구이저우성의 계절별 강수량 분포는 봄과 여름에 강수량이 집중되는 불균등한 양상을 보이지만, 유채 묘목은 가을과 겨울에 가뭄 스트레스에 취약하여 수확량에 심각한 영향을 미칩니다. 겨자는 구이저우성에서 주로 재배되는 특수한 유료작물로, 가뭄에 대한 내성이 강하고 산간 지역에서도 재배가 가능하며, 가뭄 저항성 유전자가 풍부한 작물입니다. 따라서 가뭄 저항성 유전자의 발견은 겨자 품종 개량 및 유전자원 혁신에 매우 중요합니다. GRF 유전자군은 식물의 생장 및 발달과 가뭄 스트레스 반응에 중요한 역할을 합니다. 현재까지 애기장대(Arabidopsis)2, 벼(Oryza sativa)12, 유채(Lasyse sativa)13, 목화(Gossypium hirsutum)14, 밀(Triticum aestivum)15, 진주조(Setaria italica)16, 배추(Brassica)17 등에서 GRF 유전자가 발견되었지만, 겨자에서는 아직 보고된 바가 없습니다. 본 연구에서는 겨자 GRF 패밀리 유전자를 게놈 전체 수준에서 동정하고, 이들의 물리화학적 특성, 진화적 관계, 상동성, 보존 모티프, 유전자 구조, 유전자 중복, 시스 요소 및 유묘기(4엽기) 발현 양상을 분석하였다. 가뭄 스트레스 조건에서의 발현 양상을 종합적으로 분석하여, BjGRF 유전자의 가뭄 반응에서의 잠재적 기능에 대한 추가 연구를 위한 과학적 근거를 제공하고, 가뭄 내성 겨자 품종 육종을 위한 후보 유전자를 제시하였다.
HMMER 검색을 두 번 수행하여 Brassica juncea 게놈에서 34개의 BjGRF 유전자를 확인했으며, 이들 모두 QLQ 및 WRC 도메인을 포함하고 있습니다. 확인된 BjGRF 유전자의 CDS 서열은 보충표 S1에 제시되어 있습니다. BjGRF01~BjGRF34는 염색체상의 위치에 따라 명명되었습니다. 이 패밀리의 물리화학적 특성을 분석한 결과, 아미노산 길이는 261개(BjGRF19)에서 905개(BjGRF28)까지 매우 다양했습니다. BjGRF의 등전점은 6.19(BjGRF02)에서 9.35(BjGRF03)까지 범위이며 평균값은 8.33입니다. 또한 BjGRF의 88.24%는 염기성 단백질입니다. BjGRF의 예측 분자량 범위는 29.82 kDa(BjGRF19)에서 102.90 kDa(BjGRF28)까지이며, BjGRF 단백질의 불안정성 지수는 51.13(BjGRF08)에서 78.24(BjGRF19)까지로 모두 40보다 크다. 이는 지방산 지수가 43.65(BjGRF01)에서 78.78(BjGRF22)까지, 평균 친수성(GRAVY)이 -1.07(BjGRF31)에서 -0.45(BjGRF22)까지 범위에 있음을 나타낸다. 모든 친수성 BjGRF 단백질은 음의 GRAVY 값을 가지는데, 이는 잔기로 인한 소수성 부족 때문일 수 있다. 세포 내 위치 예측 결과, 31개의 BjGRF 유전자에 의해 코딩된 단백질은 핵에, BjGRF04는 과산화소체에, BjGRF25는 세포질에, BjGRF28은 엽록체에 위치할 수 있는 것으로 나타났습니다(표 1). 이는 BjGRF가 핵에 위치하며 전사 인자로서 중요한 조절 역할을 수행할 수 있음을 시사합니다.
다양한 종에서 GRF 패밀리의 계통 발생 분석은 유전자 기능 연구에 도움이 될 수 있습니다. 따라서 유채 35개, 순무 16개, 벼 12개, 기장 10개, 그리고 애기장대 9개의 GRF의 전체 아미노산 서열을 다운로드하고, 확인된 34개의 BjGRF 유전자를 기반으로 계통 발생 트리를 구축했습니다(그림 1). 세 개의 하위 패밀리는 서로 다른 수의 구성원을 포함하고 있으며, 116개의 GRF 전사 인자는 각각 59개(50.86%), 34개(29.31%), 23개(19.83%)의 GRF를 포함하는 세 개의 하위 패밀리(그룹 A~C)로 나뉩니다. 이 중 34개의 BjGRF 패밀리 구성원은 세 개의 하위 패밀리에 걸쳐 분포되어 있으며, 그룹 A에 13개(38.24%), 그룹 B에 12개(35.29%), 그룹 C에 9개(26.47%)가 있습니다. 겨자 배수체화 과정에서 서로 다른 아과에 속하는 BjGRF 유전자의 수가 다르며, 유전자 증폭 및 소실이 발생했을 가능성이 있다. 주목할 만한 점은 C군에는 벼와 기장의 GRF가 분포하지 않는 반면, B군에는 벼 GRF 2개와 기장 GRF 1개가 존재하고, 대부분의 벼와 기장 GRF가 하나의 분지에 집중되어 있다는 것이다. 이는 BjGRF가 쌍떡잎식물과 밀접한 관련이 있음을 시사한다. 특히, 애기장대(Arabidopsis thaliana)에서 수행된 GRF 기능에 대한 심층적인 연구는 BjGRF의 기능 연구를 위한 기초를 제공한다.
겨자(Brassica napus), 쌀, 기장 및 Arabidopsis thaliana GRF 계열 구성원을 포함하는 계통 발생 트리.
겨자 GRF 계열의 반복 유전자 분석. 배경의 회색 선은 겨자 게놈의 동기화된 블록을 나타내고, 빨간색 선은 BjGRF 유전자의 분할된 반복 쌍을 나타냅니다.
4엽기 가뭄 스트레스 조건에서의 BjGRF 유전자 발현. qRT-PCR 데이터는 보충표 S5에 제시되어 있다. 데이터의 유의미한 차이는 소문자로 표시하였다.
지구 기후 변화가 지속됨에 따라 작물이 가뭄 스트레스에 어떻게 대처하고 내성 메커니즘을 개선하는지 연구하는 것이 중요한 연구 주제가 되었습니다.18 가뭄 후 식물의 형태 구조, 유전자 발현 및 대사 과정이 변화하여 광합성 중단 및 대사 장애를 초래하고 작물의 수확량과 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.19,20,21 식물은 가뭄 신호를 감지하면 Ca2+ 및 포스파티딜이노시톨과 같은 2차 신호 전달 물질을 생성하여 세포 내 칼슘 이온 농도를 증가시키고 단백질 인산화 경로의 조절 네트워크를 활성화합니다.22,23 최종 표적 단백질은 세포 방어에 직접 관여하거나 전사 인자(TF)를 통해 관련 스트레스 유전자의 발현을 조절하여 식물의 스트레스 내성을 향상시킵니다.24,25 따라서 전사 인자는 가뭄 스트레스 반응에 중요한 역할을 합니다. 가뭄 스트레스 반응 전사 인자는 서열 및 DNA 결합 특성에 따라 GRF, ERF, MYB, WRKY 및 기타 계열로 분류할 수 있습니다.26
GRF 유전자군은 식물 특이적 전사 인자(TF)의 한 유형으로, 생장, 발달, 신호 전달 및 식물 방어 반응과 같은 다양한 측면에서 중요한 역할을 합니다.27 최초의 GRF 유전자가 O. sativa에서 확인된 이후28, 점점 더 많은 종에서 GRF 유전자가 확인되었고, 이들이 식물의 생장, 발달 및 스트레스 반응에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다.8, 29, 30, 31, 32 Brassica juncea 게놈 서열이 발표되면서 BjGRF 유전자군의 확인이 가능해졌습니다.33 본 연구에서는 겨자 게놈 전체에서 34개의 BjGRF 유전자를 확인하고 염색체 위치에 따라 BjGRF01~BjGRF34로 명명했습니다. 이들 모두는 고도로 보존된 QLQ 및 WRC 도메인을 포함하고 있습니다. 물리화학적 특성 분석 결과, BjGRF 단백질(BjGRF28 제외)의 아미노산 수와 분자량에는 유의미한 차이가 없었으며, 이는 BjGRF 계열 구성원들이 유사한 기능을 수행할 가능성을 시사합니다. 유전자 구조 분석 결과, BjGRF 유전자의 64.7%가 4개의 엑손을 포함하고 있는 것으로 나타나 BjGRF 유전자 구조가 진화 과정에서 비교적 잘 보존되어 있음을 보여주지만, BjGRF10, BjGRF16, BjGRF28 및 BjGRF29 유전자에서는 엑손 수가 더 많은 것으로 나타났습니다. 기존 연구에 따르면 엑손이나 인트론의 추가 또는 삭제는 유전자 구조와 기능의 변화를 초래하여 새로운 유전자를 생성할 수 있습니다.34,35,36 따라서, BjGRF의 인트론이 진화 과정에서 소실되었을 가능성이 있으며, 이는 유전자 기능의 변화를 야기했을 수 있다고 추측합니다. 기존 연구와 일치하게, 본 연구에서도 인트론 수가 유전자 발현과 관련이 있음을 발견했습니다. 유전자 내 인트론 수가 많을수록 해당 유전자는 다양한 불리한 환경 요인에 빠르게 반응할 수 있습니다.
유전자 복제는 게놈 및 유전적 진화의 주요 요인입니다.37 관련 연구에 따르면 유전자 복제는 GRF 유전자 수를 증가시킬 뿐만 아니라 식물이 다양한 불리한 환경 조건에 적응하는 데 도움이 되는 새로운 유전자를 생성하는 수단으로도 작용합니다.38 본 연구에서는 총 48쌍의 복제 유전자를 발견했는데, 모두 부분 복제였으며, 이는 부분 복제가 이 유전자 계열에서 유전자 수를 증가시키는 주요 메커니즘임을 시사합니다. 기존 문헌에 따르면 부분 복제는 애기장대와 딸기에서 GRF 유전자 계열 구성원의 증폭을 효과적으로 촉진할 수 있으며, 어떤 종에서도 이 유전자 계열의 연속 복제는 발견되지 않았습니다.27,39 본 연구 결과는 애기장대와 딸기 유전자 계열에 대한 기존 연구와 일치하며, GRF 계열이 다양한 식물에서 부분 복제를 통해 유전자 수를 증가시키고 새로운 유전자를 생성할 수 있음을 시사합니다.
본 연구에서는 겨자에서 총 34개의 BjGRF 유전자를 동정하였으며, 이들은 3개의 하위 패밀리로 분류되었다. 이들 유전자는 유사한 보존 모티프와 유전자 구조를 보였다. 상동성 분석 결과, 겨자에서 48쌍의 유전자 서열 중복이 확인되었다. BjGRF 프로모터 영역에는 광 반응, 호르몬 반응, 환경 스트레스 반응, 생장 및 발달과 관련된 시스 작용 요소들이 포함되어 있다. 34개의 BjGRF 유전자의 발현을 겨자 유묘 단계(뿌리, 줄기, 잎)에서 분석하였고, 10개의 BjGRF 유전자에 대해서는 가뭄 조건에서의 발현 양상을 조사하였다. 가뭄 스트레스 조건에서 BjGRF 유전자들의 발현 양상은 유사하였으며, 가뭄 강제 조절에 관여할 가능성이 있다. BjGRF03과 BjGRF32 유전자는 가뭄 스트레스에 대한 양성 조절 역할을 할 수 있으며, BjGRF06과 BjGRF23은 miR396의 표적 유전자로서 가뭄 스트레스에 관여할 수 있다. 종합적으로, 본 연구는 향후 배추과 식물에서 BjGRF 유전자 기능 규명을 위한 생물학적 기반을 제공한다.
본 실험에 사용된 겨자씨는 구이저우성 농업과학원 구이저우성 유지종자연구소에서 제공받았습니다. 씨앗을 모두 선별하여 토양에 파종하고(배양토:토양 = 3:1), 잎이 네 장 나온 후 뿌리, 줄기, 잎을 채취했습니다. 식물에 20% PEG 6000을 처리하여 가뭄을 모사하였고, 처리 후 0, 3, 6, 12, 24시간 후에 잎을 채취했습니다. 모든 식물 시료는 즉시 액체 질소에 동결시킨 후 다음 실험을 위해 -80°C 냉동고에 보관했습니다.
본 연구에서 얻거나 분석한 모든 데이터는 출판된 논문과 부록 자료에 포함되어 있습니다.
게시 시간: 2025년 1월 22일