवाहकहरू उत्पादन गर्छन्, इन्ट्रासेलुलर क्याल्सियम आयन सांद्रता बढाउँछन् र प्रोटीन फस्फोरिलेसन मार्गको नियामक नेटवर्क सक्रिय गर्छन्22,23। अन्तिम लक्ष्य प्रोटीन प्रत्यक्ष रूपमा सेलुलर रक्षामा संलग्न हुन्छ वा TFs मार्फत सम्बन्धित तनाव जीनहरूको अभिव्यक्तिलाई नियमन गर्दछ, तनावमा बिरुवा सहनशीलता बढाउँछ24,25। यसरी, TFs ले खडेरीको तनावलाई प्रतिक्रिया दिन महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्छ। खडेरीको तनाव प्रतिक्रियाशील TFs को अनुक्रम र DNA बाइन्डिङ गुणहरू अनुसार, TFs लाई GRF, ERF, MYB, WRKY र अन्य परिवारहरू जस्ता विभिन्न परिवारहरूमा विभाजन गर्न सकिन्छ26।
GRF जीन परिवार एक प्रकारको बिरुवा-विशिष्ट TF हो जसले वृद्धि, विकास, सिग्नल ट्रान्सडक्सन र बिरुवा रक्षा प्रतिक्रियाहरू जस्ता विभिन्न पक्षहरूमा महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्छ27। पहिलो GRF जीन O. sativa28 मा पहिचान भएदेखि, धेरै प्रजातिहरूमा धेरै भन्दा धेरै GRF जीनहरू पहिचान गरिएका छन् र बिरुवाको वृद्धि, विकास र तनाव प्रतिक्रियालाई असर गर्ने देखाइएको छ8, 29, 30,31,32। ब्रासिका जुनसिया जीनोम अनुक्रमको प्रकाशनसँगै, BjGRF जीन परिवारको पहिचान सम्भव भयो33। यस अध्ययनमा, सम्पूर्ण तोरीको जीनोममा 34 BjGRF जीनहरू पहिचान गरिएको थियो र तिनीहरूको क्रोमोसोमल स्थितिको आधारमा BjGRF01–BjGRF34 नाम दिइएको थियो। ती सबैमा अत्यधिक संरक्षित QLQ र WRC डोमेनहरू छन्। भौतिक-रासायनिक गुणहरूको विश्लेषणले BjGRF प्रोटीनहरू (BjGRF28 बाहेक) को एमिनो एसिड संख्या र आणविक भारहरूमा भिन्नताहरू महत्त्वपूर्ण नभएको देखाएको छ, जसले BjGRF परिवारका सदस्यहरूको समान कार्यहरू हुन सक्छन् भन्ने संकेत गर्दछ। जीन संरचना विश्लेषणले देखाएको छ कि BjGRF जीनको ६४.७% मा ४ एक्सोनहरू थिए, जसले संकेत गर्दछ कि BjGRF जीन संरचना विकासमा तुलनात्मक रूपमा संरक्षित छ, तर BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 र BjGRF29 जीनमा एक्सोनहरूको संख्या ठूलो छ। अध्ययनहरूले देखाएको छ कि एक्सोन वा इन्ट्रोनहरूको थप वा मेटाउँदा जीन संरचना र कार्यमा भिन्नता आउन सक्छ, जसले गर्दा नयाँ जीनहरू सिर्जना हुन सक्छन्34,35,36। त्यसकारण, हामी अनुमान गर्छौं कि BjGRF को इन्ट्रोन विकासको क्रममा हराएको थियो, जसले जीन प्रकार्यमा परिवर्तन ल्याउन सक्छ। अवस्थित अध्ययनहरूसँग मिल्दोजुल्दो, हामीले यो पनि फेला पार्यौं कि इन्ट्रोनको संख्या जीन अभिव्यक्तिसँग सम्बन्धित थियो। जब जीनमा इन्ट्रोनको संख्या ठूलो हुन्छ, जीनले विभिन्न प्रतिकूल कारकहरूलाई द्रुत रूपमा प्रतिक्रिया दिन सक्छ।
जीनोमिक र आनुवंशिक विकासमा जीन डुप्लिकेशन एक प्रमुख कारक हो37। सम्बन्धित अध्ययनहरूले देखाएको छ कि जीन डुप्लिकेशनले GRF जीनको संख्या मात्र बढाउँदैन, तर विभिन्न प्रतिकूल वातावरणीय परिस्थितिहरूमा बिरुवाहरूलाई अनुकूलन गर्न मद्दत गर्न नयाँ जीनहरू उत्पन्न गर्ने माध्यमको रूपमा पनि काम गर्दछ38। यस अध्ययनमा कुल 48 डुप्लिकेट जीन जोडीहरू फेला परेका थिए, जुन सबै सेग्मेन्टल डुप्लिकेशनहरू थिए, जसले संकेत गर्दछ कि सेग्मेन्टल डुप्लिकेशनहरू यस परिवारमा जीनको संख्या बढाउनको लागि प्रमुख संयन्त्र हुन्। साहित्यमा यो रिपोर्ट गरिएको छ कि सेग्मेन्टल डुप्लिकेशनले Arabidopsis र स्ट्रबेरीमा GRF जीन परिवारका सदस्यहरूको प्रवर्धनलाई प्रभावकारी रूपमा प्रवर्द्धन गर्न सक्छ, र कुनै पनि प्रजातिमा यो जीन परिवारको कुनै पनि ट्यान्डम डुप्लिकेशन फेला परेन27,39। यस अध्ययनको नतिजा Arabidopsis thaliana र स्ट्रबेरी परिवारहरूमा अवस्थित अध्ययनहरूसँग मेल खान्छ, जसले सुझाव दिन्छ कि GRF परिवारले विभिन्न बोटबिरुवाहरूमा सेग्मेन्टल डुप्लिकेशन मार्फत जीनको संख्या बढाउन र नयाँ जीनहरू उत्पन्न गर्न सक्छ।
यस अध्ययनमा, तोरीमा कुल ३४ BjGRF जीनहरू पहिचान गरिएको थियो, जसलाई ३ उपपरिवारमा विभाजन गरिएको थियो। यी जीनहरूले समान संरक्षित आकृतिहरू र जीन संरचनाहरू देखाए। कोलिनियरिटी विश्लेषणले तोरीमा ४८ जोडी खण्ड दोहोरिएको पत्ता लगायो। BjGRF प्रमोटर क्षेत्रमा प्रकाश प्रतिक्रिया, हार्मोनल प्रतिक्रिया, वातावरणीय तनाव प्रतिक्रिया, र वृद्धि र विकाससँग सम्बन्धित cis-अभिनय तत्वहरू छन्। तोरीको बिरुवा चरण (जरा, डाँठ, पातहरू) मा ३४ BjGRF जीनको अभिव्यक्ति पत्ता लगाइएको थियो, र खडेरीको अवस्थामा १० BjGRF जीनको अभिव्यक्ति ढाँचा। खडेरीको तनाव अन्तर्गत BjGRF जीनको अभिव्यक्ति ढाँचाहरू समान थिए र समान हुन सक्छन् भन्ने पत्ता लाग्यो। खडेरीको तनावमा संलग्नता जबरजस्ती नियमन। BjGRF03 र BjGRF32 जीनहरूले खडेरीको तनावमा सकारात्मक नियामक भूमिका खेल्न सक्छन्, जबकि BjGRF06 र BjGRF23 खडेरीको तनावमा miR396 लक्ष्य जीनको रूपमा भूमिका खेल्छन्। समग्रमा, हाम्रो अध्ययनले ब्रासिकासी बिरुवाहरूमा BjGRF जीन प्रकार्यको भविष्यको खोजको लागि जैविक आधार प्रदान गर्दछ।
यस प्रयोगमा प्रयोग गरिएको तोरीको दाना गुइझोउ कृषि विज्ञान प्रतिष्ठानको गुइझोउ तेल बीउ अनुसन्धान संस्थानले प्रदान गरेको थियो। सम्पूर्ण बीउहरू छान्नुहोस् र तिनीहरूलाई माटोमा रोप्नुहोस् (सब्सट्रेट: माटो = ३:१), र चार-पात चरण पछि जरा, डाँठ र पातहरू सङ्कलन गर्नुहोस्। खडेरी अनुकरण गर्न बिरुवाहरूलाई २०% PEG ६००० ले उपचार गरिएको थियो, र ०, ३, ६, १२ र २४ घण्टा पछि पातहरू सङ्कलन गरिएको थियो। सबै बिरुवाका नमूनाहरू तुरुन्तै तरल नाइट्रोजनमा जम्मा गरियो र त्यसपछि अर्को परीक्षणको लागि -८०°C फ्रिजरमा भण्डारण गरियो।
यस अध्ययनको क्रममा प्राप्त वा विश्लेषण गरिएका सबै तथ्याङ्कहरू प्रकाशित लेख र पूरक जानकारी फाइलहरूमा समावेश गरिएका छन्।