सूखे की स्थिति में सरसों की वृद्धि विनियमन कारकों की जीनोम-व्यापी पहचान और अभिव्यक्ति विश्लेषण

गुइझोऊ प्रांत में वर्षा का मौसमी वितरण असमान है, वसंत और गर्मियों में अधिक वर्षा होती है, लेकिन रेपसीड के पौधे शरद ऋतु और सर्दियों में सूखे के तनाव के प्रति संवेदनशील होते हैं, जो उपज को गंभीर रूप से प्रभावित करता है। सरसों एक विशेष तिलहन फसल है जो मुख्य रूप से गुइझोऊ प्रांत में उगाई जाती है। इसमें सूखा सहन करने की क्षमता होती है और इसे पहाड़ी क्षेत्रों में उगाया जा सकता है। यह सूखा प्रतिरोधी जीनों का एक समृद्ध संसाधन है। सरसों की किस्मों के सुधार और जर्मप्लाज्म संसाधनों में नवाचार के लिए सूखा प्रतिरोधी जीनों की खोज अत्यंत महत्वपूर्ण है। जीआरएफ परिवार पौधों की वृद्धि और विकास और सूखे के तनाव की प्रतिक्रिया में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। वर्तमान में, जीआरएफ जीन अरेबिडोप्सिस 2, चावल (ओरिज़ा सातिवा) 12, रेपसीड 13, कपास (गोसिपियम हिर्सुटम) 14, गेहूं (ट्रिटिकम) इस अध्ययन में, सरसों के जीआरएफ परिवार के जीनों की जीनोम-व्यापी स्तर पर पहचान की गई और उनकी भौतिक एवं रासायनिक विशेषताओं, विकासात्मक संबंधों, समरूपता, संरक्षित रूपांकनों, जीन संरचना, जीन दोहराव, सिस-तत्वों और अंकुरण अवस्था (चार पत्ती अवस्था) का विश्लेषण किया गया। सूखे की प्रतिक्रिया में बीजेजीआरएफ जीनों के संभावित कार्य पर आगे के अध्ययनों के लिए एक वैज्ञानिक आधार प्रदान करने और सूखा-सहिष्णु सरसों के प्रजनन के लिए संभावित जीन प्रदान करने हेतु, सूखे के दबाव में अभिव्यक्ति पैटर्न का व्यापक विश्लेषण किया गया।
ब्रैसिका जंसिया जीनोम में दो HMMER खोजों का उपयोग करके चौंतीस BjGRF जीनों की पहचान की गई, जिनमें से सभी में QLQ और WRC डोमेन शामिल हैं। पहचाने गए BjGRF जीनों के CDS अनुक्रम अनुपूरक तालिका S1 में प्रस्तुत किए गए हैं। BjGRF01-BjGRF34 का नामकरण गुणसूत्र पर उनके स्थान के आधार पर किया गया है। इस परिवार के भौतिक-रासायनिक गुण दर्शाते हैं कि अमीनो अम्ल की लंबाई अत्यधिक परिवर्तनशील है, जो 261 aa (BjGRF19) से 905 aa (BjGRF28) तक होती है। BjGRF का समविद्युत बिंदु 6.19 (BjGRF02) से 9.35 (BjGRF03) तक होता है, जिसका औसत 8.33 होता है, और 88.24% BjGRF एक मूल प्रोटीन होता है। BjGRF की अनुमानित आणविक भार सीमा 29.82 kDa (BjGRF19) से 102.90 kDa (BjGRF28) तक है; BjGRF प्रोटीन का अस्थिरता सूचकांक 51.13 (BjGRF08) से 78.24 (BjGRF19) तक है, सभी 40 से अधिक हैं, जो दर्शाता है कि फैटी एसिड सूचकांक 43.65 (BjGRF01) से 78.78 (BjGRF22) तक है, औसत हाइड्रोफिलिसिटी (GRAVY) -1.07 (BjGRF31) से -0.45 (BjGRF22) तक है, सभी हाइड्रोफिलिक BjGRF प्रोटीन के GRAVY मान नकारात्मक हैं, जो अवशेषों के कारण हाइड्रोफोबिसिटी की कमी के कारण हो सकता है। उपकोशिकीय स्थानीयकरण पूर्वानुमान से पता चला कि 31 BjGRF एनकोडेड प्रोटीन नाभिक में स्थानीयकृत हो सकते हैं, BjGRF04 पेरॉक्सिसोम में स्थानीयकृत हो सकते हैं, BjGRF25 कोशिकाद्रव्य में स्थानीयकृत हो सकते हैं, और BjGRF28 क्लोरोप्लास्ट में स्थानीयकृत हो सकते हैं (तालिका 1), जो दर्शाता है कि BjGRF नाभिक में स्थानीयकृत हो सकते हैं और एक प्रतिलेखन कारक के रूप में एक महत्वपूर्ण नियामक भूमिका निभाते हैं।
विभिन्न प्रजातियों में जीआरएफ परिवारों का फाइलोजेनेटिक विश्लेषण जीन कार्यों का अध्ययन करने में मदद कर सकता है। इसलिए, 35 रेपसीड, 16 शलजम, 12 चावल, 10 बाजरा और 9 अरेबिडोप्सिस जीआरएफ के पूर्ण-लंबाई वाले अमीनो एसिड अनुक्रम डाउनलोड किए गए और 34 पहचाने गए बीजेजीआरएफ जीन (चित्र 1) के आधार पर एक फाइलोजेनेटिक पेड़ का निर्माण किया गया। तीन उप-परिवारों में सदस्यों की संख्या अलग-अलग है; 116 जीआरएफ टीएफ को तीन अलग-अलग उप-परिवारों (समूह ए ~ सी) में विभाजित किया गया है, जिसमें क्रमशः 59 (50.86%), 34 (29.31%) और 23 (19.83)% जीआरएफ हैं। उनमें से, 34 बीजेजीआरएफ परिवार के सदस्य 3 उप-परिवारों में बिखरे हुए हैं सरसों के बहुगुणन की प्रक्रिया में, विभिन्न उप-कुलों में BjGRFs जीनों की संख्या भिन्न होती है, और जीन प्रवर्धन और क्षति हो सकती है। यह ध्यान देने योग्य है कि समूह C में चावल और बाजरा GRFs का कोई वितरण नहीं है, जबकि समूह B में 2 चावल GRFs और 1 बाजरा GRF हैं, और अधिकांश चावल और बाजरा GRFs एक ही शाखा में समूहीकृत हैं, जो दर्शाता है कि BjGRFs द्विबीजपत्री पौधों से घनिष्ठ रूप से संबंधित हैं। इनमें से, अरेबिडोप्सिस थालियाना में GRF कार्य पर सबसे गहन अध्ययन BjGRFs के कार्यात्मक अध्ययन के लिए एक आधार प्रदान करते हैं।
सरसों का फाइलोजेनेटिक वृक्ष जिसमें ब्रैसिका नैपस, ब्रैसिका नैपस, चावल, बाजरा और अरेबिडोप्सिस थालियाना जीआरएफ परिवार के सदस्य शामिल हैं।
मस्टर्ड जीआरएफ परिवार में पुनरावर्ती जीनों का विश्लेषण। पृष्ठभूमि में धूसर रेखा मस्टर्ड जीनोम में एक समकालिक ब्लॉक को दर्शाती है, लाल रेखा बीजेजीआरएफ जीन के खंडित दोहरावों के एक जोड़े को दर्शाती है;
चौथी पत्ती अवस्था में सूखे के दबाव में BjGRF जीन अभिव्यक्ति। qRT-PCR डेटा अनुपूरक तालिका S5 में दिखाए गए हैं। डेटा में महत्वपूर्ण अंतर छोटे अक्षरों से दर्शाए गए हैं।
जैसे-जैसे वैश्विक जलवायु में परिवर्तन जारी है, फसलें सूखे के दबाव से कैसे निपटती हैं और उनकी सहनशीलता तंत्र में सुधार कैसे होता है, इसका अध्ययन एक महत्वपूर्ण शोध विषय बन गया है18। सूखे के बाद, पौधों की रूपात्मक संरचना, जीन अभिव्यक्ति और उपापचयी प्रक्रियाएँ बदल जाएँगी, जिससे प्रकाश संश्लेषण बंद हो सकता है और उपापचयी गड़बड़ी हो सकती है, जिससे फसलों की उपज और गुणवत्ता प्रभावित होगी19,20,21। जब पौधे सूखे के संकेतों को महसूस करते हैं, तो वे Ca2+ और फॉस्फेटिडिलिनोसिटॉल जैसे द्वितीय संदेशवाहक उत्पन्न करते हैं, अंतःकोशिकीय कैल्शियम आयन सांद्रता बढ़ाते हैं और प्रोटीन फॉस्फोराइलेशन मार्ग के नियामक नेटवर्क को सक्रिय करते हैं22,23। अंतिम लक्ष्य प्रोटीन सीधे कोशिकीय रक्षा में शामिल होता है या TFs के माध्यम से संबंधित तनाव जीनों की अभिव्यक्ति को नियंत्रित करता है, जिससे पौधों की तनाव सहनशीलता बढ़ती है24,25। इस प्रकार, TFs सूखे के दबाव का जवाब देने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। सूखे के दबाव के प्रति संवेदनशील TFs के अनुक्रम और डीएनए बंधन गुणों के अनुसार, TFs को विभिन्न परिवारों में विभाजित किया जा सकता है, जैसे GRF, ERF, MYB, WRKY और अन्य परिवार26।
जीआरएफ जीन परिवार एक प्रकार का पादप-विशिष्ट टीएफ है जो वृद्धि, विकास, संकेत पारगमन और पादप रक्षा प्रतिक्रियाओं जैसे विभिन्न पहलुओं में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है27। ओ. सैटिवा28 में पहले जीआरएफ जीन की पहचान के बाद से, कई प्रजातियों में अधिक से अधिक जीआरएफ जीन की पहचान की गई है और यह दिखाया गया है कि ये पादप वृद्धि, विकास और तनाव प्रतिक्रिया8, 29, 30, 31, 32 को प्रभावित करते हैं। ब्रैसिका जुन्सिया जीनोम अनुक्रम के प्रकाशन के साथ, बीजेजीआरएफ जीन परिवार की पहचान संभव हो गई33। इस अध्ययन में, पूरे सरसों जीनोम में 34 बीजेजीआरएफ जीन की पहचान की गई और उनकी गुणसूत्र स्थिति के आधार पर उन्हें बीजेजीआरएफ01-बीजेजीआरएफ34 नाम दिया गया। इन सभी में अत्यधिक संरक्षित क्यूएलक्यू और डब्ल्यूआरसी डोमेन होते हैं। भौतिक-रासायनिक गुणों के विश्लेषण से पता चला कि बीजेजीआरएफ प्रोटीन (बीजेजीआरएफ28 को छोड़कर) के अमीनो एसिड संख्या और आणविक भार में अंतर महत्वपूर्ण नहीं थे, यह दर्शाता है कि बीजेजीआरएफ परिवार के सदस्यों के कार्य समान हो सकते हैं। जीन संरचना विश्लेषण से पता चला है कि 64.7% BjGRF जीन में 4 एक्सॉन थे, जो दर्शाता है कि BjGRF जीन संरचना विकास में अपेक्षाकृत संरक्षित है, लेकिन BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 और BjGRF29 जीन में एक्सॉन की संख्या बड़ी है। अध्ययनों से पता चला है कि एक्सॉन या इंट्रॉन के जुड़ने या हटने से जीन की संरचना और कार्य में अंतर हो सकता है, जिससे नए जीन34,35,36 का निर्माण होता है। इसलिए, हम अनुमान लगाते हैं कि विकास के दौरान BjGRF का इंट्रॉन खो गया था, जिससे जीन के कार्य में परिवर्तन हो सकता है। मौजूदा अध्ययनों के अनुरूप, हमने यह भी पाया कि इंट्रॉन की संख्या जीन अभिव्यक्ति से जुड़ी थी।
जीन दोहराव जीनोमिक और आनुवंशिक विकास का एक प्रमुख कारक है37। संबंधित अध्ययनों से पता चला है कि जीन दोहराव न केवल जीआरएफ जीनों की संख्या बढ़ाता है, बल्कि पौधों को विभिन्न प्रतिकूल पर्यावरणीय परिस्थितियों के अनुकूल बनाने में मदद करने के लिए नए जीन उत्पन्न करने के साधन के रूप में भी कार्य करता है38। इस अध्ययन में कुल 48 डुप्लिकेट जीन जोड़े पाए गए, जो सभी खंडीय दोहराव थे, जो दर्शाता है कि खंडीय दोहराव इस परिवार में जीनों की संख्या बढ़ाने का प्रमुख तंत्र है। साहित्य में बताया गया है कि खंडीय दोहराव अरेबिडोप्सिस और स्ट्रॉबेरी में जीआरएफ जीन परिवार के सदस्यों के प्रवर्धन को प्रभावी ढंग से बढ़ावा दे सकता है, और किसी भी प्रजाति में इस जीन परिवार का कोई अग्रानुक्रम दोहराव नहीं पाया गया27,39। इस अध्ययन के परिणाम अरेबिडोप्सिस थालियाना और स्ट्रॉबेरी परिवारों पर मौजूदा अध्ययनों के अनुरूप हैं, जो बताते हैं कि जीआरएफ परिवार विभिन्न पौधों में खंडीय दोहराव के माध्यम से जीनों की संख्या बढ़ा सकता है और नए जीन उत्पन्न कर सकता है।
इस अध्ययन में, सरसों में कुल 34 BjGRF जीन की पहचान की गई, जिन्हें 3 उप-परिवारों में विभाजित किया गया था। इन जीनों ने समान संरक्षित रूपांकनों और जीन संरचनाओं को दिखाया। समरेख विश्लेषण से सरसों में खंड दोहराव के 48 जोड़े सामने आए। BjGRF प्रमोटर क्षेत्र में प्रकाश प्रतिक्रिया, हार्मोनल प्रतिक्रिया, पर्यावरणीय तनाव प्रतिक्रिया और विकास और विकास से जुड़े सिस-एक्टिंग तत्व होते हैं। सरसों के अंकुर चरण (जड़, तने, पत्ते) में 34 BjGRF जीनों की अभिव्यक्ति का पता चला, और सूखे की स्थिति में 10 BjGRF जीनों की अभिव्यक्ति पैटर्न का पता चला। यह पाया गया कि सूखे के दबाव में BjGRF जीनों के अभिव्यक्ति पैटर्न समान थे और समान हो सकते हैं। कुल मिलाकर, हमारा अध्ययन ब्रैसिकेसी पौधों में BjGRF जीन कार्य की भविष्य की खोज के लिए एक जैविक आधार प्रदान करता है।
इस प्रयोग में प्रयुक्त सरसों के बीज गुइझोऊ कृषि विज्ञान अकादमी के गुइझोऊ तेल बीज अनुसंधान संस्थान द्वारा प्रदान किए गए थे। साबुत बीजों को चुनकर उन्हें मिट्टी में रोपें (सब्सट्रेट: मिट्टी = 3:1), और चार पत्ती वाली अवस्था के बाद जड़ों, तनों और पत्तियों को इकट्ठा करें। सूखे का अनुकरण करने के लिए पौधों को 20% PEG 6000 से उपचारित किया गया, और पत्तियों को 0, 3, 6, 12 और 24 घंटे बाद इकट्ठा किया गया। सभी पौधों के नमूनों को तुरंत तरल नाइट्रोजन में जमाया गया और फिर अगले परीक्षण के लिए -80°C फ्रीज़र में संग्रहित किया गया।
इस अध्ययन के दौरान प्राप्त या विश्लेषित सभी डेटा प्रकाशित लेख और पूरक सूचना फ़ाइलों में शामिल हैं।