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

गुइझोउ 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 गुइझोउ प्रांत में उगाई जाती है। इसमें सूखा सहन करने की प्रबल क्षमता 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 सूखा तनाव की प्रतिक्रिया में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। वर्तमान में, जीआरएफ जीन अरेबिडोप्सिस 2, चावल (ओरिज़ा सातिवा) 12, रेपसीड 13, कपास (गोसीपियम हिर्सुटम) 14 इस अध्ययन में, सरसों के जीआरएफ परिवार के जीन की पहचान जीनोम-वाइड स्तर पर की गई और उनकी भौतिक और रासायनिक विशेषताओं, विकासवादी संबंधों, समरूपता, संरक्षित रूपांकनों, जीन संरचना, जीन दोहराव, सीआईएस-तत्वों और अंकुर अवस्था (चार पत्ती अवस्था) का विश्लेषण किया गया। सूखे की प्रतिक्रिया में बीजेजीआरएफ जीन के संभावित कार्य पर आगे के अध्ययनों के लिए वैज्ञानिक आधार प्रदान करने और सूखा-सहिष्णु सरसों के प्रजनन के लिए उम्मीदवार जीन प्रदान करने के लिए सूखे के तनाव के तहत अभिव्यक्ति पैटर्न का व्यापक रूप से विश्लेषण किया गया।
ब्रैसिका जंसिया जीनोम में दो HMMER खोजों का उपयोग करके चौंतीस BjGRF जीन की पहचान की गई, जिनमें से सभी में QLQ और WRC डोमेन शामिल हैं। पहचाने गए BjGRF जीन के CDS अनुक्रम पूरक तालिका S1 में प्रस्तुत किए गए हैं। BjGRF01-BjGRF34 को गुणसूत्र पर उनके स्थान के आधार पर नामित किया गया है। इस परिवार के भौतिक-रासायनिक गुणों से संकेत मिलता है कि अमीनो एसिड की लंबाई अत्यधिक परिवर्तनशील है, जो 261 aa (BjGRF19) से लेकर 905 aa (BjGRF28) तक है। BjGRF का आइसोइलेक्ट्रिक पॉइंट 6.19 (BjGRF02) से लेकर 9.35 (BjGRF03) तक है, जिसका औसत 8.33 है, और BjGRF का 88.24% एक मूल प्रोटीन 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 का GRAVY मान ऋणात्मक है, जो अवशेषों के कारण हाइड्रोफोबिसिटी की कमी के कारण हो सकता है। उपकोशिकीय स्थानीयकरण भविष्यवाणी से पता चला कि 31 BjGRF एनकोडेड प्रोटीन नाभिक में स्थानीयकृत हो सकते हैं, BjGRF04 पेरोक्सीसोम 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 BjGRFs नाभिक में स्थानीयकृत हो सकते हैं और एक प्रतिलेखन कारक के रूप में एक महत्वपूर्ण नियामक भूमिका निभा सकते हैं।
विभिन्न प्रजातियों में जीआरएफ परिवारों के फीलोजेनेटिक विश्लेषण से जीन कार्यों का अध्ययन करने में मदद मिल सकती 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 जीनों के आधार पर एक फीलोजेनेटिक पेड़ का निर्माण किया गया (चित्र 1)। तीन उप-परिवारों में सदस्यों की अलग-अलग संख्या होती है; 116 जीआरएफ टीएफ को तीन अलग-अलग उप-परिवारों (समूह ए~सी) में विभाजित किया गया है, जिनमें क्रमशः 59 (50.86%), 34 (29.31%) और 23 (19.83)% जीआरएफ शामिल हैं। उनमें से, 34 बीजेजीआरएफ परिवार के सदस्य 3 उप-परिवारों में बिखरे हुए हैं सरसों के पॉलीप्लोइडाइजेशन की प्रक्रिया में, विभिन्न उप-परिवारों में BjGRFs जीन की संख्या अलग-अलग होती है, और जीन प्रवर्धन और हानि 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 को एक शाखा में समूहीकृत किया गया है, जो दर्शाता है कि BjGRFs का डाइकोट्स से गहरा संबंध है। उनमें से, अरेबिडोप्सिस थालियाना में GRF फ़ंक्शन पर सबसे गहन अध्ययन BjGRFs के कार्यात्मक अध्ययन के लिए एक आधार प्रदान करते हैं।
ब्रैसिका नेपस, ब्रैसिका नेपस, चावल, बाजरा और अरेबिडोप्सिस थालियाना जीआरएफ परिवार के सदस्यों सहित सरसों का फाइलोजेनेटिक वृक्ष।
मस्टर्ड जीआरएफ परिवार में दोहरावदार जीन का विश्लेषण। पृष्ठभूमि में ग्रे लाइन मस्टर्ड जीनोम में एक सिंक्रनाइज़ ब्लॉक का प्रतिनिधित्व करती है, लाल रेखा BjGRF जीन के खंडित दोहराव की एक जोड़ी का प्रतिनिधित्व करती है;
चौथी पत्ती अवस्था में सूखे के तनाव के तहत BjGRF जीन अभिव्यक्ति। qRT-PCR डेटा पूरक तालिका S5 में दिखाए गए हैं। डेटा में महत्वपूर्ण अंतर छोटे अक्षरों द्वारा दर्शाए गए हैं।
चूंकि वैश्विक जलवायु में परिवर्तन जारी है, इसलिए फसलें किस तरह सूखे के तनाव से निपटती हैं और उनकी सहनशीलता तंत्र में सुधार करती हैं, इसका अध्ययन एक गर्म शोध विषय बन गया है18. सूखे के बाद, पौधों की रूपात्मक संरचना, जीन अभिव्यक्ति और चयापचय प्रक्रियाएँ बदल जाएँगी, जिससे प्रकाश संश्लेषण और चयापचय गड़बड़ी की समाप्ति 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 दूसरे संदेशवाहक उत्पन्न करते हैं, इंट्रासेल्युलर कैल्शियम आयन सांद्रता बढ़ाते हैं और प्रोटीन फॉस्फोराइलेशन मार्ग के विनियामक नेटवर्क को सक्रिय करते हैं22,23. अंतिम लक्ष्य प्रोटीन सीधे सेलुलर रक्षा में शामिल होता है या TFs के माध्यम से संबंधित तनाव जीन की अभिव्यक्ति को नियंत्रित करता है, जिससे तनाव के प्रति पौधों की सहनशीलता बढ़ती है24,25. इस प्रकार, TFs सूखे के तनाव का जवाब देने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं. सूखे के तनाव के प्रति उत्तरदायी TFs के अनुक्रम और DNA 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 पौधा-विशिष्ट टीएफ है जो विकास, विकास, संकेत पारगमन और पौधे की रक्षा प्रतिक्रियाओं जैसे विभिन्न पहलुओं में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है27। चूंकि पहला जीआरएफ जीन ओ. सैटिवा28 में पहचाना गया था, इसलिए कई प्रजातियों में अधिक से अधिक जीआरएफ जीन की पहचान की गई है और पौधे की वृद्धि, विकास और तनाव प्रतिक्रिया8, 29, 30,31,32 को प्रभावित करने के लिए दिखाया गया है। 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 उनके गुणसूत्र स्थान के आधार पर बीजेजीआरएफ01-बीजेजीआरएफ34 नाम दिया गया। उन 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 एमिनो एसिड संख्या और आणविक भार में अंतर महत्वपूर्ण नहीं थे, यह दर्शाता है कि बीजेजीआरएफ परिवार के सदस्यों के समान कार्य हो सकते हैं। जीन संरचना विश्लेषण से पता चला 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 संरचना और कार्य में अंतर हो सकता है, जिससे नए जीन 34,35,36 बन सकते हैं। इसलिए, हम अनुमान लगाते हैं कि विकास के दौरान BjGRF का इंट्रॉन खो गया था, जिससे जीन फ़ंक्शन में बदलाव हो सकता है। मौजूदा अध्ययनों के अनुरूप, हमने यह भी पाया कि इंट्रॉन की संख्या जीन अभिव्यक्ति से जुड़ी थी। जब किसी जीन में इंट्रॉन की संख्या बड़ी होती है, तो जीन विभिन्न प्रतिकूल कारकों पर तुरंत प्रतिक्रिया कर सकता है।
जीन दोहराव जीनोमिक और आनुवंशिक विकास में एक प्रमुख कारक है37. संबंधित अध्ययनों से पता चला है कि जीन दोहराव न केवल जीआरएफ जीन की संख्या बढ़ाता है, बल्कि पौधों को विभिन्न प्रतिकूल पर्यावरणीय परिस्थितियों के अनुकूल होने 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 जीन की संख्या बढ़ाने के लिए प्रमुख तंत्र हैं. साहित्य में बताया गया है कि खंडीय दोहराव अरेबिडोप्सिस और स्ट्रॉबेरी में जीआरएफ जीन परिवार के सदस्यों के प्रवर्धन को प्रभावी रूप से बढ़ावा दे सकता है, और किसी भी प्रजाति में इस जीन परिवार का कोई दोहराव नहीं पाया गया27,39. इस अध्ययन के परिणाम अरेबिडोप्सिस थालियाना और स्ट्रॉबेरी परिवारों पर मौजूदा अध्ययनों के अनुरूप हैं, जो सुझाव देते हैं कि जीआरएफ परिवार विभिन्न पौधों में खंडीय दोहराव के माध्यम से जीन 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 का पता चला। 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 (जड़ें, तने, पत्तियां) 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 तनाव के तहत BjGRF जीन 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 जैविक आधार प्रदान करता है।
इस प्रयोग में इस्तेमाल किए गए सरसों के बीज गुइझोऊ कृषि विज्ञान अकादमी के गुइझोऊ तेल बीज अनुसंधान संस्थान द्वारा प्रदान किए गए थे। पूरे बीजों का चयन करें और उन्हें मिट्टी में रोपें (सब्सट्रेट: मिट्टी = 3:1), और चार पत्ती चरण के बाद जड़ों, तनों और पत्तियों को इकट्ठा करें। पौधों को सूखे का अनुकरण करने के लिए 20% PEG 6000 के साथ इलाज किया गया था, और पत्तियों को 0, 3, 6, 12 और 24 घंटे के बाद एकत्र किया गया था। सभी पौधों के नमूनों को तुरंत तरल नाइट्रोजन में जमाया गया और फिर अगले परीक्षण के लिए -80 डिग्री सेल्सियस फ्रीजर में संग्रहीत किया गया।
इस अध्ययन के दौरान प्राप्त या विश्लेषित सभी डेटा प्रकाशित लेख और पूरक सूचना फ़ाइलों में शामिल हैं।