दुष्काळ परिस्थितीत मोहरीच्या वाढ नियंत्रक घटकांचे जीनोम-व्यापी ओळख आणि अभिव्यक्ती विश्लेषण

गुइझोउ प्रांतातील पर्जन्याचे हंगामी वितरण असमान आहे, वसंत ऋतू आणि उन्हाळ्यात जास्त पाऊस पडतो, परंतु मोहरीची रोपे शरद ऋतू आणि हिवाळ्यात दुष्काळाच्या ताणास बळी पडतात, ज्यामुळे उत्पादनावर गंभीर परिणाम होतो. मोहरी हे एक विशेष तेलबिया पीक आहे जे प्रामुख्याने गुइझोउ प्रांतात घेतले जाते. त्यात दुष्काळ सहन करण्याची तीव्र क्षमता आहे आणि ते डोंगराळ भागात घेतले जाऊ शकते. हे दुष्काळ-प्रतिरोधक जनुकांचे एक समृद्ध स्रोत आहे. मोहरीच्या जातींमध्ये सुधारणा करण्यासाठी आणि जननद्रव्य संसाधनांमध्ये नवनवीन शोध लावण्यासाठी दुष्काळ-प्रतिरोधक जनुकांचा शोध अत्यंत महत्त्वाचा आहे. GRF कुटुंब वनस्पतींची वाढ आणि विकास तसेच दुष्काळाच्या ताणाला प्रतिसाद देण्यात महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावते. सध्या, GRF जनुके अ‍ॅरेबिडोप्सिस २, तांदूळ (ओरिझा सॅटिवा) १२, मोहरी १३, कापूस (गॉसिपियम हिर्सुटम) १४, गहू (ट्रिटिकम एस्टिव्हम) १५, बाजरी (सेटारिया इटालिका) १६ आणि ब्रासिका १७ मध्ये आढळली आहेत, परंतु मोहरीमध्ये GRF जनुके आढळल्याचा कोणताही अहवाल नाही. या अभ्यासात, मोहरीमधील GRF फॅमिलीची जनुके जीनोम-व्यापी स्तरावर ओळखण्यात आली आणि त्यांची भौतिक व रासायनिक वैशिष्ट्ये, उत्क्रांती संबंध, होमोलॉजी, संरक्षित मोटिफ्स, जनुकीय रचना, जनुकीय डुप्लिकेशन, सिस-एलिमेंट्स आणि रोपावस्था (चार-पानांची अवस्था) यांचे विश्लेषण करण्यात आले. दुष्काळाला प्रतिसाद देण्यामध्ये BjGRF जनुकांच्या संभाव्य कार्यावरील पुढील अभ्यासासाठी वैज्ञानिक आधार प्रदान करण्याकरिता आणि दुष्काळ-सहिष्णु मोहरीच्या पैदाशीसाठी उमेदवार जनुके उपलब्ध करून देण्याकरिता, दुष्काळ ताणाखालील अभिव्यक्तीच्या पद्धतींचे सर्वसमावेशक विश्लेषण करण्यात आले.
दोन HMMER शोधांचा वापर करून ब्रासिका जंसिया जीनोममध्ये चौतीस BjGRF जीन्स ओळखण्यात आले, ज्या सर्वांमध्ये QLQ आणि WRC डोमेन्स आहेत. ओळखलेल्या BjGRF जीन्सचे CDS अनुक्रम पूरक सारणी S1 मध्ये सादर केले आहेत. BjGRF01–BjGRF34 यांना गुणसूत्रावरील त्यांच्या स्थानानुसार नावे दिली आहेत. या कुटुंबाचे भौतिक-रासायनिक गुणधर्म दर्शवतात की अमिनो ॲसिडची लांबी अत्यंत परिवर्तनशील आहे, जी 261 aa (BjGRF19) पासून 905 aa (BjGRF28) पर्यंत आहे. BjGRF चा आयसोइलेक्ट्रिक पॉइंट 6.19 (BjGRF02) पासून 9.35 (BjGRF03) पर्यंत असून सरासरी 8.33 आहे, आणि BjGRF चा 88.24% भाग एक बेसिक प्रोटीन 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, हे सर्व 40 पेक्षा जास्त आहेत, जे दर्शवते की फॅटी ऍसिड निर्देशांक 43.65 (BjGRF01) ते 78.78 (BjGRF22) पर्यंत आहे, सरासरी जलस्नेहता (GRAVY) -1.07 (BjGRF31) ते -0.45 (BjGRF22) पर्यंत आहे, सर्व जलस्नेही BjGRF प्रथिनांचे GRAVY मूल्य नकारात्मक आहे, जे अवशेषांमुळे होणाऱ्या जलविरोधीतेच्या अभावामुळे असू शकते. उपपेशीय स्थानिकीकरण अंदाजाने दाखवले की 31 BjGRF एन्कोड केलेले प्रथिने केंद्रकात, BjGRF04 पेरॉक्सिसोममध्ये, BjGRF25 पेशीद्रव्यात आणि BjGRF28 हरितलवकांमध्ये स्थानिकीकृत होऊ शकतात (तक्ता 1), जे सूचित करते की BjGRFs केंद्रकात स्थानिकीकृत असू शकतात आणि ट्रान्सक्रिप्शन फॅक्टर म्हणून एक महत्त्वाची नियामक भूमिका बजावतात.
विविध प्रजातींमधील GRF कुटुंबांचे फायलोजेनेटिक विश्लेषण जनुकांच्या कार्याचा अभ्यास करण्यास मदत करू शकते. म्हणून, 35 मोहरी, 16 सलगम, 12 तांदूळ, 10 बाजरी आणि 9 ॲराबिडॉप्सिस GRF चे पूर्ण-लांबीचे अमिनो ॲसिड अनुक्रम डाउनलोड केले गेले आणि ओळखल्या गेलेल्या 34 BjGRF जनुकांच्या आधारावर एक फायलोजेनेटिक वृक्ष तयार करण्यात आला (आकृती 1). तीन उपकुटुंबांमध्ये सदस्यांची संख्या वेगवेगळी आहे; 116 GRF TFs तीन वेगवेगळ्या उपकुटुंबांमध्ये (गट A~C) विभागलेले आहेत, ज्यात अनुक्रमे 59 (50.86%), 34 (29.31%) आणि 23 (19.83)% GRF आहेत. त्यापैकी, 34 BjGRF कुटुंबांचे 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%). मोहरीच्या बहुगुणितीकरणाच्या प्रक्रियेत, वेगवेगळ्या उपकुटुंबांमध्ये BjGRF जनुकांची संख्या भिन्न असते आणि जनुकांचे प्रवर्धन व लोप होण्याची शक्यता असते. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की गट C मध्ये भात आणि बाजरीच्या GRF चे वितरण नाही, तर गट B मध्ये २ भात GRF आणि १ बाजरी GRF आहेत, आणि बहुतेक भात व बाजरीचे GRF एकाच शाखेत गटबद्ध आहेत, जे दर्शवते की BjGRF हे द्विदलीय वनस्पतींशी जवळून संबंधित आहेत. त्यापैकी, Arabidopsis thaliana मधील GRF कार्यावरील सर्वात सखोल अभ्यास BjGRF च्या कार्यात्मक अभ्यासासाठी आधार प्रदान करतात.
मोहरीचे फायलोजेनेटिक वृक्ष ज्यामध्ये ब्रासिका नॅपस, तांदूळ, बाजरी आणि अ‍ॅरेबिडोप्सिस थॅलियाना जीआरएफ कुटुंबातील सदस्यांचा समावेश आहे.
मोहरीच्या GRF कुटुंबातील पुनरावृत्ती होणाऱ्या जनुकांचे विश्लेषण. पार्श्वभूमीतील राखाडी रेषा मोहरीच्या जीनोममधील एक समकालिक ब्लॉक दर्शवते, लाल रेषा BjGRF जनुकाच्या खंडित पुनरावृत्तीची एक जोडी दर्शवते;
चौथ्या पानांच्या अवस्थेत दुष्काळ ताणाखाली BjGRF जनुकीय अभिव्यक्ती. qRT-PCR डेटा परिशिष्ट सारणी S5 मध्ये दर्शविला आहे. डेटामधील लक्षणीय फरक लहान अक्षरांनी दर्शविले आहेत.
जागतिक हवामान बदलत असल्यामुळे, पिके दुष्काळाच्या ताणाशी कशी जुळवून घेतात याचा अभ्यास करणे आणि त्यांच्या सहनशीलता यंत्रणा सुधारणे हा एक महत्त्वाचा संशोधनाचा विषय बनला आहे¹⁸. दुष्काळानंतर, वनस्पतींची आकारिक रचना, जनुकीय अभिव्यक्ती आणि चयापचय प्रक्रिया बदलतात, ज्यामुळे प्रकाशसंश्लेषण थांबू शकते आणि चयापचयात अडथळा येऊ शकतो, परिणामी पिकांच्या उत्पन्नावर आणि गुणवत्तेवर परिणाम होतो¹⁹,²⁰,²¹. जेव्हा वनस्पती दुष्काळाचे संकेत ओळखतात, तेव्हा त्या Ca²⁺ आणि फॉस्फॅटिडिलिनोसिटॉल सारखे सेकंड मेसेंजर तयार करतात, पेशींमधील कॅल्शियम आयनची सांद्रता वाढवतात आणि प्रथिन फॉस्फोरिलेशन मार्गाचे नियामक जाळे सक्रिय करतात²²,²³. अंतिम लक्ष्य प्रथिन थेट पेशीय संरक्षणात सामील असते किंवा टीएफ्सद्वारे (TFs) संबंधित ताण-संबंधित जनुकांच्या अभिव्यक्तीचे नियमन करते, ज्यामुळे वनस्पतींची ताण सहन करण्याची क्षमता वाढते²⁴,²⁵. अशाप्रकारे, दुष्काळाच्या ताणाला प्रतिसाद देण्यात टीएफ्स (TFs) महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावतात. दुष्काळाच्या ताणाला प्रतिसाद देणाऱ्या टीएफ्सच्या अनुक्रम आणि डीएनए बंधन गुणधर्मांनुसार, टीएफ्सना जीआरएफ (GRF), ईआरएफ (ERF), एमवायबी (MYB), डब्ल्यूआरकेवाय (WRKY) आणि इतर कुटुंबांमध्ये विभागले जाऊ शकते²⁶.
GRF जीन कुटुंब हे वनस्पती-विशिष्ट TF चा एक प्रकार आहे जे वाढ, विकास, सिग्नल ट्रान्सडक्शन आणि वनस्पती संरक्षण प्रतिसाद यांसारख्या विविध पैलूंमध्ये महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावते27. ओ. सॅटिवामध्ये पहिले GRF जीन ओळखले गेल्यापासून28, अनेक प्रजातींमध्ये अधिकाधिक GRF जीन्स ओळखले गेले आहेत आणि ते वनस्पतींची वाढ, विकास आणि ताण प्रतिसादावर परिणाम करतात असे दिसून आले आहे8, 29, 30,31,32. ब्रासिका जंसिया जीनोम अनुक्रमाच्या प्रकाशनामुळे, BjGRF जीन कुटुंबाची ओळख शक्य झाली33. या अभ्यासात, संपूर्ण मोहरीच्या जीनोममध्ये 34 BjGRF जीन्स ओळखले गेले आणि त्यांच्या गुणसूत्रीय स्थानानुसार त्यांना BjGRF01–BjGRF34 असे नाव देण्यात आले. त्या सर्वांमध्ये अत्यंत संरक्षित QLQ आणि WRC डोमेन्स आहेत. भौतिक-रासायनिक गुणधर्मांच्या विश्लेषणातून असे दिसून आले की BjGRF प्रथिनांच्या (BjGRF28 वगळता) अमिनो आम्ल संख्या आणि रेणूभारातील फरक लक्षणीय नव्हते, जे सूचित करते की BjGRF कुटुंबातील सदस्यांची कार्ये समान असू शकतात. जनुकीय संरचनेच्या विश्लेषणातून असे दिसून आले की ६४.७% BjGRF जनुकांमध्ये ४ एक्सॉन होते, जे दर्शवते की BjGRF जनुकीय संरचना उत्क्रांतीमध्ये तुलनेने संरक्षित आहे, परंतु BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 आणि BjGRF29 जनुकांमधील एक्सॉनची संख्या जास्त आहे. अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की एक्सॉन किंवा इंट्रॉनच्या समावेशामुळे किंवा लोपामुळे जनुकीय संरचना आणि कार्यात फरक होऊ शकतो, ज्यामुळे नवीन जनुके तयार होतात34,35,36. म्हणून, आम्ही असा अंदाज लावतो की उत्क्रांतीदरम्यान BjGRF चा इंट्रॉन नाहीसा झाला असावा, ज्यामुळे जनुकीय कार्यात बदल होऊ शकतात. विद्यमान अभ्यासांशी सुसंगतपणे, आम्हाला असेही आढळले की इंट्रॉनची संख्या जनुकीय अभिव्यक्तीशी संबंधित होती. जेव्हा एखाद्या जनुकात इंट्रॉनची संख्या जास्त असते, तेव्हा ते जनुक विविध प्रतिकूल घटकांना त्वरीत प्रतिसाद देऊ शकते.
जनुकीय आणि आनुवंशिक उत्क्रांतीमध्ये जनुकीय द्विगुणन हा एक प्रमुख घटक आहे³⁷. संबंधित अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की जनुकीय द्विगुणन केवळ GRF जनुकांची संख्याच वाढवत नाही, तर वनस्पतींना विविध प्रतिकूल पर्यावरणीय परिस्थितीशी जुळवून घेण्यास मदत करण्यासाठी नवीन जनुके निर्माण करण्याचे एक साधन म्हणूनही काम करते³⁸. या अभ्यासात एकूण ४८ द्विगुणित जनुकीय जोड्या आढळल्या, त्या सर्व खंडीय द्विगुणन होत्या, जे दर्शवते की या जनुक कुळातील जनुकांची संख्या वाढवण्यासाठी खंडीय द्विगुणन ही प्रमुख यंत्रणा आहे. साहित्यात असे नोंदवले गेले आहे की खंडीय द्विगुणन ॲराबिडॉप्सिस आणि स्ट्रॉबेरीमध्ये GRF जनुक कुळातील सदस्यांच्या प्रवर्धनाला प्रभावीपणे चालना देऊ शकते आणि कोणत्याही प्रजातीमध्ये या जनुक कुळाचे टँडम द्विगुणन आढळले नाही²⁷,³⁹. या अभ्यासाचे निष्कर्ष ॲराबिडॉप्सिस थॅलियाना आणि स्ट्रॉबेरी कुळांवरील विद्यमान अभ्यासांशी सुसंगत आहेत, जे सूचित करतात की GRF कुळ वेगवेगळ्या वनस्पतींमध्ये खंडीय द्विगुणनाद्वारे जनुकांची संख्या वाढवू शकते आणि नवीन जनुके निर्माण करू शकते.
या अभ्यासात, मोहरीमध्ये एकूण ३४ BjGRF जनुके ओळखण्यात आली, ज्यांची ३ उपकुटुंबांमध्ये विभागणी करण्यात आली. या जनुकांनी समान संरक्षित मोटिफ्स आणि जनुकीय संरचना दर्शविल्या. कोलिनिअरिटी विश्लेषणातून मोहरीमध्ये ४८ जोड्यांमध्ये सेगमेंट डुप्लिकेशन असल्याचे दिसून आले. BjGRF प्रमोटर प्रदेशात प्रकाश प्रतिसाद, संप्रेरक प्रतिसाद, पर्यावरणीय ताण प्रतिसाद आणि वाढ व विकास यांच्याशी संबंधित सिस्-अॅक्टिंग घटक असतात. ३४ BjGRF जनुकांची अभिव्यक्ती मोहरीच्या रोपावस्थेत (मुळे, खोड, पाने) तपासण्यात आली आणि दुष्काळ परिस्थितीत १० BjGRF जनुकांच्या अभिव्यक्तीचा नमुना अभ्यासण्यात आला. असे आढळून आले की दुष्काळ ताणाखाली BjGRF जनुकांच्या अभिव्यक्तीचे नमुने समान होते आणि दुष्काळ नियंत्रणात त्यांचा सहभाग असू शकतो. BjGRF03 आणि BjGRF32 जनुके दुष्काळ ताणात सकारात्मक नियामक भूमिका बजावू शकतात, तर BjGRF06 आणि BjGRF23 जनुके miR396 लक्ष्य जनुके म्हणून दुष्काळ ताणात भूमिका बजावतात. एकंदरीत, आमचा अभ्यास ब्रॅसिकासी वनस्पतींमधील BjGRF जनुकाच्या कार्याचा भविष्यात शोध घेण्यासाठी एक जैविक आधार प्रदान करतो.
या प्रयोगात वापरण्यात आलेले मोहरीचे दाणे गुइझो ऑइल सीड रिसर्च इन्स्टिट्यूट, गुइझो ॲकॅडमी ऑफ ॲग्रीकल्चरल सायन्सेस यांनी पुरवले होते. संपूर्ण दाणे निवडून ते मातीत लावा (माती: माध्यम = ३:१), आणि चार पाने आल्यानंतर मुळे, खोड आणि पाने गोळा करा. दुष्काळाचे अनुकरण करण्यासाठी वनस्पतींवर २०% पीईजी ६००० (PEG 6000) प्रक्रिया करण्यात आली आणि ०, ३, ६, १२ व २४ तासांनंतर पाने गोळा करण्यात आली. वनस्पतींचे सर्व नमुने ताबडतोब द्रव नायट्रोजनमध्ये गोठवण्यात आले आणि नंतर पुढील चाचणीसाठी -८०°C फ्रीझरमध्ये साठवण्यात आले.
या अभ्यासादरम्यान प्राप्त केलेला किंवा विश्लेषण केलेला सर्व डेटा प्रकाशित लेखात आणि पूरक माहिती फाइल्समध्ये समाविष्ट केला आहे.