구이저우성의 계절별 강수량 분포는 고르지 않으며 봄과 여름에 강수량이 더 많지만, 유채 묘목은 가을과 겨울에 가뭄 스트레스를 받기 쉽고 이는 수확량에 심각한 영향을 미칩니다.겨자는 주로 구이저우성에서 재배되는 특수 유지 작물입니다.강한 가뭄 내성을 가지고 있으며 산악 지역에서 재배할 수 있습니다.가뭄 저항성 유전자의 풍부한 자원입니다.가뭄 저항성 유전자의 발견은 겨자 품종 개량 및 유전자원 자원 혁신에 매우 중요합니다.GRF 패밀리는 식물 생장 및 발달과 가뭄 스트레스에 대한 반응에 중요한 역할을 합니다.현재 GRF 유전자는 애기장대 2, 벼(Oryza sativa) 12, 유채 13, 면화(Gossypium hirsutum) 14, 밀(Triticum aestivum) 15, 기장(Setaria italica) 16 및 브라시카 17에서 발견되었지만, 겨자에서 GRF 유전자가 검출되었다는 보고는 없습니다. 본 연구에서는 겨자의 GRF 계열 유전자들을 유전체 수준에서 규명하고, 물리적·화학적 특성, 진화적 관계, 상동성, 보존 모티프, 유전자 구조, 유전자 중복, 시스-요소, 그리고 유묘 단계(네잎 단계)를 분석하였다. 가뭄 스트레스 하에서의 발현 양상을 종합적으로 분석하여 가뭄 반응에서 BjGRF 유전자의 잠재적 기능에 대한 추가 연구의 과학적 근거를 제공하고, 가뭄 내성 겨자 육종을 위한 후보 유전자를 제시하였다.
두 번의 HMMER 검색을 통해 브라시카 준세아(Brassica juncea) 유전체에서 34개의 BjGRF 유전자가 확인되었으며, 이들 모두 QLQ 및 WRC 도메인을 포함하고 있습니다. 확인된 BjGRF 유전자의 CDS 서열은 보충 표 S1에 제시되어 있습니다. BjGRF01~BjGRF34는 염색체 상의 위치를 기준으로 명명되었습니다. 이 유전자군의 물리화학적 특성은 아미노산 길이가 261aa(BjGRF19)에서 905aa(BjGRF28)까지 매우 다양함을 시사합니다. BjGRF의 등전점은 6.19a(BjGRF02)에서 9.35a(BjGRF03)까지이며, 평균은 8.33입니다. BjGRF의 88.24%는 염기성 단백질입니다. BjGRF의 예측 분자량 범위는 29.82 kDa(BjGRF19)에서 102.90 kDa(BjGRF28)까지이고, BjGRF 단백질의 불안정성 지수는 51.13(BjGRF08)에서 78.24(BjGRF19)까지이며, 모두 40보다 크며, 이는 지방산 지수가 43.65(BjGRF01)에서 78.78(BjGRF22)까지이며, 평균 친수성(GRAVY)은 -1.07(BjGRF31)에서 -0.45(BjGRF22)까지이며, 모든 친수성 BjGRF 단백질은 음의 GRAVY 값을 갖는데, 이는 잔류물에 의한 소수성 부족으로 인한 것일 수 있습니다. 세포 내 국소화 예측 결과, BjGRF로 인코딩된 31개의 단백질은 핵에, BjGRF04는 과산화물소체에, BjGRF25는 세포질에, BjGRF28은 엽록체에 위치하는 것으로 나타났습니다(표 1). 이는 BjGRF가 핵에 위치하여 전사 인자로서 중요한 조절 역할을 할 수 있음을 시사합니다.
다양한 종의 GRF 패밀리에 대한 계통학적 분석은 유전자 기능 연구에 도움이 될 수 있습니다. 따라서 유채 35개, 순무 16개, 벼 12개, 기장 10개, 아라비돕시스 9개 GRF의 전장 아미노산 서열을 다운로드하고, 확인된 34개의 BjGRF 유전자를 기반으로 계통수를 구축했습니다(그림 1). 세 하위 패밀리는 구성원 수가 다릅니다. 116개의 GRF TF는 세 개의 다른 하위 패밀리(그룹 A~C)로 나뉘며, 각각 59(50.86%), 34(29.31%), 23(19.83)%의 GRF를 포함합니다. 그중 34개의 BjGRF 패밀리 구성원은 세 개의 하위 패밀리에 분산되어 있습니다. 그룹 A에 13개(38.24%), 그룹 B에 12개(35.29%), 그룹 C에 9개(26.47%)의 구성원이 있습니다. 겨자 다배체화 과정에서 각 아과(subfamily)의 BjGRFs 유전자 수가 다르며, 이는 유전자 증폭 및 소실이 발생했을 가능성을 시사합니다. C군에서는 벼와 기장 GRF의 분포가 없는 반면, B군에서는 벼 GRF가 2개, 기장 GRF가 1개 존재하며, 대부분의 벼와 기장 GRF가 한 가지에 모여 있다는 점은 BjGRF가 쌍떡잎식물과 밀접한 관련이 있음을 시사합니다. 그중에서도 애기장대에서 GRF 기능에 대한 가장 심층적인 연구는 BjGRF 기능 연구의 기반을 제공합니다.
Brassica napus, Brassica napus, 벼, 기장 및 Arabidopsis thaliana GRF 계열에 속하는 겨자의 계통수.
머스타드 GRF 계열의 반복 유전자 분석. 배경의 회색 선은 머스타드 유전체의 동기화된 블록을 나타내고, 빨간색 선은 BjGRF 유전자의 한 쌍의 분절된 반복 서열을 나타냅니다.
네 번째 잎 단계에서 가뭄 스트레스 하의 BjGRF 유전자 발현. qRT-PCR 데이터는 보충 표 S5에 제시되어 있습니다. 데이터의 유의미한 차이는 소문자로 표시했습니다.
지구 기후가 지속적으로 변화함에 따라 작물이 가뭄 스트레스에 어떻게 대처하고 내성 기전을 개선하는지에 대한 연구가 중요한 연구 주제가 되었습니다.18 가뭄 후에는 식물의 형태적 구조, 유전자 발현 및 대사 과정이 변화하여 광합성이 중단되고 대사 장애가 발생하여 작물의 수확량과 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.19,20,21 식물은 가뭄 신호를 감지하면 Ca2+와 포스파티딜이노시톨과 같은 2차 전달물질을 생성하여 세포 내 칼슘 이온 농도를 증가시키고 단백질 인산화 경로의 조절 네트워크를 활성화합니다.22,23 최종 표적 단백질은 세포 방어에 직접적으로 관여하거나 전사인자(TF)를 통해 관련 스트레스 유전자의 발현을 조절하여 식물의 스트레스 내성을 향상시킵니다.24,25 따라서 전사인자는 가뭄 스트레스 반응에 중요한 역할을 합니다. 가뭄 스트레스 반응 전사인자의 서열 및 DNA 결합 특성에 따라 전사인자는 GRF, ERF, MYB, WRKY 및 기타 계열로 구분할 수 있습니다.26
GRF 유전자 계열은 생장, 발달, 신호 전달 및 식물 방어 반응과 같은 다양한 측면에서 중요한 역할을 하는 식물 특이적 TF 유형입니다.27. O. sativa에서 최초의 GRF 유전자가 확인된 이후28, 점점 더 많은 GRF 유전자가 많은 종에서 확인되었으며 식물 생장, 발달 및 스트레스 반응에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다8, 29, 30, 31, 32. Brassica juncea 유전체 서열이 발표되면서 BjGRF 유전자 계열의 식별이 가능해졌습니다33. 이 연구에서는 전체 겨자 유전체에서 34개의 BjGRF 유전자를 확인하고 염색체 위치를 기반으로 BjGRF01–BjGRF34로 명명했습니다. 이들 모두는 고도로 보존된 QLQ 및 WRC 도메인을 포함합니다. 물리화학적 특성을 분석한 결과 BjGRF 단백질(BjGRF28 제외)의 아미노산 수와 분자량 차이는 유의하지 않아 BjGRF 계열 구성원이 유사한 기능을 가질 수 있음을 시사합니다. 유전자 구조 분석 결과, BjGRF 유전자의 64.7%가 4개의 엑손을 포함하는 것으로 나타났는데, 이는 BjGRF 유전자 구조가 진화 과정에서 비교적 보존되어 있음을 시사하지만, BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28, BjGRF29 유전자의 엑손 수가 더 많음을 보여줍니다. 연구에 따르면 엑손이나 인트론의 추가 또는 삭제는 유전자 구조와 기능에 차이를 초래하여 새로운 유전자를 생성할 수 있습니다34,35,36. 따라서 BjGRF의 인트론이 진화 과정에서 소실되어 유전자 기능에 변화를 일으킬 수 있다고 추측합니다. 또한 기존 연구와 일치하게 인트론의 수가 유전자 발현과 관련이 있음을 발견했습니다. 유전자의 인트론 수가 많으면 유전자는 다양한 불리한 요인에 빠르게 반응할 수 있습니다.
유전자 중복은 유전체 및 유전자 진화의 주요 요인입니다37. 관련 연구에 따르면 유전자 중복은 GRF 유전자의 수를 증가시킬 뿐만 아니라 식물이 다양한 불리한 환경 조건에 적응하도록 돕는 새로운 유전자를 생성하는 수단으로도 작용합니다38. 본 연구에서는 총 48쌍의 중복 유전자 쌍이 발견되었으며, 이는 모두 분절 중복으로, 분절 중복이 이 유전자 군의 유전자 수를 증가시키는 주요 메커니즘임을 시사합니다. 문헌에 따르면 분절 중복은 애기장대와 딸기에서 GRF 유전자 군의 구성원의 증폭을 효과적으로 촉진할 수 있으며, 이 유전자 군의 탠덤 중복은 어떤 종에서도 발견되지 않았습니다27,39. 본 연구의 결과는 애기장대와 딸기 군에 대한 기존 연구 결과와 일치하며, GRF 군이 다양한 식물에서 분절 중복을 통해 유전자 수를 증가시키고 새로운 유전자를 생성할 수 있음을 시사합니다.
이 연구에서는 겨자에서 총 34개의 BjGRF 유전자를 확인하여 3개의 하위 패밀리로 나누었습니다. 이 유전자들은 유사한 보존된 모티프와 유전자 구조를 보였습니다. 공선성 분석 결과 겨자에서 48쌍의 분절 중복이 나타났습니다. BjGRF 프로모터 영역에는 빛 반응, 호르몬 반응, 환경 스트레스 반응, 생장 및 발달과 관련된 cis-작용 요소가 포함되어 있습니다. 34개의 BjGRF 유전자의 발현은 겨자 묘목 단계(뿌리, 줄기, 잎)에서 검출되었고, 10개의 BjGRF 유전자의 발현 패턴은 가뭄 조건에서 검출되었습니다. 가뭄 스트레스에서 BjGRF 유전자의 발현 패턴은 유사했으며 유사할 가능성이 있습니다. 가뭄에 대한 관여 조절을 강요합니다. BjGRF03 및 BjGRF32 유전자는 가뭄 스트레스에서 긍정적인 조절 역할을 할 수 있으며, BjGRF06 및 BjGRF23은 miR396 표적 유전자로서 가뭄 스트레스에서 역할을 합니다. 전반적으로, 본 연구는 양배추과 식물에서 BjGRF 유전자 기능에 대한 향후 발견을 위한 생물학적 기초를 제공합니다.
본 실험에 사용된 겨자씨는 구이저우 농업과학원 구이저우 유지종자연구소에서 제공받았습니다. 씨앗을 통째로 채취하여 토양(기질:토양 = 3:1)에 심고, 4엽기 이후 뿌리, 줄기, 잎을 채취했습니다. 식물체는 가뭄을 시뮬레이션하기 위해 20% PEG 6000으로 처리했으며, 잎은 0, 3, 6, 12, 24시간 후에 채취했습니다. 모든 식물체 시료는 액체질소에 즉시 동결시킨 후, 다음 실험을 위해 -80°C 냉동고에 보관했습니다.
이 연구를 통해 얻거나 분석한 모든 데이터는 출판된 논문과 보충 정보 파일에 포함되어 있습니다.
게시 시간: 2025년 1월 22일