Français La répartition saisonnière des précipitations dans la province du Guizhou est inégale, avec plus de précipitations au printemps et en été, mais les semis de colza sont sensibles au stress hydrique en automne et en hiver, ce qui affecte sérieusement le rendement. La moutarde est une culture oléagineuse spéciale principalement cultivée dans la province du Guizhou. Elle a une forte tolérance à la sécheresse et peut être cultivée dans les zones montagneuses. C'est une riche ressource en gènes de résistance à la sécheresse. La découverte de gènes de résistance à la sécheresse est d'une importance cruciale pour l'amélioration des variétés de moutarde et l'innovation dans les ressources génétiques. La famille GRF joue un rôle essentiel dans la croissance et le développement des plantes et dans la réponse au stress hydrique. À l'heure actuelle, des gènes GRF ont été trouvés chez Arabidopsis 2, le riz (Oryza sativa) 12, le colza 13, le coton (Gossypium hirsutum) 14, le blé (Triticum aestivum) 15, le millet perlé (Setaria italica) 16 et Brassica 17, mais il n'existe aucun rapport de gènes GRF détectés chez la moutarde. Dans cette étude, les gènes de la famille GRF de la moutarde ont été identifiés à l'échelle du génome et leurs caractéristiques physiques et chimiques, leurs relations évolutives, leur homologie, leurs motifs conservés, leur structure génétique, leurs duplications génétiques, leurs éléments cis et leur stade de plantule (stade quatre feuilles) ont été analysés. Les profils d'expression sous stress hydrique ont été analysés de manière exhaustive afin de fournir une base scientifique pour de futures études sur le rôle potentiel des gènes BjGRF dans la réponse à la sécheresse et de fournir des gènes candidats pour la sélection de moutardes tolérantes à la sécheresse.
Trente-quatre gènes BjGRF ont été identifiés dans le génome de Brassica juncea grâce à deux recherches HMMER, tous contenant 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 sur le chromosome. Les propriétés physicochimiques de cette famille indiquent une longueur d'acides aminés très variable, allant de 261 aa (BjGRF19) à 905 aa (BjGRF28). Le point isoélectrique de BjGRF varie de 6,19 (BjGRF02) à 9,35 (BjGRF03), avec une moyenne de 8,33, et 88,24 % de BjGRF est une protéine basique. La plage de poids moléculaire prévue 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 sont supérieurs à 40, indiquant que l'indice d'acide 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 la localisation subcellulaire a montré que 31 protéines codées par BjGRF pouvaient être localisées dans le noyau, BjGRF04 pouvait être localisé dans les peroxysomes, BjGRF25 pouvait être localisé dans le cytoplasme et BjGRF28 pouvait être localisé 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 de différentes espèces peut aider à étudier les fonctions des gènes. Par conséquent, 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 des nombres différents de membres ; 116 TF GRF sont divisés en trois sous-familles différentes (groupes A à C), contenant respectivement 59 (50,86 %), 34 (29,31 %) et 23 (19,83) % des GRF. Parmi eux, 34 membres de la famille BjGRF sont répartis dans 3 sous-familles : 13 membres dans le groupe A (38,24 %), 12 membres dans le groupe B (35,29 %) et 9 membres dans le groupe C (26,47 %). Au cours du processus de polyploïdisation de la moutarde, le nombre de gènes BjGRF varie selon les sous-familles, et une amplification et une perte de gènes peuvent avoir eu lieu. Il convient de noter qu'il n'y a pas de distribution de GRF du riz et du mil dans le groupe C, tandis qu'il y en a deux pour le riz et un pour le mil dans le groupe B. La plupart des GRF du riz et du mil sont regroupés dans une seule branche, ce qui indique que les BjGRF sont étroitement liés aux dicotylédones. Parmi elles, les études les plus approfondies sur la fonction des GRF chez Arabidopsis thaliana fournissent une base pour les études fonctionnelles des BjGRF.
Arbre phylogénétique de la moutarde comprenant Brassica napus, Brassica napus, riz, millet et membres de la famille Arabidopsis thaliana GRF.
Analyse des gènes répétitifs de la famille GRF de la moutarde. La ligne grise en arrière-plan représente un bloc synchronisé du génome de la moutarde, tandis que la ligne rouge représente une paire de répétitions segmentées du gène BjGRF.
Expression du gène BjGRF sous stress hydrique au stade de la quatrième feuille. Les données de qRT-PCR sont présentées dans le tableau supplémentaire S5. Les différences significatives entre les données sont indiquées par des lettres minuscules.
Alors que le climat mondial continue de changer, étudier comment les cultures font face au stress hydrique et améliorer leurs mécanismes de tolérance est devenu un sujet de recherche d'actualité18. Après une sécheresse, la structure morphologique, l'expression génétique et les processus métaboliques des plantes changent, ce qui peut entraîner l'arrêt de la photosynthèse et des perturbations métaboliques, affectant le rendement et la qualité des cultures19,20,21. Lorsque les plantes détectent les signaux de sécheresse, elles produisent des seconds messagers tels que le Ca2+ et le phosphatidylinositol, augmentent la concentration intracellulaire en 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 par l'intermédiaire des TF, améliorant ainsi la tolérance des plantes au stress24,25. Ainsi, les TF jouent un rôle crucial dans la réponse au stress hydrique. Selon la séquence et les propriétés de liaison à l'ADN des TF sensibles au stress hydrique, les TF peuvent être divisés en différentes familles, telles que GRF, ERF, MYB, WRKY et d'autres familles26.
Français La famille de gènes GRF est un type de TF spécifique aux plantes qui joue un rôle important dans divers aspects 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 O. sativa28, de plus en plus de gènes GRF ont été identifiés chez de nombreuses espèces et ont montré qu'ils affectaient la croissance, le développement et la réponse au stress des plantes8, 29, 30,31,32. Avec la publication de la séquence du génome de Brassica juncea, l'identification de la famille de gènes BjGRF est devenue possible33. Dans cette étude, 34 gènes BjGRF ont été identifiés dans l'ensemble du génome de la moutarde et nommés BjGRF01–BjGRF34 en fonction de leur position chromosomique. Tous contiennent des domaines QLQ et WRC hautement conservés. L'analyse des propriétés physicochimiques a montré que les différences dans le nombre d'acides aminés et les poids moléculaires des protéines BjGRF (à l'exception de BjGRF28) n'étaient pas significatives, indiquant que les membres de la famille BjGRF pourraient avoir des fonctions similaires. L'analyse de la structure génétique a montré que 64,7 % des gènes BjGRF contenaient 4 exons, ce qui indique que la structure du gène BjGRF est relativement conservée au cours de l'évolution, mais que le nombre d'exons dans les gènes BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 et BjGRF29 est plus important. Des études ont montré que l'ajout ou la suppression d'exons ou d'introns peut entraîner des différences dans la structure et la fonction des gènes, créant ainsi de nouveaux gènes34,35,36. Par conséquent, nous supposons que l'intron de BjGRF a été perdu au cours de l'évolution, ce qui pourrait entraîner des modifications de la fonction des gènes. Conformément aux études existantes, nous avons également constaté que le nombre d'introns était associé à l'expression des gènes. Lorsque le nombre d'introns dans un gène est élevé, le gène peut réagir rapidement à divers facteurs défavorables.
Français La duplication des gènes est un facteur majeur de l'évolution génomique et génétique37. Des études connexes ont montré que la duplication des gènes augmente non seulement le nombre de gènes GRF, mais sert également de moyen de générer de nouveaux gènes pour aider les plantes à s'adapter à diverses conditions environnementales défavorables38. Un total de 48 paires de gènes en double ont été trouvées dans cette étude, qui étaient toutes des duplications segmentaires, indiquant que les duplications segmentaires sont le principal mécanisme d'augmentation du nombre de gènes dans cette famille. Il a été rapporté dans la littérature que la duplication segmentaire peut efficacement favoriser l'amplification des membres de la famille des gènes GRF chez Arabidopsis et le fraisier, et aucune duplication en tandem de cette famille de gènes n'a été trouvée dans aucune des espèces27,39. Les résultats de cette étude sont cohérents avec les études existantes sur Arabidopsis thaliana et les familles de fraisiers, suggérant que la famille GRF peut augmenter le nombre de gènes et générer de nouveaux gènes par duplication segmentaire dans différentes plantes.
Français Dans cette étude, un total de 34 gènes BjGRF ont été identifiés chez la moutarde, qui ont été divisés en 3 sous-familles. Ces gènes ont montré 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 agissant en cis associés à la réponse à la lumière, à la réponse hormonale, à la réponse au stress environnemental, à la croissance et au développement. L'expression de 34 gènes BjGRF a été détectée au stade plantule de moutarde (racines, tiges, feuilles) et le profil d'expression de 10 gènes BjGRF dans des conditions de sécheresse. Il a été constaté que les profils d'expression des gènes BjGRF sous stress hydrique étaient similaires et pourraient être similaires. implication dans la régulation du forçage de la sécheresse. Les gènes BjGRF03 et BjGRF32 peuvent jouer des rôles régulateurs positifs dans le stress hydrique, tandis que BjGRF06 et BjGRF23 jouent un rôle dans le stress hydrique en tant que gènes cibles de miR396. Dans l’ensemble, notre étude fournit une base biologique pour la découverte future de la fonction du gène BjGRF dans les plantes Brassicaceae.
Les graines de moutarde utilisées dans cette expérience ont été fournies par l'Institut de recherche sur les graines oléagineuses du Guizhou, Académie des sciences agricoles du Guizhou. Sélectionnez les graines entières et plantez-les en terre (substrat : sol = 3:1), puis prélevez les racines, les tiges et les feuilles après le stade quatre feuilles. Les plantes ont été traitées avec 20 % de PEG 6000 pour simuler la sécheresse, et les feuilles ont été prélevées après 0, 3, 6, 12 et 24 heures. Tous les échantillons de plantes ont été immédiatement congelés dans de l'azote liquide, puis conservés au congélateur à -80 °C pour le test suivant.
Toutes les données obtenues ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans l’article publié et les fichiers d’informations supplémentaires.
Date de publication : 22 janvier 2025