白桦BpGRFs基因鉴定与功能初步分析

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2025.02.005

摘要/Abstract

摘要：

生长调节因子（GROWTH-REGULATING FACTOR，GRF）是一种植物中广泛存在的特异性转录因子，在植物的生长发育和胁迫响应过程中发挥着重要作用。该研究对白桦（Betula platyphylla）GRF基因家族进行生物信息学分析发现，白桦中包含9个GRF基因家族成员，均具有保守的WRC和QLQ结构域，启动子顺式作用元件预测分析发现，BpGRFs家族基因的启动子区域包含丰富的响应生长发育、激素代谢和胁迫反应等的相关元件。qRT-PCR结果表明，BpGRF4在白桦的各组织中均呈现高水平表达，进而通过农杆菌介导法获得了白桦过表达BpGRF4株系（OE-1、OE-2、OE-3），用以探究BpGRF4在白桦发育过程中的作用，过表达BpGRF4株系在株高、地径、节间长度、分枝长度均显著提升。另外，OE-3株系的皮层、韧皮部和髓心面积显著增大，叶片表皮细胞较野生型增大约51.6%。综上，过表达BpGRF4的白桦植株生长发育受到了积极调控作用，该结果为解析GRF基因家族在白桦生长发育过程中发挥的功能提供了一定理论依据。

关键词: 白桦, 生长调节因子, 生物信息学, 生长发育

Abstract:

GROWTH-REGULATING FACTOR（GRF） is a specific transcription factor widely found in plants， which plays an important role in plant growth and development and stress response. In this study， bioinformatics analysis of the birch（Betula platyphylla） GRF gene family revealed that the birch reference genome contained nine GRF gene family members with conserved WRC and QLQ structural domains， and prediction analysis of promoter cis-acting elements in the BpGRFs family genes revealed that it contained abundant elements related to growth and development， hormone metabolism and stress response. The qRT-PCR results showed that BpGRF4 was highly expressed in all tissues of birch， and Agrobacterium-mediated method was used to obtain birch overexpressing BpGRF4 lines（OE-1，OE-2，OE-3） and the role of BpGRF4 in the birch development was explored， and the BpGRF4 overexpression lines were significantly elevated in plant height， diameter of the ground， internode length， and branching length respectively. In addition， the area of cortex， phloem and core of OE-3 line were significantly increased， and the leaf epidermal cells were about 51.6% larger than that of the wild type. In conclusion， the growth and development of birch overexpressed BpGRF4 were positively regulated， which provided the theoretical basis for clarifying the GRF gene family function in the growth and development of birch.

Key words: birch, GRF, bioinformatics, growth and development

中图分类号:

S792.153

孙子腾, 王新宇, 侯丽丽, 刘月影, 郑志民. 白桦BpGRFs基因鉴定与功能初步分析[J]. 植物研究, 2025, 45(2): 191-201.

Ziteng SUN, Xinyu WANG, Lili HOU, Yueying LIU, Zhimin ZHENG. Identification and Preliminary Functional Analysis of the BpGRFs Gene in Betula Platyphylla[J]. Bulletin of Botanical Research, 2025, 45(2): 191-201.

图/表 7

表1

表2

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参考文献 48

1	KIM J H.Biological roles and an evolutionary sketch of the GRF-GIF transcriptional complex in plants［J］.BMB Reports，2019，52（4）：227-238.
2	LIEBSCH D， PALATNIK F J.MicroRNA miR396，GRF transcription factors and GIF co-regulators：a conserved plant growth regulatory module with potential for breeding and biotechnology［J］.Current Opinion in Plant Biology，2020，53：31-42.
3	KIM J H， CHOI D， KENDE H.The AtGRF family of putative transcription factors is involved in leaf and cotyledon growth in Arabidopsis ［J］.The Plant Journal，2003，36（1）：94-104.
4	KIM J S， MIZOI J， KIDOKORO S，et al. Arabidopsis growth-regulating factor7 functions as a transcriptional repressor of abscisic acid- and osmotic stress-responsive genes，including DREB2A ［J］.The Plant Cell，2012，24（8）：3393-3405.
5	CHEN L， LUAN Y S， ZHAI J M.Sp-miR396a-5p acts as a stress-responsive genes regulator by conferring tolerance to abiotic stresses and susceptibility to Phytophthora nicotianae infection in transgenic tobacco［J］.Plant Cell Reports，2015，34（12）：2013-2025.
6	WANG M， WANG Q L， ZHANG B H.Response of miRNAs and their targets to salt and drought stresses in cotton （Gossypium hirsutum L.）［J］.Gene，2013，530（1）：26-32.
7	YUAN S R， ZHAO J M， LI Z G，et al.MicroRNA396-mediated alteration in plant development and salinity stress response in creeping bentgrass［J］.Horticulture Research，2019，6（1）：48.
8	RODRIGUEZ R E， MECCHIA M A， DEBERNARDI J M，et al.Control of cell proliferation in Arabidopsis thaliana by microRNA miR396［J］.Development，2010，137（1）：103-112.
9	DEBERNARDI J M， MECCHIA M A， VERCRUYSSEN L，et al.Post-transcriptional control of GRF transcription factors by microRNA miR396 and GIF co-activator affects leaf size and longevity［J］.The Plant Journal，2014，79（3）：413-426.
10	BELTRAMINO M， ERCOLI M F， DEBERNARDI J M，et al.Robust increase of leaf size by Arabidopsis thaliana GRF3-like transcription factors under different growth conditions［J］.Scientific Reports，2018，8（1）：13447.
11	HORIGUCHI G， KIM G T， TSUKAYA H.The transcription factor AtGRF5 and the transcription coactivator AN3 regulate cell proliferation in leaf primordia of Arabidopsis thaliana ［J］.The Plant Journal，2005，43（1）：68-78.
12	VERCRUYSSEN L， TOGNETTI V B， GONZALEZ N，et al.GROWTH REGULATING FACTOR5 stimulates Arabidopsis chloroplast division，photosynthesis，and leaf longevity［J］.Plant Physiology，2015，167（3）：817-832.
13	VERCRUYSSE J， BAEKELANDT A， GONZALEZ N，et al.Molecular networks regulating cell division during Arabidopsis leaf growth［J］.Journal of Experimental Botany，2020，71（8）：2365-2378.
14	CHANDRAN V， WANG H， GAO F，et al.miR396-OsGRFs module balances growth and rice blast disease-resistance［J］.Frontiers in Plant Science，2019，9：1999.
15	CHEN S， WANG Y C， YU L L，et al.Genome sequence and evolution of Betula platyphylla ［J］.Horticulture Research，2021，8（1）：37.
16	吴迪.白桦BpDof4基因的抗旱调控机制［D］.沈阳：沈阳农业大学，2023.
	WU D.Drought resistance regulation mechanism of BpDof4 gene in Betula platyphylla ［D］.Shenyang：Shenyang Agricultural University，2023.
17	张杰，顾宸瑞，李慧玉，等.白桦四倍体半同胞家系生长和材性性状的变异及选择［J］.东北林业大学学报，2024，52（10）：7-14，26.
	ZHANG J， GU C R， LI H Y，et al.Variation and selection of growth and wood properties of tetraploid half-sib families of Betula platyphylla ［J］.Journal of Northeast Forestry University，2024，52（10）：7-14，26.
18	邓长贺.大兴安岭的白桦树资源开发与利用［J］.林业科技情报，2023，55（3）：52-54.
	DENG C H.Development and utilization of birch resources in Greater Khingan［J］.Forestry Science and Technology Information，2023，55（3）：52-54.
19	WANG M， ZHAO Y H， ZHEN Z，et al.Individual-tree diameter growth model for Korean pine plantations based on optimized interpolation of meteorological variables［J］.Journal of Forestry Research，2021，32（4）：1535-1552.
20	CHEN C J， WU Y， LI J W，et al.TBtools-Ⅱ：a “one for all，all for one” bioinformatics platform for biological big-data mining［J］.Molecular Plant，2023，16（11）：1733-1742.
21	SONG Q X， LI Q T， LIU Y F，et al.Soybean GmbZIP123 gene enhances lipid content in the seeds of transgenic Arabidopsis plants［J］.Journal of Experimental Botany，2013，64（14）：4329-4341.
22	CHENG D W， LIU Y Y， WANG Y，et al.Establishment of high-efficiency genome editing in white birch （Betula platyphylla Suk.）［J］.Plant Biotechnology Journal，2024，22（1）：7-9.
23	GENG W L， LI Y Y， SUN D Q，et al.Prediction of the potential geographical distribution of Betula platyphylla Suk.in China under climate change scenarios［J］.PLoS One，2022，17（3）：e0262540.
24	CHI Y， WANG Z H， CHEN S Z，et al.Identification of BpEXP family genes and functional characterization of the BpEXPA1 gene in the stems development of Betula platyphylla ［J］.Journal of Plant Physiology，2024，303：154361.
25	YAN B， LI F R， MA Q，et al.The miR156-SPL4/SPL9 module regulates leaf and lateral branch development in Betula platyphylla ［J］.Plant Science，2024，338：111869.
26	JIA Y Q， ZHAO H M， NIU Y N，et al.Long noncoding RNA from Betula platyphylla，BplncSIR1，confers salt tolerance by regulating BpNAC2 to mediate reactive oxygen species scavenging and stomatal movement［J］.Plant Biotechnology Journal，2024，22（1）：48-65.
27	TAN Z L， WEN X J， WANG Y C. Betula platyphylla BpHOX2 transcription factor binds to different cis-acting elements and confers osmotic tolerance［J］.Journal of Integrative Plant Biology，2020，62（11）：1762-1779.
28	CHENG Z H， WEN S Q， WU Y K，et al.Comparatively evolution and expression analysis of GRF transcription factor genes in seven plant species［J］.Plants，2023， 12（15）：2790.
29	LANTZOUNI O， ALKOFER A， FALTER-BRAUN P，et al.GROWTH-REGULATING FACTORS interact with DELLAs and regulate growth in cold stress［J］.The Plant Cell，2020，32（4）：1018-1034.
30	OMIDBAKHSHFARD M A， PROOST S， FUJIKURA U，et al.Growth-Regulating Factors（GRFs）：a small transcription factor family with important functions in plant biology［J］.Molecular Plant，2015，8（7）：998-1010.
31	LIU Y T， GUO P， WANG J，et al.Growth-regulating factors：conserved and divergent roles in plant growth and development and potential value for crop improvement［J］.The Plant Journal，2022，113（6）：1122-1145.
32	PIYA S， LIU J Y， BURCH-SMITH T，et al.A role for Arabidopsis growth-regulating factors 1 and 3 in growth-stress antagonism［J］.Journal of Experimental Botany，2020，71（4）：1402-1417.
33	KUIJT S J H， GRECO R， AGALOU A，et al.Interaction between the GROWTH-REGULATING FACTOR and KNOTTED1-LIKE HOMEOBOX families of transcription factors［J］.Plant Physiology，2014，164（4）：1952-1966.
34	OMIDBAKHSHFARD M A， FUJIKURA U， OLAS J J，et al.GROWTH-REGULATING FACTOR 9 negatively regulates Arabidopsis leaf growth by controlling ORG3 and restricting cell proliferation in leaf primordia［J］.PLoS Genetics，2018，14（7）：e1007484.
35	PAJORO A， MADRIGAL P， MUIÑO J M，et al.Dynamics of chromatin accessibility and gene regulation by MADS-domain transcription factors in flower development［J］.Genome Biology，2014，15（3）：R41.
36	JATHAR V， SAINI K， CHAUHAN A，et al.Spatial control of cell division by GA-OsGRF7/8 module in a leaf explaining the leaf length variation between cultivated and wild rice［J］.New Phytologist，2022，234（3）：867-883.
37	YIN X H， YUAN Y， HAN X W，et al.Genome-wide identification，characterization，and expression profiling of TaDUF668 gene family in Triticum aestivum ［J］.Agronomy，2023，13（8）：2178.
38	WALTHER D， BRUNNEMANN R， SELBIG J.The regulatory code for transcriptional response diversity and its relation to genome structural properties in A.thaliana ［J］.PLoS Genetics，2007，3（2）：e11.
39	XIE D W， WANG X N， FU L S，et al.Identification of the trehalose-6-phosphate synthase gene family in winter wheat and expression analysis under conditions of freezing stress［J］.Journal of Genetics，2015，94（1）：55-65.
40	GUO J F， LI W， SHANG L G，et al. OsbHLH98 regulates leaf angle in rice through transcriptional repression of OsBUL1 ［J］.New Phytologist，2021，230（5）：1953-1966.
41	SHI C L， YANG S H， CUI Y，et al.Oxidative burst causes loss of tapetal Ubisch body and male sterility in rice［J］.New Phytologist，2024，244（1）：10-15.
42	YANG R， SUN Y， ZHU X L，et al.The tuber-specific StbHLH93 gene regulates proplastid-to-amyloplast development during stolon swelling in potato［J］.New Phytologist，2024，241（4）：1676-1689.
43	LIU Y R， YAN J P， WANG K X，et al.MiR396-GRF module associates with switchgrass biomass yield and feedstock quality［J］.Plant Biotechnology Journal，2021，19（8）：1523-1536.
44	WERADUWAGE S M， CHEN J， ANOZIE F C，et al.The relationship between leaf area growth and biomass accumulation in Arabidopsis thaliana ［J］.Frontiers in Plant Science，2015，6：167.
45	WANG J N， ZHOU H J， ZHAO Y Q，et al.Characterization of poplar growth-regulating factors and analysis of their function in leaf size control［J］.BMC Plant Biology，2020，20（1）：509.
46	LAZZARA F E， RODRIGUEZ R E， PALATNIK J F.Molecular mechanisms regulating GROWTH-REGULATING FACTORS activity in plant growth，development，and environmental responses［J］.Journal of Experimental Botany，2024，75（14）：4360-4372.
47	WANG X Y， YU S， LI B X，et al.A microRNA396b-growth regulating factor module controls castor seed size by mediating auxin synthesis［J］.Plant Physiology，2024，196（2）：916-930.
48	LIU Z Y， ZHANG T Q， XU R T，et al. BpGRP1 acts downstream of BpmiR396c/BpGRF3 to confer salt tolerance in Betula platyphylla ［J］.Plant Biotechnology Journal，2024，22（1）：131-147.

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基因名称 Gene name	引物序列（5′→3′） Primer sequences （5′→3′）
BpGRF1-F	AGATCATCTTCAGGGACCTTTGAAGAT
BpGRF1-R	GAGGTTCTGATTTGGGGGAAGAG
BpGRF2-F	GATGATGATGGTTATGCCACATCATGA
BpGRF2-R	TCAGAGTCTTTGGCACCATTGCA
BpGRF3-F	CTCAGTGGCAAGAGCTTGAACA
BpGRF3-R	GCAAGTAGTTCCAGCCAATATGTGG
BpGRF4-F	GTCTGGGCCTGCTGAAGATGA
BpGRF4-R	ATCCTTGCTGAGAAAGGGAACCT
BpGRF5-F	ACTCAGTGGCAAGAGCTTGAACA
BpGRF5-R	CTGCCATATCCCATCTCAAAACATGT
BpGRF6-F	AGAGGATGTCTGACGAGGAGGA
BpGRF6-R	TCCTTGAAGCTCATGCGACTGAG
BpGRF7-F	ATGTTGTTGCTGCTGCTTGTTCT
BpGRF7-R	GCTTGTCTCTCAAGCTCTTTCCAC
BpGRF8-F	ATGAACAGTGGTGGAGCTGGC
BpGRF8-R	ATGAGAAATGGACTCAAAGCTTTTCTGAAT
BpGRF9-F	ATGGACTTCCATCTGAAGCAATGGA
BpGRF9-R	ATCCTGGGAAATCTGGTGGGTG
BpTubulin-F	TCAACCGCCTTGTCTCTCAGG
BpTubulin-R	TGGCTCGAATGCACTGTTGG

基因名称 Gene name	基因ID Gene ID	染色体 Chromosome	基因位置 Gene location	氨基酸数目 Number of amino acids/aa	相对分子质量 Molecular weight/Da	等电点 Isoelectricpoint	总平均亲水性 Total average hydrophilicity	亚细胞定位 Subcellular location
BpGRF1	Chr01G01531	1	20095262~20098378	606	65 788.05	8.67	-0.662	细胞核Nuclear
BpGRF2	Chr02G01459	2	17218445~17220195	462	50 533.66	7.54	-0.610	细胞核Nuclear
BpGRF3	Chr03G01749	3	21418731~21420189	375	42 955.78	8.11	-0.918	细胞核Nuclear
BpGRF4	Chr06G00029	6	331582~334410	600	64 353.25	6.52	-0.582	细胞核Nuclear
BpGRF5	Chr06G01222	6	11256167~11257412	316	36 045.05	8.71	-0.879	细胞核Nuclear
BpGRF6	Chr06G02041	6	23869844~23872981	503	54 207.00	9.57	-0.608	细胞核Nuclear
BpGRF7	Chr08G00312	8	2742946~2745353	528	56 979.17	6.28	-0.585	细胞核Nuclear
BpGRF8	Chr08G00421	8	3587787~3591990	327	35 993.60	7.75	-0.783	细胞核Nuclear
BpGRF9	Chr14G02157	14	25355104~25357316	389	42 098.12	8.64	-0.559	细胞核Nuclear

[1]	喻心怡, 冀慧玥, 路萍萍, 周嘉裕, 廖海. 植物IPP基因的生物信息学分析[J]. 植物研究, 2024, 44(5): 774-782.
[2]	王珊珊, 王瑞, 樊二勤, 付鹏跃, 曲冠证, 王楠. 楸树DELLA基因家族生信分析及CbuGRAS9的功能分析[J]. 植物研究, 2024, 44(1): 139-151.
[3]	陈柄华, 张杰, 刘桂丰, 李思婷, 高元科, 李慧玉, 李天芳. 白桦半同胞家系纸浆材优良家系选择及选择方法评价[J]. 植物研究, 2023, 43(5): 690-699.
[4]	郑占敏, 商玉冰, 周广波, 肖迪, 刘轶, 由香玲. PsnHB13与PsnHB15在小黑杨中的遗传转化与功能分析[J]. 植物研究, 2023, 43(3): 340-350.
[5]	王景哲, 牛朝奎, 梁馨元, 申晨静, 尹静. 水杨酸在白桦苗期抵御盐碱胁迫中的调控作用[J]. 植物研究, 2023, 43(3): 379-387.
[6]	廖诗贤, 王宇婷, 董立本, 顾咏梅, 贾丰璘, 姜廷波, 周博如. 小黑杨转录因子PsnbZIP1应答盐胁迫功能分析[J]. 植物研究, 2023, 43(2): 288-299.
[7]	刘森尧, 贾丰璘, 国庆, 樊高锋, 周博如, 姜廷波. 小黑杨转录因子PsnbHLH162基因在盐和低温胁迫下应答分析[J]. 植物研究, 2023, 43(2): 300-310.
[8]	杜金霞, 申婷婷, 王浩然, 林一萍, 李慧玉, 张连飞. 白桦BpSPL9基因抑制表达载体的构建及遗传转化研究[J]. 植物研究, 2023, 43(1): 30-35.
[9]	黄安瀛, 夏德安, 张洋, 那冬晨, 燕青, 魏志刚. PtrWRKY51基因的克隆及抗旱表达特性分析[J]. 植物研究, 2022, 42(6): 1005-1013.
[10]	陈华峰, 代龙军, 刘明洋, 郭冰冰, 杨洪, 王立丰. 橡胶树胶乳高表达热激蛋白HbHSP90.4基因抗逆功能分析[J]. 植物研究, 2022, 42(6): 1023-1032.
[11]	李登高, 林睿, 穆青慧, 周娜, 张焱如, 白薇. 马铃薯StCRKs基因家族的鉴定分析及响应逆境信号的表达[J]. 植物研究, 2022, 42(6): 1033-1043.
[12]	刘明洋, 肖化兴, 王立丰, 梁晓宇, 张宇, 王萌. 橡胶树热激蛋白HbHSP90.8-1基因的克隆与功能分析[J]. 植物研究, 2022, 42(5): 811-820.
[13]	王宏鹏, 李一丹, 汪耀, 谭晓宇, 陈成彬, 张力鹏. 菊叶薯蓣DcPMK基因克隆及互作蛋白筛选[J]. 植物研究, 2022, 42(5): 855-865.
[14]	陈坤, 方功桂, 穆怀志, 姜静. 白桦BpPIN3基因启动子序列及应答特性分析[J]. 植物研究, 2022, 42(4): 592-601.
[15]	王雪莹, 王瑞琪, 张洋, 刘聪, 夏德安, 魏志刚. 毛果杨CNGC家族全基因组鉴定及胁迫响应分析[J]. 植物研究, 2022, 42(4): 613-625.