வறட்சி நிலைகளில் கடுகு வளர்ச்சி ஒழுங்குபடுத்தும் காரணிகளின் மரபணு முழுமையான அடையாளம் காணல் மற்றும் வெளிப்பாட்டுப் பகுப்பாய்வு

குய்ஜோ மாகாணத்தில் மழைப்பொழிவின் பருவகாலப் பரவல் சீரற்றதாக உள்ளது; வசந்த மற்றும் கோடை காலங்களில் அதிக மழைப்பொழிவு காணப்படுகிறது. ஆனால், இலையுதிர் மற்றும் குளிர்காலங்களில் கடுகு நாற்றுகள் வறட்சியால் எளிதில் பாதிக்கப்பட்டு, மகசூலைக் கடுமையாகப் பாதிக்கின்றன. கடுகு என்பது குய்ஜோ மாகாணத்தில் முக்கியமாகப் பயிரிடப்படும் ஒரு சிறப்பு எண்ணெய் வித்துப் பயிராகும். இது வறட்சியைத் தாங்கும் வலுவான திறனைக் கொண்டுள்ளது மற்றும் மலைப்பகுதிகளிலும் பயிரிடப்படலாம். இது வறட்சியைத் தாங்கும் மரபணுக்களின் வளமான ஆதாரமாகும். கடுகு வகைகளின் மேம்பாட்டிற்கும், மரபணு வளங்களில் புதுமைகளைப் புகுத்துவதற்கும் வறட்சியைத் தாங்கும் மரபணுக்களைக் கண்டறிவது மிகவும் முக்கியத்துவம் வாய்ந்தது. GRF குடும்பம் தாவரங்களின் வளர்ச்சி மற்றும் மேம்பாட்டிலும், வறட்சி அழுத்தத்திற்கு அவை காட்டும் எதிர்வினையிலும் ஒரு முக்கியப் பங்காற்றுகிறது. தற்போது, ​​GRF மரபணுக்கள் அரபிடாப்சிஸ்², அரிசி (ஓரைசா சடைவா)¹², கடுகு¹³, பருத்தி (காசிப்பியம் ஹிர்சுட்டம்)¹⁴, கோதுமை (டிரிடிகம் ஏஸ்டிவம்)¹⁵, கம்பு (செட்டேரியா இட்டாலிகா)¹⁶ மற்றும் பிராசிகா¹⁷ ஆகியவற்றில் கண்டறியப்பட்டுள்ளன, ஆனால் கடுகில் GRF மரபணுக்கள் கண்டறியப்பட்டதாக எந்த அறிக்கைகளும் இல்லை. இந்த ஆய்வில், கடுகுச் செடியின் GRF குடும்ப மரபணுக்கள் முழு மரபணுத்தொகுதி மட்டத்தில் அடையாளம் காணப்பட்டு, அவற்றின் இயற்பியல் மற்றும் வேதியியல் பண்புகள், பரிணாம உறவுகள், ஒருமைப்பாடு, பாதுகாக்கப்பட்ட மையக்கருக்கள், மரபணு அமைப்பு, மரபணு இரட்டிப்புகள், சிஸ்-கூறுகள் மற்றும் நாற்றுப் பருவம் (நான்கு இலைப் பருவம்) ஆகியவை பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்டன. வறட்சிக்கு எதிரான துலங்கலில் BjGRF மரபணுக்களின் சாத்தியமான செயல்பாடு குறித்த மேலதிக ஆய்வுகளுக்கு ஒரு அறிவியல் அடிப்படையை வழங்குவதற்கும், வறட்சியைத் தாங்கும் கடுகுச் செடிகளை இனப்பெருக்கம் செய்வதற்கான சாத்தியமான மரபணுக்களை வழங்குவதற்கும், வறட்சி அழுத்தத்தின் கீழ் அவற்றின் வெளிப்பாட்டு முறைகள் விரிவாகப் பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்டன.
இரண்டு HMMER தேடல்களைப் பயன்படுத்தி பிராசிகா ஜுன்சியா மரபணுத்தொகுதியில் முப்பத்தி நான்கு BjGRF மரபணுக்கள் அடையாளம் காணப்பட்டன; இவை அனைத்தும் QLQ மற்றும் WRC டொமைன்களைக் கொண்டுள்ளன. அடையாளம் காணப்பட்ட BjGRF மரபணுக்களின் CDS வரிசைகள் துணை அட்டவணை S1-இல் வழங்கப்பட்டுள்ளன. BjGRF01–BjGRF34 ஆகியவை குரோமோசோமில் அவற்றின் இருப்பிடத்தின் அடிப்படையில் பெயரிடப்பட்டுள்ளன. இந்த குடும்பத்தின் இயற்பியல்-வேதியியல் பண்புகள், அமினோ அமில நீளம் 261 aa (BjGRF19) முதல் 905 aa (BjGRF28) வரை மிகவும் மாறுபடும் என்பதைக் காட்டுகின்றன. BjGRF-இன் ஐசோஎலக்ட்ரிக் புள்ளி 6.19 (BjGRF02) முதல் 9.35 (BjGRF03) வரை உள்ளது, இதன் சராசரி 8.33 ஆகும், மேலும் BjGRF-இல் 88.24% ஒரு காரப் புரதமாகும். BjGRF-இன் கணிக்கப்பட்ட மூலக்கூறு எடை வரம்பு 29.82 kDa (BjGRF19) முதல் 102.90 kDa (BjGRF28) வரை உள்ளது; BjGRF புரதங்களின் நிலைத்தன்மையின்மை குறியீடு 51.13 (BjGRF08) முதல் 78.24 (BjGRF19) வரை உள்ளது, இவை அனைத்தும் 40-ஐ விட அதிகமாக உள்ளன. கொழுப்பு அமிலக் குறியீடு 43.65 (BjGRF01) முதல் 78.78 (BjGRF22) வரை இருப்பதையும், சராசரி நீர்நாட்டம் (GRAVY) -1.07 (BjGRF31) முதல் -0.45 (BjGRF22) வரை இருப்பதையும் இது குறிக்கிறது. நீர்நாட்டம் கொண்ட அனைத்து BjGRF புரதங்களும் எதிர்மறை GRAVY மதிப்புகளைக் கொண்டுள்ளன, இது எச்சங்களால் ஏற்படும் நீர்வெறுப்புத்தன்மையின்மையால் இருக்கலாம். உட்கல இருப்பிடக் கணிப்பின்படி, 31 BjGRF குறியிடப்பட்ட புரதங்கள் உட்கருவிலும், BjGRF04 பெராக்ஸிசோம்களிலும், BjGRF25 சைட்டோபிளாசத்திலும், மற்றும் BjGRF28 பசுங்கணிகங்களிலும் அமைந்திருக்கக்கூடும் (அட்டவணை 1). இது, BjGRF-கள் உட்கருவில் அமைந்திருக்கக்கூடும் என்பதையும், ஒரு படியெடுத்தல் காரணியாக ஒரு முக்கிய ஒழுங்குமுறைப் பங்கை ஆற்றக்கூடும் என்பதையும் சுட்டிக்காட்டுகிறது.
வெவ்வேறு இனங்களில் உள்ள GRF குடும்பங்களின் மரபுவழிப் பகுப்பாய்வு, மரபணு செயல்பாடுகளைப் பற்றி ஆய்வு செய்ய உதவும். எனவே, 35 ராப்சீட், 16 டர்னிப், 12 அரிசி, 10 தினை மற்றும் 9 அரபிடாப்சிஸ் GRF-களின் முழு நீள அமினோ அமில வரிசைகள் பதிவிறக்கம் செய்யப்பட்டு, அடையாளம் காணப்பட்ட 34 BjGRF மரபணுக்களை அடிப்படையாகக் கொண்டு ஒரு மரபுவழி மரம் உருவாக்கப்பட்டது (படம் 1). மூன்று துணைக் குடும்பங்களும் வெவ்வேறு எண்ணிக்கையிலான உறுப்பினர்களைக் கொண்டுள்ளன; 116 GRF TF-கள் மூன்று வெவ்வேறு துணைக் குடும்பங்களாக (குழுக்கள் A~C) பிரிக்கப்பட்டுள்ளன, அவை முறையே 59 (50.86%), 34 (29.31%) மற்றும் 23 (19.83)% GRF-களைக் கொண்டுள்ளன. அவற்றுள், 34 BjGRF குடும்ப உறுப்பினர்கள் 3 துணைக் குடும்பங்களில் பரவியுள்ளனர்: குழு A-வில் 13 உறுப்பினர்கள் (38.24%), குழு B-வில் 12 உறுப்பினர்கள் (35.29%) மற்றும் குழு C-வில் 9 உறுப்பினர்கள் (26.47%). கடுகு பல்படியாதலின் செயல்பாட்டில், வெவ்வேறு துணைக்குடும்பங்களில் உள்ள BjGRF மரபணுக்களின் எண்ணிக்கை வேறுபடுகிறது, மேலும் மரபணுப் பெருக்கமும் இழப்பும் ஏற்பட்டிருக்கலாம். குழு C-இல் நெல் மற்றும் தினை GRF-களின் பரவல் இல்லை என்பதும், அதே சமயம் குழு B-இல் 2 நெல் GRF-களும் 1 தினை GRF-ம் உள்ளன என்பதும், மேலும் பெரும்பாலான நெல் மற்றும் தினை GRF-கள் ஒரே கிளையில் தொகுக்கப்பட்டுள்ளன என்பதும் குறிப்பிடத்தக்கது. இது BjGRF-கள் இருவித்திலைத் தாவரங்களுடன் நெருங்கிய தொடர்புடையவை என்பதைக் காட்டுகிறது. அவற்றுள், அரபிடாப்சிஸ் தாலியானாவில் GRF-இன் செயல்பாடு குறித்த மிக ஆழமான ஆய்வுகள், BjGRF-களின் செயல்பாட்டு ஆய்வுகளுக்கு ஒரு அடிப்படையை வழங்குகின்றன.
பிராசிகா நாபஸ், அரிசி, தினை மற்றும் அரபிடாப்சிஸ் தாலியானா ஜிஆர்எஃப் குடும்ப உறுப்பினர்கள் உள்ளிட்ட கடுகு வகையின் இனவளர்ச்சி மரம்.
கடுகு GRF குடும்பத்தில் உள்ள மீண்டும் மீண்டும் வரும் மரபணுக்களின் பகுப்பாய்வு. பின்னணியில் உள்ள சாம்பல் கோடு கடுகு மரபணுத்தொகுதியில் உள்ள ஒரு ஒத்திசைக்கப்பட்ட தொகுதியையும், சிவப்பு கோடு BjGRF மரபணுவின் ஒரு ஜோடி பிரிக்கப்பட்ட மீள்நிகழ்வுகளையும் குறிக்கிறது;
நான்காவது இலைப்பருவத்தில் வறட்சி அழுத்தத்தின் கீழ் BjGRF மரபணு வெளிப்பாடு. qRT-PCR தரவுகள் துணை அட்டவணை S5-இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. தரவுகளில் உள்ள குறிப்பிடத்தக்க வேறுபாடுகள் சிற்றெழுத்துக்களால் குறிக்கப்பட்டுள்ளன.
உலகளாவிய காலநிலை தொடர்ந்து மாறி வருவதால், வறட்சி அழுத்தத்தை பயிர்கள் எவ்வாறு சமாளிக்கின்றன என்பதைப் படிப்பது மற்றும் அவற்றின் சகிப்புத்தன்மை வழிமுறைகளை மேம்படுத்துவது ஒரு முக்கிய ஆராய்ச்சித் தலைப்பாக மாறியுள்ளது¹⁸. வறட்சிக்குப் பிறகு, தாவரங்களின் உருவவியல் அமைப்பு, மரபணு வெளிப்பாடு மற்றும் வளர்சிதை மாற்ற செயல்முறைகள் மாறும், இது ஒளிச்சேர்க்கை நிறுத்தம் மற்றும் வளர்சிதை மாற்றக் கோளாறுக்கு வழிவகுக்கும், இதனால் பயிர்களின் விளைச்சல் மற்றும் தரம் பாதிக்கப்படும்¹⁹,²⁰,²¹. தாவரங்கள் வறட்சி சமிக்ஞைகளை உணரும்போது, ​​அவை Ca²⁺ மற்றும் பாஸ்பாடிடைல்இனோசிட்டால் போன்ற இரண்டாம் நிலை தூதுவர்களை உற்பத்தி செய்து, உயிரணுக்களுக்குள் கால்சியம் அயனி செறிவை அதிகரித்து, புரத பாஸ்போரிலேஷன் பாதையின் ஒழுங்குமுறை வலையமைப்பை செயல்படுத்துகின்றன²²,²³. இறுதி இலக்கு புரதம் நேரடியாக உயிரணு பாதுகாப்பில் ஈடுபடுகிறது அல்லது டிரான்ஸ்கிரிப்ஷன் காரணிகள் (TFs) மூலம் தொடர்புடைய அழுத்த மரபணுக்களின் வெளிப்பாட்டை ஒழுங்குபடுத்துகிறது, இது அழுத்தத்திற்கு தாவரத்தின் சகிப்புத்தன்மையை மேம்படுத்துகிறது²⁴,²⁵. இவ்வாறு, வறட்சி அழுத்தத்திற்கு பதிலளிப்பதில் டிரான்ஸ்கிரிப்ஷன் காரணிகள் (TFs) ஒரு முக்கிய பங்கு வகிக்கின்றன. வறட்சி அழுத்தத்திற்கு பதிலளிக்கும் டிரான்ஸ்கிரிப்ஷன் காரணிகளின் வரிசை மற்றும் டிஎன்ஏ பிணைப்பு பண்புகளின்படி, டிரான்ஸ்கிரிப்ஷன் காரணிகளை GRF, ERF, MYB, WRKY மற்றும் பிற குடும்பங்கள் போன்ற வெவ்வேறு குடும்பங்களாகப் பிரிக்கலாம்²⁶.
GRF மரபணு குடும்பம் என்பது ஒரு வகை தாவர-குறிப்பிட்ட டிரான்ஸ்கிரிப்ஷன் காரணி (TF) ஆகும், இது வளர்ச்சி, மேம்பாடு, சமிக்ஞை கடத்தல் மற்றும் தாவர பாதுகாப்பு எதிர்வினைகள் போன்ற பல்வேறு அம்சங்களில் முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது²⁷. O. sativa²⁸-வில் முதல் GRF மரபணு அடையாளம் காணப்பட்டதிலிருந்து, மேலும் மேலும் GRF மரபணுக்கள் பல இனங்களில் அடையாளம் காணப்பட்டு, அவை தாவர வளர்ச்சி, மேம்பாடு மற்றும் அழுத்த எதிர்வினையை பாதிப்பதாகக் காட்டப்பட்டுள்ளன⁸,²⁹,³⁰,³¹,³². Brassica juncea மரபணு வரிசை வெளியிடப்பட்டதன் மூலம், BjGRF மரபணு குடும்பத்தை அடையாளம் காண்பது சாத்தியமானது³³. இந்த ஆய்வில், முழு கடுகு மரபணுத்தொகுதியிலும் 34 BjGRF மரபணுக்கள் அடையாளம் காணப்பட்டு, அவற்றின் குரோமோசோம் நிலையின் அடிப்படையில் BjGRF01–BjGRF³⁴ எனப் பெயரிடப்பட்டன. அவை அனைத்தும் மிகவும் பாதுகாக்கப்பட்ட QLQ மற்றும் WRC டொமைன்களைக் கொண்டுள்ளன. இயற்பியல்-வேதியியல் பண்புகளின் பகுப்பாய்வு, BjGRF புரதங்களின் (BjGRF²⁸ தவிர) அமினோ அமில எண்கள் மற்றும் மூலக்கூறு எடைகளில் உள்ள வேறுபாடுகள் குறிப்பிடத்தக்கவை அல்ல என்பதைக் காட்டியது, இது BjGRF குடும்ப உறுப்பினர்கள் ஒத்த செயல்பாடுகளைக் கொண்டிருக்கலாம் என்பதைக் குறிக்கிறது. மரபணு அமைப்புப் பகுப்பாய்வில், 64.7% BjGRF மரபணுக்கள் 4 எக்ஸான்களைக் கொண்டிருப்பது தெரியவந்தது. இது, BjGRF மரபணுவின் அமைப்பு பரிணாமத்தில் ஒப்பீட்டளவில் மாறாமல் உள்ளது என்பதைக் குறிக்கிறது. ஆனால், BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 மற்றும் BjGRF29 மரபணுக்களில் எக்ஸான்களின் எண்ணிக்கை அதிகமாக உள்ளது. எக்ஸான்கள் அல்லது இன்ட்ரான்களைச் சேர்ப்பது அல்லது நீக்குவது மரபணுவின் அமைப்பு மற்றும் செயல்பாட்டில் வேறுபாடுகளை ஏற்படுத்தி, அதன் மூலம் புதிய மரபணுக்களை உருவாக்கும் என்று ஆய்வுகள் காட்டுகின்றன34,35,36. எனவே, பரிணாமத்தின் போது BjGRF-இன் இன்ட்ரான் இழக்கப்பட்டிருக்கலாம் என்றும், இது மரபணுவின் செயல்பாட்டில் மாற்றங்களை ஏற்படுத்தக்கூடும் என்றும் நாங்கள் ஊகிக்கிறோம். தற்போதுள்ள ஆய்வுகளுடன் ஒத்துப்போகும் வகையில், இன்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை மரபணு வெளிப்பாட்டுடன் தொடர்புடையது என்பதையும் நாங்கள் கண்டறிந்தோம். ஒரு மரபணுவில் இன்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை அதிகமாக இருக்கும்போது, ​​அந்த மரபணு பல்வேறு பாதகமான காரணிகளுக்கு விரைவாகப் பதிலளிக்க முடியும்.
மரபணு இரட்டித்தல் என்பது மரபணுத்தொகுதி மற்றும் மரபியல் பரிணாமத்தில் ஒரு முக்கிய காரணியாகும்³⁷. தொடர்புடைய ஆய்வுகள், மரபணு இரட்டித்தல் GRF மரபணுக்களின் எண்ணிக்கையை அதிகரிப்பது மட்டுமல்லாமல், பல்வேறு பாதகமான சுற்றுச்சூழல் நிலைமைகளுக்கு ஏற்ப தாவரங்கள் தங்களைத் தகவமைத்துக் கொள்ள உதவும் புதிய மரபணுக்களை உருவாக்குவதற்கான ஒரு வழியாகவும் செயல்படுகிறது என்பதைக் காட்டியுள்ளன³⁸. இந்த ஆய்வில் மொத்தம் 48 இரட்டிப்பு மரபணு ஜோடிகள் கண்டறியப்பட்டன, அவை அனைத்தும் பகுதி இரட்டிப்புகளாக இருந்தன. இது, இந்த மரபணு குடும்பத்தில் உள்ள மரபணுக்களின் எண்ணிக்கையை அதிகரிப்பதற்கான முக்கிய வழிமுறை பகுதி இரட்டிப்புகளே என்பதைக் குறிக்கிறது. அரபிடாப்சிஸ் மற்றும் ஸ்ட்ராபெர்ரியில் GRF மரபணு குடும்ப உறுப்பினர்களின் பெருக்கத்தை பகுதி இரட்டித்தல் திறம்பட ஊக்குவிக்கும் என்றும், இந்த மரபணு குடும்பத்தின் தொடர் இரட்டித்தல் எந்த இனத்திலும் காணப்படவில்லை என்றும் இலக்கியங்களில் தெரிவிக்கப்பட்டுள்ளது²⁷,³⁹. இந்த ஆய்வின் முடிவுகள், அரபிடாப்சிஸ் தாலியானா மற்றும் ஸ்ட்ராபெர்ரி குடும்பங்கள் குறித்த தற்போதைய ஆய்வுகளுடன் ஒத்துப்போகின்றன. இது, GRF குடும்பம் வெவ்வேறு தாவரங்களில் பகுதி இரட்டித்தல் மூலம் மரபணுக்களின் எண்ணிக்கையை அதிகரிக்கவும் புதிய மரபணுக்களை உருவாக்கவும் முடியும் என்று பரிந்துரைக்கிறது.
இந்த ஆய்வில், கடுகுச் செடியில் மொத்தம் 34 BjGRF மரபணுக்கள் அடையாளம் காணப்பட்டன, அவை 3 துணைக்குடும்பங்களாகப் பிரிக்கப்பட்டன. இந்த மரபணுக்கள் ஒத்த பாதுகாக்கப்பட்ட உருவமைப்புகளையும் மரபணு அமைப்புகளையும் காட்டின. நேர்கோட்டுப் பகுப்பாய்வு, கடுகுச் செடியில் 48 ஜோடி பகுதி இரட்டிப்புகள் இருப்பதைக் கண்டறிந்தது. BjGRF ஊக்குவிப்புப் பகுதியானது, ஒளி எதிர்வினை, ஹார்மோன் எதிர்வினை, சுற்றுச்சூழல் அழுத்த எதிர்வினை மற்றும் வளர்ச்சி மற்றும் மேம்பாடு ஆகியவற்றுடன் தொடர்புடைய சிஸ்-செயல்பாட்டுக் கூறுகளைக் கொண்டுள்ளது. 34 BjGRF மரபணுக்களின் வெளிப்பாடு கடுகு நாற்றுப் பருவத்தில் (வேர்கள், தண்டுகள், இலைகள்) கண்டறியப்பட்டது, மேலும் வறட்சி நிலைகளின் கீழ் 10 BjGRF மரபணுக்களின் வெளிப்பாட்டு முறை கண்டறியப்பட்டது. வறட்சி அழுத்தத்தின் கீழ் BjGRF மரபணுக்களின் வெளிப்பாட்டு முறைகள் ஒத்தவையாக இருப்பதும், வறட்சியைத் தூண்டும் ஒழுங்குமுறையில் ஒத்த ஈடுபாட்டைக் கொண்டிருக்கக்கூடும் என்பதும் கண்டறியப்பட்டது. BjGRF03 மற்றும் BjGRF32 மரபணுக்கள் வறட்சி அழுத்தத்தில் நேர்மறை ஒழுங்குமுறைப் பாத்திரங்களை வகிக்கக்கூடும், அதே நேரத்தில் BjGRF06 மற்றும் BjGRF23 ஆகியவை miR396 இலக்கு மரபணுக்களாக வறட்சி அழுத்தத்தில் பாத்திரங்களை வகிக்கின்றன. ஒட்டுமொத்தமாக, எங்கள் ஆய்வு பிராசிகேசி தாவரங்களில் BjGRF மரபணுவின் செயல்பாட்டை எதிர்காலத்தில் கண்டறிவதற்கான ஒரு உயிரியல் அடிப்படையை வழங்குகிறது.
இந்த ஆய்வில் பயன்படுத்தப்பட்ட கடுகு விதைகள், குய்ஜோ வேளாண் அறிவியல் கழகத்தின் குய்ஜோ எண்ணெய் வித்து ஆராய்ச்சி நிறுவனத்தால் வழங்கப்பட்டன. முழு விதைகளையும் தேர்ந்தெடுத்து, அவற்றை மண்ணில் (அடிமண்: மண் = 3:1) நடவும். நான்கு இலைகள் வந்த பிறகு, வேர்கள், தண்டுகள் மற்றும் இலைகளைச் சேகரிக்கவும். வறட்சியை உருவகப்படுத்த, தாவரங்களுக்கு 20% PEG 6000 கொண்டு சிகிச்சை அளிக்கப்பட்டது. பின்னர், 0, 3, 6, 12 மற்றும் 24 மணி நேரங்களுக்குப் பிறகு இலைகள் சேகரிக்கப்பட்டன. அனைத்து தாவர மாதிரிகளும் உடனடியாக திரவ நைட்ரஜனில் உறைய வைக்கப்பட்டு, அடுத்த சோதனைக்காக -80°C உறைவிப்பானில் சேமிக்கப்பட்டன.
இந்த ஆய்வின் போது பெறப்பட்ட அல்லது பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்ட அனைத்துத் தரவுகளும் வெளியிடப்பட்ட கட்டுரையிலும் துணைத் தகவல் கோப்புகளிலும் சேர்க்கப்பட்டுள்ளன.