દુષ્કાળની સ્થિતિમાં સરસવના વિકાસ નિયમન પરિબળોની જીનોમ-વ્યાપી ઓળખ અને અભિવ્યક્તિ વિશ્લેષણ

ગુઇઝોઉ પ્રાંતમાં વરસાદનું મોસમી વિતરણ અસમાન છે, વસંત અને ઉનાળામાં વધુ વરસાદ પડે છે, પરંતુ રેપસીડ રોપાઓ પાનખર અને શિયાળામાં દુષ્કાળના તણાવ માટે સંવેદનશીલ હોય છે, જે ઉપજને ગંભીર અસર કરે છે. સરસવ એ ખાસ તેલીબિયાંનો પાક છે જે મુખ્યત્વે ગુઇઝોઉ પ્રાંતમાં ઉગાડવામાં આવે છે. તેમાં દુષ્કાળ સહનશીલતા મજબૂત છે અને તે પર્વતીય વિસ્તારોમાં ઉગાડી શકાય છે. તે દુષ્કાળ-પ્રતિરોધક જનીનોનો સમૃદ્ધ સ્ત્રોત છે. સરસવની જાતોના સુધારણા અને જર્મપ્લાઝમ સંસાધનોમાં નવીનતા માટે દુષ્કાળ-પ્રતિરોધક જનીનોની શોધ ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે. GRF પરિવાર છોડના વિકાસ અને વિકાસ અને દુષ્કાળના તણાવના પ્રતિભાવમાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. હાલમાં, GRF જનીનો Arabidopsis 2, ચોખા (Oryza sativa) 12, rapeseed 13, કપાસ (Gossypium hirsutum) 14, ઘઉં (Triticum). aestivum)15, મોતી બાજરી (Setaria italica)16 અને Brassica17 માં મળી આવ્યા છે, પરંતુ સરસવમાં GRF જનીનો મળી આવ્યા હોવાના કોઈ અહેવાલ નથી. આ અભ્યાસમાં, સરસવના GRF પરિવારના જનીનોને જીનોમ-વ્યાપી સ્તરે ઓળખવામાં આવ્યા હતા અને તેમની ભૌતિક અને રાસાયણિક લાક્ષણિકતાઓ, ઉત્ક્રાંતિ સંબંધો, હોમોલોજી, સંરક્ષિત રૂપરેખાઓ, જનીન માળખું, જનીન ડુપ્લિકેશન, cis-તત્વો અને બીજ તબક્કો (ચાર-પાંદડાનો તબક્કો) નું વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું. દુષ્કાળના પ્રતિભાવમાં BjGRF જનીનોના સંભવિત કાર્ય પર વધુ અભ્યાસ માટે વૈજ્ઞાનિક આધાર પૂરો પાડવા અને દુષ્કાળ-સહિષ્ણુ સરસવના સંવર્ધન માટે ઉમેદવાર જનીનો પૂરા પાડવા માટે દુષ્કાળના તણાવ હેઠળ અભિવ્યક્તિ પેટર્નનું વ્યાપક વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું.
બે HMMER શોધનો ઉપયોગ કરીને બ્રાસિકા જુન્સિયા જીનોમમાં ચોત્રીસ BjGRF જનીનો ઓળખવામાં આવ્યા હતા, જે બધા QLQ અને WRC ડોમેન્સ ધરાવે છે. ઓળખાયેલા BjGRF જનીનોના CDS સિક્વન્સ પૂરક કોષ્ટક S1 માં રજૂ કરવામાં આવ્યા છે. BjGRF01–BjGRF34 રંગસૂત્ર પરના તેમના સ્થાનના આધારે નામ આપવામાં આવ્યું છે. આ પરિવારના ભૌતિક-રાસાયણિક ગુણધર્મો સૂચવે છે કે એમિનો એસિડ લંબાઈ ખૂબ જ ચલ છે, જે 261 aa (BjGRF19) થી 905 aa (BjGRF28) સુધીની છે. BjGRF નો આઇસોઇલેક્ટ્રિક બિંદુ 6.19 (BjGRF02) થી 9.35 (BjGRF03) સુધીનો છે જેની સરેરાશ 8.33 છે, અને BjGRF નો 88.24% મૂળભૂત પ્રોટીન છે. BjGRF ની અનુમાનિત પરમાણુ વજન શ્રેણી 29.82 kDa (BjGRF19) થી 102.90 kDa (BjGRF28) છે; BjGRF પ્રોટીનનો અસ્થિરતા સૂચકાંક 51.13 (BjGRF08) થી 78.24 (BjGRF19) સુધીનો છે, બધા 40 થી વધુ છે, જે દર્શાવે છે કે ફેટી એસિડ સૂચકાંક 43.65 (BjGRF01) થી 78.78 (BjGRF22) સુધીનો છે, સરેરાશ હાઇડ્રોફિલિસિટી (GRAVY) -1.07 (BjGRF31) થી -0.45 (BjGRF22) સુધીનો છે, બધા હાઇડ્રોફિલિક BjGRF પ્રોટીનમાં નકારાત્મક GRAVY મૂલ્યો છે, જે અવશેષોને કારણે હાઇડ્રોફોબિસિટીના અભાવને કારણે હોઈ શકે છે. સબસેલ્યુલર સ્થાનિકીકરણ આગાહી દર્શાવે છે કે 31 BjGRF એન્કોડેડ પ્રોટીન ન્યુક્લિયસમાં સ્થાનીકૃત થઈ શકે છે, BjGRF04 પેરોક્સિસોમ્સમાં સ્થાનીકૃત થઈ શકે છે, BjGRF25 સાયટોપ્લાઝમમાં સ્થાનીકૃત થઈ શકે છે, અને BjGRF28 ક્લોરોપ્લાસ્ટમાં સ્થાનીકૃત થઈ શકે છે (કોષ્ટક 1), જે દર્શાવે છે કે BjGRF ન્યુક્લિયસમાં સ્થાનીકૃત થઈ શકે છે અને ટ્રાન્સક્રિપ્શન પરિબળ તરીકે મહત્વપૂર્ણ નિયમનકારી ભૂમિકા ભજવે છે.
વિવિધ પ્રજાતિઓમાં GRF પરિવારોનું ફાયલોજેનેટિક વિશ્લેષણ જનીન કાર્યોનો અભ્યાસ કરવામાં મદદ કરી શકે છે. તેથી, 35 રેપસીડ, 16 સલગમ, 12 ચોખા, 10 બાજરી અને 9 એરેબિડોપ્સિસ GRF ના પૂર્ણ-લંબાઈના એમિનો એસિડ સિક્વન્સ ડાઉનલોડ કરવામાં આવ્યા હતા અને 34 ઓળખાયેલા BjGRF જનીનો (આકૃતિ 1) ના આધારે એક ફાયલોજેનેટિક વૃક્ષ બનાવવામાં આવ્યું હતું. ત્રણ પેટા-પરિવારોમાં સભ્યોની સંખ્યા અલગ અલગ હોય છે; 116 GRF TF ને ત્રણ અલગ અલગ પેટા-પરિવારો (જૂથો A~C) માં વિભાજિત કરવામાં આવ્યા છે, જેમાં અનુક્રમે 59 (50.86%), 34 (29.31%) અને 23 (19.83)% GRF છે. તેમાંથી, 34 BjGRF પરિવારના સભ્યો 3 પેટા-પરિવારોમાં પથરાયેલા છે: જૂથ A માં 13 સભ્યો (38.24%), જૂથ B માં 12 સભ્યો (35.29%) અને જૂથ C માં 9 સભ્યો (26.47%). સરસવના પોલીપ્લોઇડાઇઝેશનની પ્રક્રિયામાં, વિવિધ ઉપ-પરિવારોમાં BjGRFs જનીનોની સંખ્યા અલગ અલગ હોય છે, અને જનીન પ્રવર્ધન અને નુકસાન થયું હોઈ શકે છે. એ નોંધવું યોગ્ય છે કે જૂથ C માં ચોખા અને બાજરી GRF નું કોઈ વિતરણ નથી, જ્યારે જૂથ B માં 2 ચોખા GRF અને 1 બાજરી GRF છે, અને મોટાભાગના ચોખા અને બાજરી GRF એક શાખામાં જૂથબદ્ધ છે, જે દર્શાવે છે કે BjGRF ડાયકોટ્સ સાથે ગાઢ રીતે સંબંધિત છે. તેમાંથી, Arabidopsis thaliana માં GRF કાર્ય પરના સૌથી ઊંડાણપૂર્વકના અભ્યાસો BjGRF ના કાર્યાત્મક અભ્યાસ માટે આધાર પૂરો પાડે છે.
સરસવના ફાયલોજેનેટિક વૃક્ષ જેમાં બ્રાસિકા નેપસ, બ્રાસિકા નેપસ, ચોખા, બાજરી અને અરેબિડોપ્સિસ થાલિયાના GRF પરિવારના સભ્યોનો સમાવેશ થાય છે.
મસ્ટર્ડ GRF પરિવારમાં પુનરાવર્તિત જનીનોનું વિશ્લેષણ. પૃષ્ઠભૂમિમાં ગ્રે રેખા મસ્ટર્ડ જીનોમમાં સિંક્રનાઇઝ્ડ બ્લોકનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, લાલ રેખા BjGRF જનીનના વિભાજિત પુનરાવર્તનોની જોડીનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે;
ચોથા પાંદડાના તબક્કામાં દુષ્કાળના તણાવ હેઠળ BjGRF જનીન અભિવ્યક્તિ. qRT-PCR ડેટા પૂરક કોષ્ટક S5 માં દર્શાવવામાં આવ્યો છે. ડેટામાં નોંધપાત્ર તફાવત નાના અક્ષરો દ્વારા દર્શાવવામાં આવ્યા છે.
જેમ જેમ વૈશ્વિક વાતાવરણ બદલાતું રહે છે, તેમ તેમ દુષ્કાળના તાણનો સામનો કરવા અને તેમની સહનશીલતા પદ્ધતિઓમાં સુધારો કરવા માટે પાક કેવી રીતે કાર્ય કરે છે તેનો અભ્યાસ એક ગરમ સંશોધન વિષય બની ગયો છે18. દુષ્કાળ પછી, છોડની આકારશાસ્ત્ર રચના, જનીન અભિવ્યક્તિ અને ચયાપચય પ્રક્રિયાઓ બદલાશે, જે પ્રકાશસંશ્લેષણ અને ચયાપચય વિક્ષેપ બંધ કરી શકે છે, જે પાકની ઉપજ અને ગુણવત્તાને અસર કરે છે19,20,21. જ્યારે છોડ દુષ્કાળના સંકેતોને અનુભવે છે, ત્યારે તેઓ Ca2+ અને ફોસ્ફેટિડિલિનોસિટોલ જેવા બીજા સંદેશવાહકો ઉત્પન્ન કરે છે, અંતઃકોશિક કેલ્શિયમ આયન સાંદ્રતામાં વધારો કરે છે અને પ્રોટીન ફોસ્ફોરાયલેશન માર્ગના નિયમનકારી નેટવર્કને સક્રિય કરે છે22,23. અંતિમ લક્ષ્ય પ્રોટીન સીધા સેલ્યુલર સંરક્ષણમાં સામેલ છે અથવા TFs દ્વારા સંબંધિત તાણ જનીનોની અભિવ્યક્તિને નિયંત્રિત કરે છે, તાણ 24,25 માટે છોડની સહનશીલતામાં વધારો કરે છે. આમ, TFs દુષ્કાળના તાણનો પ્રતિભાવ આપવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. દુષ્કાળના તાણ પ્રતિભાવશીલ TFs ના ક્રમ અને DNA બંધન ગુણધર્મો અનુસાર, TFs ને GRF, ERF, MYB, WRKY અને અન્ય પરિવારો26 જેવા વિવિધ પરિવારોમાં વિભાજિત કરી શકાય છે.
GRF જનીન પરિવાર એ છોડ-વિશિષ્ટ TF નો એક પ્રકાર છે જે વૃદ્ધિ, વિકાસ, સિગ્નલ ટ્રાન્સડક્શન અને છોડ સંરક્ષણ પ્રતિભાવો જેવા વિવિધ પાસાઓમાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે27. O. sativa28 માં પ્રથમ GRF જનીન ઓળખાયું ત્યારથી, ઘણી પ્રજાતિઓમાં વધુને વધુ GRF જનીનો ઓળખાયા છે અને છોડના વિકાસ, વિકાસ અને તાણ પ્રતિભાવને અસર કરતા દર્શાવવામાં આવ્યા છે8, 29, 30,31,32. બ્રાસિકા જુન્સિયા જીનોમ સિક્વન્સના પ્રકાશન સાથે, BjGRF જનીન પરિવારની ઓળખ શક્ય બની33. આ અભ્યાસમાં, સમગ્ર મસ્ટર્ડ જીનોમમાં 34 BjGRF જનીનો ઓળખવામાં આવ્યા હતા અને તેમની રંગસૂત્રીય સ્થિતિના આધારે BjGRF01–BjGRF34 નામ આપવામાં આવ્યું હતું. તે બધામાં ખૂબ જ સંરક્ષિત QLQ અને WRC ડોમેન્સ છે. ભૌતિક-રાસાયણિક ગુણધર્મોના વિશ્લેષણથી જાણવા મળ્યું કે BjGRF પ્રોટીન (BjGRF28 સિવાય) ના એમિનો એસિડ નંબરો અને મોલેક્યુલર વજનમાં તફાવત નોંધપાત્ર ન હતો, જે દર્શાવે છે કે BjGRF પરિવારના સભ્યો સમાન કાર્યો કરી શકે છે. જનીન રચના વિશ્લેષણ દર્શાવે છે કે BjGRF જનીનોના 64.7% માં 4 એક્સોન્સ હતા, જે દર્શાવે છે કે ઉત્ક્રાંતિમાં BjGRF જનીન રચના પ્રમાણમાં સંરક્ષિત છે, પરંતુ BjGRF10, BjGRF16, BjGRP28 અને BjGRF29 જનીનોમાં એક્સોન્સની સંખ્યા વધુ છે. અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે એક્સોન્સ અથવા ઇન્ટ્રોન્સનો ઉમેરો અથવા કાઢી નાખવાથી જનીન રચના અને કાર્યમાં તફાવત થઈ શકે છે, જેનાથી નવા જનીનો 34,35,36 બને છે. તેથી, અમે અનુમાન કરીએ છીએ કે ઉત્ક્રાંતિ દરમિયાન BjGRF નો ઇન્ટ્રોન ખોવાઈ ગયો હતો, જે જનીન કાર્યમાં ફેરફાર લાવી શકે છે. હાલના અભ્યાસો સાથે સુસંગત, અમે એ પણ શોધી કાઢ્યું કે ઇન્ટ્રોન્સની સંખ્યા જનીન અભિવ્યક્તિ સાથે સંકળાયેલી હતી. જ્યારે જનીનમાં ઇન્ટ્રોન્સની સંખ્યા મોટી હોય છે, ત્યારે જનીન વિવિધ પ્રતિકૂળ પરિબળોનો ઝડપથી પ્રતિભાવ આપી શકે છે.
જીનોમિક અને આનુવંશિક ઉત્ક્રાંતિમાં જનીન ડુપ્લિકેશન એક મુખ્ય પરિબળ છે37. સંબંધિત અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે જનીન ડુપ્લિકેશન માત્ર GRF જનીનોની સંખ્યામાં વધારો કરતું નથી, પરંતુ છોડને વિવિધ પ્રતિકૂળ પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓમાં અનુકૂલન કરવામાં મદદ કરવા માટે નવા જનીનો ઉત્પન્ન કરવાના સાધન તરીકે પણ કામ કરે છે38. આ અભ્યાસમાં કુલ 48 ડુપ્લિકેટ જનીન જોડીઓ મળી આવી હતી, જે બધા સેગમેન્ટલ ડુપ્લિકેશન હતા, જે દર્શાવે છે કે સેગમેન્ટલ ડુપ્લિકેશન આ પરિવારમાં જનીનોની સંખ્યા વધારવા માટે મુખ્ય પદ્ધતિ છે. સાહિત્યમાં એવું નોંધવામાં આવ્યું છે કે સેગમેન્ટલ ડુપ્લિકેશન એરેબિડોપ્સિસ અને સ્ટ્રોબેરીમાં GRF જનીન પરિવારના સભ્યોના વિસ્તરણને અસરકારક રીતે પ્રોત્સાહન આપી શકે છે, અને આ જનીન પરિવારનું કોઈ પણ પ્રજાતિમાં ટેન્ડમ ડુપ્લિકેશન જોવા મળ્યું નથી27,39. આ અભ્યાસના પરિણામો એરેબિડોપ્સિસ થલિયાના અને સ્ટ્રોબેરી પરિવારો પરના હાલના અભ્યાસો સાથે સુસંગત છે, જે સૂચવે છે કે GRF પરિવાર વિવિધ છોડમાં સેગમેન્ટલ ડુપ્લિકેશન દ્વારા જનીનોની સંખ્યા વધારી શકે છે અને નવા જનીનો ઉત્પન્ન કરી શકે છે.
આ અભ્યાસમાં, સરસવમાં કુલ 34 BjGRF જનીનો ઓળખવામાં આવ્યા હતા, જેને 3 પેટા-પરિવારોમાં વિભાજિત કરવામાં આવ્યા હતા. આ જનીનોએ સમાન સંરક્ષિત રૂપરેખાઓ અને જનીન રચનાઓ દર્શાવી હતી. કોલિનિયરિટી વિશ્લેષણમાં સરસવમાં 48 જોડી સેગમેન્ટ ડુપ્લિકેશન્સ જાહેર થયા. BjGRF પ્રમોટર પ્રદેશમાં પ્રકાશ પ્રતિભાવ, હોર્મોનલ પ્રતિભાવ, પર્યાવરણીય તાણ પ્રતિભાવ અને વૃદ્ધિ અને વિકાસ સાથે સંકળાયેલા cis-એક્ટિંગ તત્વો છે. સરસવના બીજના તબક્કા (મૂળ, દાંડી, પાંદડા) પર 34 BjGRF જનીનોની અભિવ્યક્તિ અને દુષ્કાળની સ્થિતિમાં 10 BjGRF જનીનોની અભિવ્યક્તિ પેટર્ન મળી આવી હતી. એવું જાણવા મળ્યું હતું કે દુષ્કાળના તણાવ હેઠળ BjGRF જનીનોની અભિવ્યક્તિ પેટર્ન સમાન હતી અને સમાન હોઈ શકે છે. દુષ્કાળ દબાણ નિયમનમાં સંડોવણી. BjGRF03 અને BjGRF32 જનીનો દુષ્કાળના તણાવમાં હકારાત્મક નિયમનકારી ભૂમિકા ભજવી શકે છે, જ્યારે BjGRF06 અને BjGRF23 દુષ્કાળના તણાવમાં miR396 લક્ષ્ય જનીનો તરીકે ભૂમિકા ભજવે છે. એકંદરે, અમારો અભ્યાસ બ્રાસીકેસી છોડમાં BjGRF જનીન કાર્યની ભવિષ્યની શોધ માટે જૈવિક આધાર પૂરો પાડે છે.
આ પ્રયોગમાં ઉપયોગમાં લેવાતા સરસવના બીજ ગુઇઝોઉ તેલ બીજ સંશોધન સંસ્થા, ગુઇઝોઉ એકેડેમી ઓફ એગ્રીકલ્ચરલ સાયન્સ દ્વારા પૂરા પાડવામાં આવ્યા હતા. આખા બીજ પસંદ કરો અને તેમને માટીમાં વાવો (સબસ્ટ્રેટ: માટી = 3:1), અને ચાર પાંદડાવાળા તબક્કા પછી મૂળ, દાંડી અને પાંદડા એકત્રિત કરો. દુષ્કાળનું અનુકરણ કરવા માટે છોડને 20% PEG 6000 સાથે સારવાર આપવામાં આવી હતી, અને 0, 3, 6, 12 અને 24 કલાક પછી પાંદડા એકત્રિત કરવામાં આવ્યા હતા. બધા છોડના નમૂનાઓ તરત જ પ્રવાહી નાઇટ્રોજનમાં સ્થિર કરવામાં આવ્યા હતા અને પછી આગામી પરીક્ષણ માટે -80°C ફ્રીઝરમાં સંગ્રહિત કરવામાં આવ્યા હતા.
આ અભ્યાસ દરમિયાન મેળવેલ અથવા વિશ્લેષણ કરાયેલ તમામ ડેટા પ્રકાશિત લેખ અને પૂરક માહિતી ફાઇલોમાં સમાવવામાં આવેલ છે.