La répartition saisonnière des précipitations dans la province du Guizhou est irrégulière, avec des précipitations plus abondantes au printemps et en été. Cependant, les jeunes plants de colza sont sensibles au stress hydrique en automne et en hiver, ce qui affecte gravement les rendements. La moutarde est une oléagineuse particulière, principalement cultivée dans la province du Guizhou. Elle présente une forte tolérance à la sécheresse et peut être cultivée en zones montagneuses. Elle constitue une riche source de gènes de résistance à la sécheresse. La découverte de ces gènes est cruciale pour l'amélioration des variétés de moutarde et l'innovation en matière de ressources génétiques. La famille GRF joue un rôle essentiel dans la croissance et le développement des plantes, ainsi que dans leur réponse au stress hydrique. À ce jour, des gènes GRF ont été identifiés chez Arabidopsis thaliana2, le riz (Oryza sativa12), le colza13, le cotonnier (Gossypium hirsutum14), le blé (Triticum aestivum15), le mil (Setaria italica16) et le genre Brassica17, mais aucun gène GRF n'a été détecté chez la moutarde. Dans cette étude, les gènes de la famille GRF chez la moutarde ont été identifiés à l'échelle du génome et leurs caractéristiques physico-chimiques, leurs relations évolutives, leur homologie, leurs motifs conservés, leur structure, leurs duplications, leurs éléments cis et leur expression au stade plantule (stade quatre feuilles) ont été analysés. Les profils d'expression en conditions de stress hydrique ont été analysés de manière exhaustive afin de fournir une base scientifique pour des études ultérieures sur la fonction potentielle des gènes BjGRF dans la réponse à la sécheresse et d'identifier des gènes candidats pour la sélection de variétés de moutarde tolérantes à la sécheresse.
Trente-quatre gènes BjGRF ont été identifiés dans le génome de Brassica juncea par deux recherches HMMER. Tous contiennent les domaines QLQ et WRC. Les séquences CDS des gènes BjGRF identifiés sont présentées dans le tableau supplémentaire S1. Les gènes BjGRF01 à BjGRF34 sont nommés en fonction de leur localisation chromosomique. Les propriétés physico-chimiques de cette famille indiquent une grande variabilité de la longueur des protéines, allant de 261 acides aminés (BjGRF19) à 905 acides aminés (BjGRF28). Le point isoélectrique des BjGRF varie de 6,19 (BjGRF02) à 9,35 (BjGRF03), avec une moyenne de 8,33. 88,24 % des BjGRF sont des protéines basiques. La gamme de poids moléculaire prédite de BjGRF est de 29,82 kDa (BjGRF19) à 102,90 kDa (BjGRF28) ; l'indice d'instabilité des protéines BjGRF varie de 51,13 (BjGRF08) à 78,24 (BjGRF19), tous supérieurs à 40, indiquant que l'indice d'acides gras varie de 43,65 (BjGRF01) à 78,78 (BjGRF22), l'hydrophilie moyenne (GRAVY) varie de -1,07 (BjGRF31) à -0,45 (BjGRF22), toutes les protéines BjGRF hydrophiles ont des valeurs GRAVY négatives, ce qui peut être dû au manque d'hydrophobicité causé par les résidus. La prédiction de localisation subcellulaire a montré que 31 protéines codées par BjGRF pouvaient être localisées dans le noyau, BjGRF04 pouvait être localisée dans les peroxysomes, BjGRF25 pouvait être localisée dans le cytoplasme et BjGRF28 pouvait être localisée dans les chloroplastes (Tableau 1), indiquant que les BjGRF peuvent être localisés dans le noyau et jouer un rôle régulateur important en tant que facteur de transcription.
L'analyse phylogénétique des familles GRF chez différentes espèces peut contribuer à l'étude des fonctions géniques. Ainsi, les séquences complètes d'acides aminés de 35 GRF de colza, 16 de navet, 12 de riz, 10 de millet et 9 d'Arabidopsis ont été téléchargées et un arbre phylogénétique a été construit à partir de 34 gènes BjGRF identifiés (Fig. 1). Les trois sous-familles contiennent un nombre différent de membres ; 116 facteurs de transcription GRF sont répartis en trois sous-familles (groupes A à C), représentant respectivement 59 % (50,86 %), 34 % (29,31 %) et 23 % (19,83 %) des GRF. Parmi eux, 34 membres de la famille BjGRF sont répartis dans ces trois sous-familles : 13 dans le groupe A (38,24 %), 12 dans le groupe B (35,29 %) et 9 dans le groupe C (26,47 %). Au cours de la polyploïdisation de la moutarde, le nombre de gènes BjGRF varie selon les sous-familles, et des amplifications et pertes de gènes ont pu se produire. Il est à noter que les GRF du riz et du millet sont absents du groupe C, tandis que le groupe B comprend deux GRF du riz et un GRF du millet. De plus, la plupart des GRF du riz et du millet sont regroupés dans une même branche, ce qui indique une forte parenté des BjGRF avec les dicotylédones. Parmi ces gènes, les études les plus approfondies sur la fonction des GRF chez Arabidopsis thaliana constituent un fondement essentiel pour les études fonctionnelles des BjGRF.
Arbre phylogénétique de la moutarde incluant Brassica napus, Brassica napus, le riz, le millet et les membres de la famille GRF d'Arabidopsis thaliana.
Analyse des gènes répétitifs de la famille GRF de la moutarde. La ligne grise en arrière-plan représente un bloc synchronisé dans le génome de la moutarde, la ligne rouge représente une paire de répétitions segmentées du gène BjGRF ;
Expression du gène BjGRF en conditions de stress hydrique au stade de la quatrième feuille. Les données de qRT-PCR sont présentées dans le tableau supplémentaire S5. Les différences significatives sont indiquées par des lettres minuscules.
Face aux changements climatiques mondiaux, l'étude des mécanismes d'adaptation des cultures au stress hydrique et l'amélioration de leur tolérance constituent un sujet de recherche majeur18. Après une sécheresse, la structure morphologique, l'expression génique et les processus métaboliques des plantes se modifient, pouvant entraîner l'arrêt de la photosynthèse et des perturbations métaboliques, affectant ainsi le rendement et la qualité des récoltes19,20,21. Lorsque les plantes perçoivent des signaux de sécheresse, elles produisent des seconds messagers tels que le Ca2+ et le phosphatidylinositol, augmentent la concentration intracellulaire d'ions calcium et activent le réseau de régulation de la voie de phosphorylation des protéines22,23. La protéine cible finale est directement impliquée dans la défense cellulaire ou régule l'expression des gènes de stress associés via des facteurs de transcription (FT), renforçant ainsi la tolérance des plantes au stress24,25. Les FT jouent donc un rôle crucial dans la réponse au stress hydrique. Selon leur séquence et leurs propriétés de liaison à l'ADN, les FT sensibles au stress hydrique peuvent être classés en différentes familles, telles que GRF, ERF, MYB, WRKY et d'autres26.
La famille de gènes GRF est un type de facteur de transcription (TF) spécifique aux plantes, jouant un rôle important dans divers processus tels que la croissance, le développement, la transduction du signal et les réponses de défense des plantes27. Depuis l'identification du premier gène GRF chez Oryza sativa28, de nombreux autres gènes GRF ont été identifiés chez diverses espèces et il a été démontré qu'ils influencent la croissance, le développement et la réponse au stress chez les plantes8, 29, 30, 31, 32. La publication de la séquence du génome de Brassica juncea a permis l'identification de la famille de gènes BjGRF33. Dans cette étude, 34 gènes BjGRF ont été identifiés dans le génome complet de la moutarde et nommés BjGRF01 à BjGRF34 en fonction de leur position chromosomique. Tous contiennent des domaines QLQ et WRC hautement conservés. L'analyse des propriétés physico-chimiques a montré que les différences de nombre d'acides aminés et de masse moléculaire des protéines BjGRF (à l'exception de BjGRF28) n'étaient pas significatives, suggérant que les membres de la famille BjGRF pourraient avoir des fonctions similaires. L'analyse de la structure des gènes a révélé que 64,7 % des gènes BjGRF contenaient 4 exons, indiquant une conservation relative de leur structure au cours de l'évolution. Cependant, les gènes BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 et BjGRF29 présentent un nombre d'exons plus élevé. Des études ont montré que l'ajout ou la suppression d'exons ou d'introns peut induire des différences de structure et de fonction géniques, et ainsi générer de nouveaux gènes34,35,36. Par conséquent, nous supposons que l'intron du gène BjGRF a été perdu au cours de l'évolution, ce qui pourrait expliquer les modifications de sa fonction. Conformément aux études existantes, nous avons également constaté une corrélation entre le nombre d'introns et l'expression génique. Un gène contenant un grand nombre d'introns est capable de réagir rapidement à divers facteurs défavorables.
La duplication génique est un facteur majeur de l'évolution génomique et génétique37. Des études connexes ont montré que la duplication génique augmente non seulement le nombre de gènes GRF, mais sert également à générer de nouveaux gènes permettant aux plantes de s'adapter à diverses conditions environnementales défavorables38. Au total, 48 paires de gènes dupliqués ont été identifiées dans cette étude ; il s'agissait exclusivement de duplications segmentaires, ce qui indique que ces duplications constituent le principal mécanisme d'augmentation du nombre de gènes de cette famille. La littérature rapporte que la duplication segmentaire peut favoriser efficacement l'amplification des membres de la famille de gènes GRF chez Arabidopsis et le fraisier, et aucune duplication en tandem de cette famille de gènes n'a été observée chez aucune de ces espèces27,39. Les résultats de cette étude concordent avec les études existantes sur les familles de gènes GRF chez Arabidopsis thaliana et le fraisier, suggérant que la famille GRF peut augmenter le nombre de gènes et générer de nouveaux gènes par duplication segmentaire chez différentes plantes.
Dans cette étude, 34 gènes BjGRF ont été identifiés chez la moutarde et répartis en 3 sous-familles. Ces gènes présentent des motifs conservés et des structures géniques similaires. L'analyse de colinéarité a révélé 48 paires de duplications de segments chez la moutarde. La région promotrice de BjGRF contient des éléments cis-régulateurs associés à la réponse à la lumière, aux hormones, au stress environnemental, ainsi qu'à la croissance et au développement. L'expression des 34 gènes BjGRF a été détectée au stade plantule de moutarde (racines, tiges, feuilles), et le profil d'expression de 10 gènes BjGRF a été étudié en conditions de sécheresse. Les profils d'expression des gènes BjGRF en conditions de stress hydrique sont similaires et pourraient être impliqués dans la régulation par forçage radiatif induit par la sécheresse. Les gènes BjGRF03 et BjGRF32 pourraient jouer un rôle de régulation positive en réponse au stress hydrique, tandis que BjGRF06 et BjGRF23 agiraient en tant que gènes cibles de miR396. Globalement, notre étude fournit une base biologique pour la découverte future de la fonction du gène BjGRF chez les plantes Brassicacées.
Les graines de moutarde utilisées dans cette expérience provenaient de l'Institut de recherche sur les oléagineux du Guizhou, relevant de l'Académie des sciences agricoles du Guizhou. Les graines entières ont été sélectionnées et semées dans un substrat (ratio substrat/sol = 3:1). Les racines, les tiges et les feuilles ont été récoltées au stade quatre feuilles. Les plantes ont été traitées avec une solution de PEG 6000 à 20 % pour simuler la sécheresse, et les feuilles ont été prélevées après 0, 3, 6, 12 et 24 heures. Tous les échantillons végétaux ont été immédiatement congelés dans de l'azote liquide, puis conservés à -80 °C pour les tests ultérieurs.
Toutes les données obtenues ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans l'article publié et dans les fichiers d'informations supplémentaires.
Date de publication : 22 janvier 2025