కరువు పరిస్థితులలో ఆవాల పెరుగుదల నియంత్రణ కారకాల జన్యువు-వ్యాప్త గుర్తింపు మరియు వ్యక్తీకరణ విశ్లేషణ

గ్వీజౌ ప్రావిన్స్‌లో వర్షపాతం యొక్క కాలానుగుణ పంపిణీ అసమానంగా ఉంటుంది, వసంత మరియు వేసవి కాలాల్లో ఎక్కువ వర్షపాతం ఉంటుంది, కానీ ఆవాల నారు మొక్కలు శరదృతువు మరియు శీతాకాలంలో కరువు ఒత్తిడికి గురవుతాయి, ఇది దిగుబడిని తీవ్రంగా ప్రభావితం చేస్తుంది. ఆవాలు గ్వీజౌ ప్రావిన్స్‌లో ప్రధానంగా పండించే ఒక ప్రత్యేక నూనె గింజల పంట. దీనికి బలమైన కరువును తట్టుకునే శక్తి ఉంది మరియు దీనిని పర్వత ప్రాంతాలలో పండించవచ్చు. ఇది కరువును తట్టుకునే జన్యువులకు ఒక గొప్ప వనరు. ఆవాల రకాల అభివృద్ధికి మరియు జన్యుద్రవ్య వనరులలో ఆవిష్కరణలకు కరువును తట్టుకునే జన్యువుల ఆవిష్కరణ అత్యంత కీలకం. మొక్కల పెరుగుదల మరియు అభివృద్ధిలో మరియు కరువు ఒత్తిడికి ప్రతిస్పందనలో GRF కుటుంబం కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది. ప్రస్తుతం, అరాబిడోప్సిస్ 2, వరి (ఒరైజా సటైవా) 12, ఆవాలు 13, పత్తి (గోస్సిపియం హిర్సుటమ్) 14, గోధుమ (ట్రిటికమ్ ఏస్టివమ్)15, సజ్జ (సెటేరియా ఇటాలికా)16 మరియు బ్రాసికా17 లలో GRF జన్యువులు కనుగొనబడ్డాయి, కానీ ఆవాలలో GRF జన్యువులు కనుగొనబడినట్లు ఎటువంటి నివేదికలు లేవు. ఈ అధ్యయనంలో, ఆవాల యొక్క GRF కుటుంబ జన్యువులను జీనోమ్-వ్యాప్త స్థాయిలో గుర్తించి, వాటి భౌతిక మరియు రసాయన లక్షణాలు, పరిణామ సంబంధాలు, హోమోలజీ, సంరక్షించబడిన మోటిఫ్‌లు, జన్యు నిర్మాణం, జన్యు నకలులు, సిస్-ఎలిమెంట్స్ మరియు మొలక దశ (నాలుగు ఆకుల దశ) విశ్లేషించబడ్డాయి. కరువు ప్రతిస్పందనలో BjGRF జన్యువుల సంభావ్య విధిపై తదుపరి అధ్యయనాలకు శాస్త్రీయ ఆధారాన్ని అందించడానికి మరియు కరువును తట్టుకునే ఆవాల పెంపకానికి అభ్యర్థి జన్యువులను అందించడానికి, కరువు ఒత్తిడి కింద వ్యక్తీకరణ నమూనాలు సమగ్రంగా విశ్లేషించబడ్డాయి.
రెండు HMMER శోధనలను ఉపయోగించి బ్రాసికా జున్సియా జన్యువులో ముప్పై నాలుగు BjGRF జన్యువులు గుర్తించబడ్డాయి, వీటన్నింటిలో QLQ మరియు WRC డొమైన్‌లు ఉన్నాయి. గుర్తించబడిన BjGRF జన్యువుల CDS క్రమాలు అనుబంధ పట్టిక S1లో ప్రదర్శించబడ్డాయి. BjGRF01–BjGRF34 లకు క్రోమోజోమ్‌పై వాటి స్థానం ఆధారంగా పేర్లు పెట్టబడ్డాయి. ఈ కుటుంబం యొక్క భౌతిక రసాయన లక్షణాలు అమైనో ఆమ్ల పొడవు చాలా వైవిధ్యంగా ఉందని సూచిస్తున్నాయి, ఇది 261 aa (BjGRF19) నుండి 905 aa (BjGRF28) వరకు ఉంటుంది. BjGRF యొక్క ఐసోఎలక్ట్రిక్ పాయింట్ 6.19 (BjGRF02) నుండి 9.35 (BjGRF03) వరకు ఉంటుంది, దీని సగటు 8.33, మరియు BjGRFలో 88.24% ఒక క్షార ప్రోటీన్. BjGRF యొక్క అంచనా వేయబడిన అణుభార పరిధి 29.82 kDa (BjGRF19) నుండి 102.90 kDa (BjGRF28) వరకు ఉంటుంది; BjGRF ప్రోటీన్ల అస్థిరత్వ సూచిక 51.13 (BjGRF08) నుండి 78.24 (BjGRF19) వరకు ఉంటుంది, ఇవన్నీ 40 కంటే ఎక్కువ, ఇది కొవ్వు ఆమ్ల సూచిక 43.65 (BjGRF01) నుండి 78.78 (BjGRF22) వరకు ఉంటుందని సూచిస్తుంది, సగటు జలాకర్షణ (GRAVY) -1.07 (BjGRF31) నుండి -0.45 (BjGRF22) వరకు ఉంటుంది, అన్ని జలాకర్షణ BjGRF ప్రోటీన్లు ప్రతికూల GRAVY విలువలను కలిగి ఉంటాయి, ఇది అవశేషాల వల్ల కలిగే జలవికర్షణ లేకపోవడం వల్ల కావచ్చు. ఉపకణ స్థానికీకరణ అంచనా ప్రకారం 31 BjGRF ఎన్‌కోడ్ చేయబడిన ప్రోటీన్‌లు కేంద్రకంలో, BjGRF04 పెరాక్సిసోమ్‌లలో, BjGRF25 సైటోప్లాజంలో మరియు BjGRF28 క్లోరోప్లాస్ట్‌లలో స్థానికీకరించబడతాయని తేలింది (పట్టిక 1). ఇది BjGRFలు కేంద్రకంలో స్థానికీకరించబడి, ట్రాన్స్‌క్రిప్షన్ ఫ్యాక్టర్‌గా ఒక ముఖ్యమైన నియంత్రణ పాత్రను పోషిస్తాయని సూచిస్తుంది.
వివిధ జాతులలోని GRF కుటుంబాల ఫైలోజెనెటిక్ విశ్లేషణ జన్యువుల విధులను అధ్యయనం చేయడానికి సహాయపడుతుంది. అందువల్ల, 35 రేప్‌సీడ్, 16 టర్నిప్, 12 వరి, 10 మిల్లెట్ మరియు 9 అరాబిడోప్సిస్ GRFల పూర్తి-నిడివి అమైనో ఆమ్ల శ్రేణులను డౌన్‌లోడ్ చేసి, గుర్తించిన 34 BjGRF జన్యువుల ఆధారంగా ఒక ఫైలోజెనెటిక్ వృక్షాన్ని నిర్మించారు (పటం 1). ఈ మూడు ఉపకుటుంబాలలో వేర్వేరు సంఖ్యలో సభ్యులు ఉన్నారు; 116 GRF TFలు మూడు వేర్వేరు ఉపకుటుంబాలుగా (గ్రూపులు A~C) విభజించబడ్డాయి, వీటిలో వరుసగా 59 (50.86%), 34 (29.31%) మరియు 23 (19.83)% GRFలు ఉన్నాయి. వాటిలో, 34 BjGRF కుటుంబ సభ్యులు 3 ఉపకుటుంబాలలో విస్తరించి ఉన్నారు: గ్రూప్ Aలో 13 సభ్యులు (38.24%), గ్రూప్ Bలో 12 సభ్యులు (35.29%) మరియు గ్రూప్ Cలో 9 సభ్యులు (26.47%). ఆవాల బహుగుణీకరణ ప్రక్రియలో, వివిధ ఉపకుటుంబాలలో BjGRFs జన్యువుల సంఖ్య భిన్నంగా ఉంటుంది, మరియు జన్యు విస్తరణ మరియు నష్టం జరిగి ఉండవచ్చు. గమనించదగ్గ విషయం ఏమిటంటే, గ్రూప్ Cలో వరి మరియు జొన్న GRFల పంపిణీ లేదు, అయితే గ్రూప్ Bలో 2 వరి GRFలు మరియు 1 జొన్న GRF ఉన్నాయి, మరియు చాలా వరకు వరి మరియు జొన్న GRFలు ఒకే శాఖలో సమూహంగా ఉన్నాయి, ఇది BjGRFలు ద్విదళ మొక్కలకు దగ్గరి సంబంధం కలిగి ఉన్నాయని సూచిస్తుంది. వాటిలో, అరాబిడోప్సిస్ థాలియానాలో GRF పనితీరుపై జరిగిన అత్యంత లోతైన అధ్యయనాలు BjGRFల క్రియాత్మక అధ్యయనాలకు ఒక ఆధారాన్ని అందిస్తాయి.
బ్రాసికా నాపస్, వరి, మిల్లెట్ మరియు అరాబిడోప్సిస్ థాలియానా GRF కుటుంబ సభ్యులతో సహా ఆవాల యొక్క ఫైలోజెనెటిక్ వృక్షం.
ఆవాల GRF కుటుంబంలోని పునరావృత జన్యువుల విశ్లేషణ. నేపథ్యంలోని బూడిద రంగు గీత ఆవాల జన్యువులోని ఒక సమకాలీకరించబడిన భాగాన్ని సూచిస్తుంది, ఎరుపు గీత BjGRF జన్యువు యొక్క విభజిత పునరావృతాల జతను సూచిస్తుంది;
నాలుగవ ఆకు దశలో కరువు ఒత్తిడి కింద BjGRF జన్యు వ్యక్తీకరణ. qRT-PCR డేటా అనుబంధ పట్టిక S5లో చూపబడింది. డేటాలోని ముఖ్యమైన తేడాలు చిన్న అక్షరాలతో సూచించబడ్డాయి.
ప్రపంచ వాతావరణం నిరంతరం మారుతున్నందున, పంటలు కరువు ఒత్తిడిని ఎలా తట్టుకుంటాయో అధ్యయనం చేయడం మరియు వాటి తట్టుకునే యంత్రాంగాలను మెరుగుపరచడం ఒక ముఖ్యమైన పరిశోధనా అంశంగా మారింది¹⁸. కరువు తర్వాత, మొక్కల స్వరూప నిర్మాణం, జన్యు వ్యక్తీకరణ మరియు జీవక్రియ ప్రక్రియలు మారుతాయి, ఇది కిరణజన్య సంయోగక్రియ నిలిచిపోవడానికి మరియు జీవక్రియలో అవాంతరాలకు దారితీయవచ్చు, తద్వారా పంటల దిగుబడి మరియు నాణ్యత ప్రభావితమవుతాయి¹⁹,²⁰,²¹. మొక్కలు కరువు సంకేతాలను గ్రహించినప్పుడు, అవి Ca²⁺ మరియు ఫాస్ఫాటిడైల్ ఇనోసిటాల్ వంటి ద్వితీయ దూతలను ఉత్పత్తి చేస్తాయి, కణంలోని కాల్షియం అయాన్ సాంద్రతను పెంచుతాయి మరియు ప్రోటీన్ ఫాస్ఫోరైలేషన్ మార్గం యొక్క నియంత్రణ వ్యవస్థను ఉత్తేజపరుస్తాయి²²,²³. అంతిమ లక్ష్య ప్రోటీన్ నేరుగా కణ రక్షణలో పాల్గొంటుంది లేదా ట్రాన్స్‌క్రిప్షన్ ఫ్యాక్టర్ల (TFs) ద్వారా సంబంధిత ఒత్తిడి జన్యువుల వ్యక్తీకరణను నియంత్రిస్తుంది, తద్వారా ఒత్తిడికి మొక్క యొక్క తట్టుకునే శక్తిని పెంచుతుంది²⁴,²⁵. అందువల్ల, కరువు ఒత్తిడికి ప్రతిస్పందించడంలో TFs కీలక పాత్ర పోషిస్తాయి. కరువు ఒత్తిడికి ప్రతిస్పందించే TFs యొక్క క్రమం మరియు DNA బంధన లక్షణాల ప్రకారం, TFsను GRF, ERF, MYB, WRKY మరియు ఇతర కుటుంబాలుగా విభజించవచ్చు²⁶.
GRF జన్యు కుటుంబం అనేది ఒక రకమైన మొక్క-నిర్దిష్ట ట్రాన్స్‌క్రిప్షన్ ఫ్యాక్టర్ (TF), ఇది పెరుగుదల, అభివృద్ధి, సంకేత ప్రసారం మరియు మొక్కల రక్షణ ప్రతిస్పందనలు వంటి వివిధ అంశాలలో ముఖ్యమైన పాత్రలను పోషిస్తుంది27. O. sativa28లో మొదటి GRF జన్యువును గుర్తించినప్పటి నుండి, అనేక జాతులలో మరిన్ని GRF జన్యువులు గుర్తించబడ్డాయి మరియు అవి మొక్కల పెరుగుదల, అభివృద్ధి మరియు ఒత్తిడి ప్రతిస్పందనను ప్రభావితం చేస్తాయని చూపబడింది8, 29, 30,31,32. బ్రాసికా జున్సియా జన్యు శ్రేణి ప్రచురణతో, BjGRF జన్యు కుటుంబాన్ని గుర్తించడం సాధ్యమైంది33. ఈ అధ్యయనంలో, మొత్తం ఆవాల జన్యువులో 34 BjGRF జన్యువులు గుర్తించబడ్డాయి మరియు వాటి క్రోమోజోమ్ స్థానం ఆధారంగా BjGRF01–BjGRF34 అని నామకరణం చేయబడ్డాయి. వాటన్నింటిలో అత్యంత సంరక్షించబడిన QLQ మరియు WRC డొమైన్‌లు ఉన్నాయి. భౌతిక రసాయన లక్షణాల విశ్లేషణలో, BjGRF ప్రోటీన్‌ల (BjGRF28 మినహా) అమైనో ఆమ్ల సంఖ్యలు మరియు అణు భారాలలో తేడాలు గణనీయంగా లేవని తేలింది, ఇది BjGRF కుటుంబ సభ్యులు సారూప్య విధులను కలిగి ఉండవచ్చని సూచిస్తుంది. జన్యు నిర్మాణ విశ్లేషణలో 64.7% BjGRF జన్యువులలో 4 ఎక్సాన్‌లు ఉన్నాయని తేలింది, ఇది పరిణామక్రమంలో BjGRF జన్యు నిర్మాణం సాపేక్షంగా స్థిరంగా ఉందని సూచిస్తుంది, కానీ BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 మరియు BjGRF29 జన్యువులలో ఎక్సాన్‌ల సంఖ్య ఎక్కువగా ఉంది. ఎక్సాన్‌లు లేదా ఇంట్రాన్‌లను చేర్చడం లేదా తొలగించడం వల్ల జన్యు నిర్మాణం మరియు పనితీరులో తేడాలు ఏర్పడతాయని, తద్వారా కొత్త జన్యువులు సృష్టించబడతాయని అధ్యయనాలు చూపించాయి34,35,36. అందువల్ల, పరిణామక్రమంలో BjGRF యొక్క ఇంట్రాన్ కోల్పోయిందని, ఇది జన్యు పనితీరులో మార్పులకు కారణం కావచ్చని మేము ఊహిస్తున్నాము. ఇప్పటికే ఉన్న అధ్యయనాలకు అనుగుణంగా, ఇంట్రాన్‌ల సంఖ్య జన్యు వ్యక్తీకరణతో సంబంధం కలిగి ఉందని కూడా మేము కనుగొన్నాము. ఒక జన్యువులో ఇంట్రాన్‌ల సంఖ్య ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, ఆ జన్యువు వివిధ ప్రతికూల కారకాలకు త్వరగా స్పందించగలదు.
జన్యు నకలు అనేది జన్యుసంబంధ మరియు జన్యు పరిణామంలో ఒక ప్రధాన అంశం37. సంబంధిత అధ్యయనాలు జన్యు నకలు GRF జన్యువుల సంఖ్యను పెంచడమే కాకుండా, మొక్కలు వివిధ ప్రతికూల పర్యావరణ పరిస్థితులకు అనుగుణంగా మారడానికి సహాయపడే కొత్త జన్యువులను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఒక సాధనంగా కూడా పనిచేస్తుందని చూపించాయి38. ఈ అధ్యయనంలో మొత్తం 48 నకలు జన్యు జతలు కనుగొనబడ్డాయి, అవన్నీ ఖండ నకలులే. ఇది ఈ కుటుంబంలో జన్యువుల సంఖ్యను పెంచడానికి ఖండ నకలులే ప్రధాన యంత్రాంగం అని సూచిస్తుంది. అరాబిడోప్సిస్ మరియు స్ట్రాబెర్రీలలో GRF జన్యు కుటుంబ సభ్యుల విస్తరణను ఖండ నకలు సమర్థవంతంగా ప్రోత్సహించగలదని సాహిత్యంలో నివేదించబడింది, మరియు ఏ జాతిలోనూ ఈ జన్యు కుటుంబం యొక్క టెండెమ్ నకలు కనుగొనబడలేదు27,39. ఈ అధ్యయనం యొక్క ఫలితాలు అరాబిడోప్సిస్ థాలియానా మరియు స్ట్రాబెర్రీ కుటుంబాలపై ఉన్న అధ్యయనాలతో స్థిరంగా ఉన్నాయి, ఇది GRF కుటుంబం వివిధ మొక్కలలో ఖండ నకలు ద్వారా జన్యువుల సంఖ్యను పెంచగలదని మరియు కొత్త జన్యువులను ఉత్పత్తి చేయగలదని సూచిస్తుంది.
ఈ అధ్యయనంలో, ఆవాలలో మొత్తం 34 BjGRF జన్యువులు గుర్తించబడ్డాయి, వీటిని 3 ఉపకుటుంబాలుగా విభజించారు. ఈ జన్యువులు సారూప్య సంరక్షిత మూలాంశాలు మరియు జన్యు నిర్మాణాలను ప్రదర్శించాయి. సహరేఖీయత విశ్లేషణలో ఆవాలలో 48 జతల ఖండాల నకలులు వెల్లడయ్యాయి. BjGRF ప్రమోటర్ ప్రాంతం కాంతి ప్రతిస్పందన, హార్మోన్ల ప్రతిస్పందన, పర్యావరణ ఒత్తిడి ప్రతిస్పందన, మరియు పెరుగుదల మరియు అభివృద్ధికి సంబంధించిన సిస్-యాక్టింగ్ మూలకాలను కలిగి ఉంటుంది. 34 BjGRF జన్యువుల వ్యక్తీకరణను ఆవాల మొలక దశలో (వేర్లు, కాండాలు, ఆకులు) మరియు 10 BjGRF జన్యువుల వ్యక్తీకరణ సరళిని కరువు పరిస్థితులలో గుర్తించారు. కరువు ఒత్తిడిలో BjGRF జన్యువుల వ్యక్తీకరణ సరళులు సారూప్యంగా ఉన్నాయని మరియు కరువును ప్రేరేపించే నియంత్రణలో సారూప్య పాత్రను కలిగి ఉండవచ్చని కనుగొనబడింది. BjGRF03 మరియు BjGRF32 జన్యువులు కరువు ఒత్తిడిలో సానుకూల నియంత్రణ పాత్రలను పోషించవచ్చు, అయితే BjGRF06 మరియు BjGRF23, miR396 లక్ష్య జన్యువులుగా కరువు ఒత్తిడిలో పాత్ర పోషిస్తాయి. మొత్తం మీద, బ్రాసికేసియే మొక్కలలో BjGRF జన్యువు యొక్క పనితీరును భవిష్యత్తులో కనుగొనడానికి మా అధ్యయనం ఒక జీవశాస్త్రపరమైన ఆధారాన్ని అందిస్తుంది.
ఈ ప్రయోగంలో ఉపయోగించిన ఆవాల గింజలను గ్వైజౌ ఆయిల్ సీడ్ రీసెర్చ్ ఇన్‌స్టిట్యూట్, గ్వైజౌ అకాడమీ ఆఫ్ అగ్రికల్చరల్ సైన్సెస్ వారు అందించారు. పూర్తి గింజలను ఎంచుకుని వాటిని మట్టిలో నాటండి (నేల:మట్టి = 3:1), మరియు నాలుగు ఆకుల దశ తర్వాత వేర్లు, కాండాలు మరియు ఆకులను సేకరించండి. కరువును అనుకరించడానికి మొక్కలకు 20% PEG 6000తో చికిత్స చేశారు, మరియు 0, 3, 6, 12 మరియు 24 గంటల తర్వాత ఆకులను సేకరించారు. అన్ని మొక్కల నమూనాలను వెంటనే ద్రవ నత్రజనిలో గడ్డకట్టించి, ఆపై తదుపరి పరీక్ష కోసం -80°C ఫ్రీజర్‌లో నిల్వ చేశారు.
ఈ అధ్యయనంలో పొందిన లేదా విశ్లేషించిన డేటా అంతా ప్రచురించిన వ్యాసంలో మరియు అనుబంధ సమాచార ఫైళ్ళలో చేర్చబడింది.