दुष्काळी परिस्थितीत मोहरीच्या वाढीच्या नियमन घटकांची जीनोम-व्यापी ओळख आणि अभिव्यक्ती विश्लेषण

गुईझोऊ प्रांतात पर्जन्यमानाचे हंगामी वितरण असमान आहे, वसंत ऋतू आणि उन्हाळ्यात जास्त पाऊस पडतो, परंतु रेपसीड रोपे शरद ऋतू आणि हिवाळ्यात दुष्काळाच्या ताणाला बळी पडतात, ज्यामुळे उत्पादनावर गंभीर परिणाम होतो. मोहरी हे प्रामुख्याने गुईझोऊ प्रांतात घेतले जाणारे एक विशेष तेलबिया पीक आहे. त्याची दुष्काळ सहनशीलता मजबूत आहे आणि ती डोंगराळ भागात वाढवता येते. ते दुष्काळ-प्रतिरोधक जनुकांचे समृद्ध स्रोत आहे. मोहरीच्या जाती सुधारण्यासाठी आणि जर्मप्लाझम संसाधनांमध्ये नवोपक्रमासाठी दुष्काळ-प्रतिरोधक जनुकांचा शोध अत्यंत महत्त्वाचा आहे. वनस्पतींच्या वाढ आणि विकासात आणि दुष्काळाच्या ताणाला प्रतिसाद देण्यात जीआरएफ कुटुंब महत्त्वाची भूमिका बजावते. सध्या, अरबीडोप्सिस २, तांदूळ (ओरिझा सॅटिवा) १२, रेपसीड १३, कापूस (गोसीपियम हिरसुटम) १४, गहू (ट्रिटिकम) १५, मोती बाजरी (सेटारिया इटालिका) १६ आणि ब्रासिका १७ मध्ये जीआरएफ जनुके आढळली आहेत, परंतु मोहरीमध्ये जीआरएफ जनुके आढळल्याचे कोणतेही अहवाल नाहीत. या अभ्यासात, मोहरीच्या GRF कुटुंबातील जनुकांची जीनोम-व्यापी पातळीवर ओळख पटवण्यात आली आणि त्यांची भौतिक आणि रासायनिक वैशिष्ट्ये, उत्क्रांती संबंध, समरूपता, संरक्षित आकृतिबंध, जनुक रचना, जनुक डुप्लिकेशन, cis-घटक आणि रोपांची अवस्था (चार-पानांची अवस्था) यांचे विश्लेषण करण्यात आले. दुष्काळाच्या तणावाखाली अभिव्यक्ती नमुन्यांचे व्यापक विश्लेषण करण्यात आले जेणेकरून दुष्काळाच्या प्रतिसादात BjGRF जनुकांच्या संभाव्य कार्यावर पुढील अभ्यासासाठी वैज्ञानिक आधार मिळेल आणि दुष्काळ सहनशील मोहरीच्या प्रजननासाठी उमेदवार जनुके उपलब्ध होतील.
ब्रासिका जंसिया जीनोममध्ये दोन HMMER शोधांचा वापर करून चौतीस BjGRF जनुके ओळखली गेली, ज्यामध्ये सर्व QLQ आणि WRC डोमेन आहेत. ओळखल्या गेलेल्या BjGRF जनुकांचे CDS अनुक्रम पूरक तक्ता S1 मध्ये सादर केले आहेत. BjGRF01–BjGRF34 गुणसूत्रावरील त्यांच्या स्थानाच्या आधारे नावे दिली आहेत. या कुटुंबातील भौतिक-रासायनिक गुणधर्म दर्शवितात की अमीनो आम्ल लांबी अत्यंत परिवर्तनशील आहे, 261 aa (BjGRF19) ते 905 aa (BjGRF28) पर्यंत. BjGRF चा समविद्युत बिंदू 6.19 (BjGRF02) ते 9.35 (BjGRF03) पर्यंत आहे ज्याची सरासरी 8.33 आहे आणि BjGRF चा 88.24% हा एक मूलभूत प्रथिने आहे. BjGRF ची अंदाजित आण्विक वजन श्रेणी 29.82 kDa (BjGRF19) ते 102.90 kDa (BjGRF28) पर्यंत आहे; BjGRF प्रथिनांचा अस्थिरता निर्देशांक 51.13 (BjGRF08) ते 78.24 (BjGRF19) पर्यंत आहे, सर्व 40 पेक्षा जास्त आहेत, जे दर्शविते की फॅटी अॅसिड निर्देशांक 43.65 (BjGRF01) ते 78.78 (BjGRF22) पर्यंत आहे, सरासरी हायड्रोफिलिसिटी (GRAVY) -1.07 (BjGRF31) ते -0.45 (BjGRF22) पर्यंत आहे, सर्व हायड्रोफिलिक BjGRF प्रथिनांमध्ये नकारात्मक GRAVY मूल्ये आहेत, जी अवशेषांमुळे होणाऱ्या हायड्रोफोबिसिटीच्या कमतरतेमुळे असू शकते. सबसेल्युलर लोकलायझेशनच्या अंदाजानुसार, ३१ BjGRF एन्कोडेड प्रथिने न्यूक्लियसमध्ये, BjGRF04 पेरोक्सिसोममध्ये, BjGRF25 सायटोप्लाझममध्ये आणि BjGRF28 क्लोरोप्लास्टमध्ये स्थानिकीकृत केली जाऊ शकतात (तक्ता १), जे दर्शवते की BjGRFs न्यूक्लियसमध्ये स्थानिकीकृत केले जाऊ शकतात आणि ट्रान्सक्रिप्शन घटक म्हणून महत्त्वाची नियामक भूमिका बजावतात.
वेगवेगळ्या प्रजातींमधील GRF कुटुंबांचे फायलोजेनेटिक विश्लेषण जनुक कार्यांचा अभ्यास करण्यास मदत करू शकते. म्हणून, 35 रेपसीड, 16 सलगम, 12 तांदूळ, 10 बाजरी आणि 9 अरेबिडोप्सिस GRF चे पूर्ण-लांबीचे अमीनो आम्ल अनुक्रम डाउनलोड केले गेले आणि 34 ओळखल्या जाणाऱ्या BjGRF जनुकांवर आधारित एक फायलोजेनेटिक झाड तयार केले गेले (आकृती 1). तीन उपकुटुंबांमध्ये सदस्यांची संख्या वेगवेगळी आहे; 116 GRF TF तीन वेगवेगळ्या उपकुटुंबांमध्ये (गट A~C) विभागले गेले आहेत, ज्यामध्ये अनुक्रमे 59 (50.86%), 34 (29.31%) आणि 23 (19.83)% GRF आहेत. त्यापैकी, 34 BjGRF कुटुंबातील सदस्य 3 उपकुटुंबांमध्ये विखुरलेले आहेत: गट A मध्ये 13 सदस्य (38.24%), गट B मध्ये 12 सदस्य (35.29%) आणि गट C मध्ये 9 सदस्य (26.47%). मोहरी पॉलीप्लॉइडायझेशन प्रक्रियेत, वेगवेगळ्या उपकुटुंबांमध्ये BjGRFs जनुकांची संख्या वेगळी असते आणि जनुक प्रवर्धन आणि नुकसान झाले असावे. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की गट C मध्ये तांदूळ आणि बाजरी GRF चे वितरण नाही, तर गट B मध्ये 2 तांदूळ GRF आणि 1 बाजरी GRF आहे आणि बहुतेक तांदूळ आणि बाजरी GRF एकाच शाखेत गटबद्ध आहेत, जे दर्शविते की BjGRFs द्विदलांशी जवळून संबंधित आहेत. त्यापैकी, अरबीडोप्सिस थालियाना मधील GRF कार्यावरील सर्वात सखोल अभ्यास BjGRFs च्या कार्यात्मक अभ्यासासाठी आधार प्रदान करतात.
मोहरीचे फायलोजेनेटिक झाड ज्यामध्ये ब्रासिका नॅपस, ब्रासिका नॅपस, तांदूळ, बाजरी आणि अरेबिडोप्सिस थालियाना जीआरएफ कुटुंबातील सदस्यांचा समावेश आहे.
मोहरी GRF कुटुंबातील पुनरावृत्ती होणाऱ्या जनुकांचे विश्लेषण. पार्श्वभूमीतील राखाडी रेषा मोहरी जीनोममधील एक समक्रमित ब्लॉक दर्शवते, लाल रेषा BjGRF जनुकाच्या खंडित पुनरावृत्तींच्या जोडीचे प्रतिनिधित्व करते;
चौथ्या पानांच्या टप्प्यावर दुष्काळाच्या ताणाखाली BjGRF जनुक अभिव्यक्ती. qRT-PCR डेटा पूरक तक्ता S5 मध्ये दर्शविला आहे. डेटामधील महत्त्वपूर्ण फरक लहान अक्षरांनी दर्शविला आहे.
जागतिक हवामान बदलत असताना, दुष्काळाच्या ताणाचा सामना करण्यासाठी पिके कशी करतात आणि त्यांची सहनशीलता कशी सुधारतात याचा अभ्यास करणे हा एक चर्चेचा विषय बनला आहे18. दुष्काळानंतर, वनस्पतींची आकारिकीय रचना, जनुक अभिव्यक्ती आणि चयापचय प्रक्रिया बदलतील, ज्यामुळे प्रकाशसंश्लेषण आणि चयापचय गडबड थांबू शकते, ज्यामुळे पिकांच्या उत्पादनावर आणि गुणवत्तेवर परिणाम होऊ शकतो19,20,21. जेव्हा वनस्पती दुष्काळाचे संकेत ओळखतात तेव्हा ते Ca2+ आणि फॉस्फेटिडायलिनोसिटॉल सारखे दुसरे संदेशवाहक तयार करतात, पेशीच्या आत कॅल्शियम आयन एकाग्रता वाढवतात आणि प्रथिने फॉस्फोरायलेशन मार्गाचे नियामक नेटवर्क सक्रिय करतात22,23. अंतिम लक्ष्य प्रथिने थेट पेशी संरक्षणात सामील असतात किंवा TFs द्वारे संबंधित ताण जनुकांच्या अभिव्यक्तीचे नियमन करतात, ज्यामुळे ताणासाठी वनस्पती सहनशीलता वाढते24,25. अशा प्रकारे, दुष्काळाच्या ताणाला प्रतिसाद देण्यात TFs महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावतात. दुष्काळाच्या ताणाला प्रतिसाद देणाऱ्या TFs च्या अनुक्रम आणि DNA बंधन गुणधर्मांनुसार, TFs वेगवेगळ्या कुटुंबांमध्ये विभागले जाऊ शकतात, जसे की GRF, ERF, MYB, WRKY आणि इतर कुटुंबे26.
GRF जनुक कुटुंब हा वनस्पती-विशिष्ट TF चा एक प्रकार आहे जो वाढ, विकास, सिग्नल ट्रान्सडक्शन आणि वनस्पती संरक्षण प्रतिसाद यासारख्या विविध पैलूंमध्ये महत्त्वाची भूमिका बजावतो27. पहिला GRF जनुक O. sativa28 मध्ये ओळखला गेल्यापासून, अनेक प्रजातींमध्ये अधिकाधिक GRF जनुकांची ओळख पटली आहे आणि वनस्पतींच्या वाढ, विकास आणि ताण प्रतिसादावर परिणाम करणारे दिसून आले आहे8, 29, 30,31,32. ब्रासिका जंसिया जीनोम अनुक्रमाच्या प्रकाशनानंतर, BjGRF जनुक कुटुंबाची ओळख शक्य झाली33. या अभ्यासात, संपूर्ण मोहरीच्या जीनोममध्ये 34 BjGRF जनुकांची ओळख पटवण्यात आली आणि त्यांच्या गुणसूत्र स्थितीवर आधारित त्यांना BjGRF01–BjGRF34 असे नाव देण्यात आले. त्या सर्वांमध्ये अत्यंत संरक्षित QLQ आणि WRC डोमेन आहेत. भौतिक-रासायनिक गुणधर्मांच्या विश्लेषणातून असे दिसून आले की BjGRF प्रथिनांच्या (BjGRF28 वगळता) अमीनो आम्ल संख्या आणि आण्विक वजनांमधील फरक महत्त्वपूर्ण नव्हता, जे सूचित करते की BjGRF कुटुंबातील सदस्यांची कार्ये समान असू शकतात. जनुक रचना विश्लेषणातून असे दिसून आले की BjGRF जनुकांपैकी 64.7% मध्ये 4 एक्सॉन्स होते, जे दर्शविते की उत्क्रांतीमध्ये BjGRF जनुक रचना तुलनेने संरक्षित आहे, परंतु BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 आणि BjGRF29 जनुकांमध्ये एक्सॉन्सची संख्या जास्त आहे. अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की एक्सॉन्स किंवा इंटर्न जोडल्याने किंवा हटवल्याने जनुक रचना आणि कार्यात फरक होऊ शकतो, ज्यामुळे नवीन जनुके तयार होतात34,35,36. म्हणून, आम्ही असा अंदाज लावतो की उत्क्रांतीदरम्यान BjGRF चा इंटर्न हरवला होता, ज्यामुळे जनुक कार्यात बदल होऊ शकतात. विद्यमान अभ्यासांशी सुसंगत, आम्हाला असेही आढळले की इंटर्नची संख्या जनुक अभिव्यक्तीशी संबंधित होती. जेव्हा जनुकातील इंटर्नची संख्या मोठी असते, तेव्हा जनुक विविध प्रतिकूल घटकांना त्वरीत प्रतिसाद देऊ शकते.
जीनोमिक आणि अनुवांशिक उत्क्रांतीमध्ये जीन डुप्लिकेशन हा एक प्रमुख घटक आहे. संबंधित अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की जीन डुप्लिकेशन केवळ GRF जनुकांची संख्या वाढवत नाही तर वनस्पतींना विविध प्रतिकूल पर्यावरणीय परिस्थितींशी जुळवून घेण्यास मदत करण्यासाठी नवीन जनुके निर्माण करण्याचे साधन म्हणून देखील काम करते. या अभ्यासात एकूण ४८ डुप्लिकेट जनुक जोड्या आढळल्या, ज्या सर्व सेगमेंटल डुप्लिकेशन होत्या, जे दर्शविते की सेगमेंटल डुप्लिकेशन ही या कुटुंबातील जनुकांची संख्या वाढवण्याची प्रमुख यंत्रणा आहे. साहित्यात असे नोंदवले गेले आहे की सेगमेंटल डुप्लिकेशन अरेबिडोप्सिस आणि स्ट्रॉबेरीमध्ये GRF जनुक कुटुंबातील सदस्यांचे प्रवर्धन प्रभावीपणे वाढवू शकते आणि कोणत्याही प्रजातीमध्ये या जनुक कुटुंबाचे कोणतेही टँडम डुप्लिकेशन आढळले नाही27,39. या अभ्यासाचे निकाल अरेबिडोप्सिस थालियाना आणि स्ट्रॉबेरी कुटुंबांवरील विद्यमान अभ्यासांशी सुसंगत आहेत, जे सूचित करतात की GRF कुटुंब वेगवेगळ्या वनस्पतींमध्ये सेगमेंटल डुप्लिकेशनद्वारे जनुकांची संख्या वाढवू शकते आणि नवीन जनुके निर्माण करू शकते.
या अभ्यासात, मोहरीमध्ये एकूण ३४ BjGRF जनुके ओळखली गेली, जी ३ उपकुटुंबांमध्ये विभागली गेली. या जनुकांनी समान संरक्षित आकृतिबंध आणि जनुक संरचना दर्शविल्या. समरेखीयता विश्लेषणाने मोहरीमध्ये सेगमेंट डुप्लिकेशनच्या ४८ जोड्या उघड केल्या. BjGRF प्रमोटर प्रदेशात प्रकाश प्रतिसाद, हार्मोनल प्रतिसाद, पर्यावरणीय ताण प्रतिसाद आणि वाढ आणि विकासाशी संबंधित cis-अभिनय घटक आहेत. मोहरीच्या रोपाच्या टप्प्यावर (मुळे, देठ, पाने) ३४ BjGRF जनुके आणि दुष्काळाच्या परिस्थितीत १० BjGRF जनुके यांच्या अभिव्यक्ती पॅटर्नचा शोध लागला. असे आढळून आले की दुष्काळाच्या ताणाखाली BjGRF जनुकेचे अभिव्यक्ती पॅटर्न समान होते आणि ते समान असू शकतात. दुष्काळात सहभाग सक्ती नियमन. BjGRF03 आणि BjGRF32 जनुके दुष्काळाच्या ताणात सकारात्मक नियामक भूमिका बजावू शकतात, तर BjGRF06 आणि BjGRF23 दुष्काळाच्या ताणात miR396 लक्ष्य जनुके म्हणून भूमिका बजावतात. एकंदरीत, आमचा अभ्यास ब्रासिकासी वनस्पतींमध्ये BjGRF जनुक कार्याच्या भविष्यातील शोधासाठी जैविक आधार प्रदान करतो.
या प्रयोगात वापरलेले मोहरीचे बियाणे गुईझोऊ ऑइल सीड रिसर्च इन्स्टिट्यूट, गुईझोऊ अकादमी ऑफ अ‍ॅग्रिकल्चरल सायन्सेस यांनी पुरवले होते. संपूर्ण बियाणे निवडा आणि त्यांना मातीत लावा (सब्सट्रेट: माती = 3:1), आणि चार पानांच्या अवस्थेनंतर मुळे, देठ आणि पाने गोळा करा. दुष्काळाचे अनुकरण करण्यासाठी वनस्पतींना 20% PEG 6000 ने प्रक्रिया करण्यात आली आणि 0, 3, 6, 12 आणि 24 तासांनंतर पाने गोळा करण्यात आली. सर्व वनस्पतींचे नमुने ताबडतोब द्रव नायट्रोजनमध्ये गोठवले गेले आणि नंतर पुढील चाचणीसाठी -80°C फ्रीजरमध्ये साठवले गेले.
या अभ्यासादरम्यान मिळालेला किंवा विश्लेषित केलेला सर्व डेटा प्रकाशित लेख आणि पूरक माहिती फायलींमध्ये समाविष्ट केला आहे.