基于生物信息學(xué)分析鑒定甘薯塊根發(fā)育相關(guān)基因家族【文獻(xiàn)秀第14期】

MADS-box基因是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，是廣泛存在于真核生物中的一類轉(zhuǎn)錄因子，它在植物生長(zhǎng)發(fā)育中起著重要作用，參與花和果實(shí)的生長(zhǎng)發(fā)育。本期文獻(xiàn)秀就給大家分享一篇基于甘薯MADS-box基因進(jìn)行相關(guān)基因家族分析的案例。

本期分享文獻(xiàn)

文獻(xiàn)題目：Genome-Wide Identification and Expression Analysis of the MADS-Box Gene Family in Sweet Potato [Ipomoea batatas (L.) Lam]

發(fā)表期刊：《Frontiers in Genetics》

發(fā)表時(shí)間：2021年11月

影響因子：4.59

第一作者：邵正偉 廣東海洋大學(xué)

文獻(xiàn)原文：點(diǎn)擊查看

文獻(xiàn)導(dǎo)讀

MADS-box基因是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，是廣泛存在于真核生物中的一類轉(zhuǎn)錄因子，它在植物生長(zhǎng)發(fā)育中起著重要作用，參與花和果實(shí)的生長(zhǎng)發(fā)育。甘薯是一類具有很高價(jià)值的糧食作物和能源作物。目前對(duì)甘薯MADS-box基因的報(bào)道較少，對(duì)甘薯MADS-box基因的全基因組鑒定和分類研究尚未見報(bào)道。本研究首次對(duì)甘薯MADS-box基因進(jìn)行了綜合分析，鑒定了甘薯中的MADS-box基因，分析了這些基因的結(jié)構(gòu)和蛋白，并與擬南芥MADS-box蛋白進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析。本研究還確定了甘薯MADS-box基因的MADS結(jié)構(gòu)域和核心motif，也在甘薯MADS-box基因的啟動(dòng)子區(qū)域發(fā)現(xiàn)了光響應(yīng)、生長(zhǎng)素響應(yīng)、干旱誘導(dǎo)和茉莉酸甲酯響應(yīng)等順式作用元件，進(jìn)一步揭示了MADS-box基因?qū)Νh(huán)境變化和激素響應(yīng)的調(diào)控基礎(chǔ)。此外，還通過RNA-seq分析了這些基因在不同組織的特異性表達(dá)模式，并進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究從多個(gè)角度分析甘薯MADS-box基因的分子基礎(chǔ)，研究了MADS-box基因?qū)Ω适砩L(zhǎng)發(fā)育的影響，為甘薯分子育種提供一定的理論依據(jù)。

研究結(jié)果

1、甘薯 MADS-Box家族的鑒定和結(jié)構(gòu)分析

從甘薯全基因組中鑒定出95個(gè)MADS-Box基因，根據(jù)基因結(jié)構(gòu)，被分為兩類，I 型和 II型。不同類型的 MADS-Box基因結(jié)構(gòu)有明顯的區(qū)別。大多數(shù)I 型基因長(zhǎng)度小于2 kb, 且具有一至兩個(gè)長(zhǎng)片段外顯子， II型基因長(zhǎng)度超過3 kb， 超過6個(gè)外顯子，大多數(shù)的外顯子片段是短的。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)分析表明甘薯 MADS-box 基因包含除MADS域的其它結(jié)構(gòu)域。大多數(shù)I 型基因包含數(shù)量不等的低復(fù)雜性區(qū)域結(jié)構(gòu)和卷曲線圈區(qū)域結(jié)構(gòu)，21個(gè) II型基因包含K-box結(jié)構(gòu)域，K-box結(jié)構(gòu)域通常與SRF型TFs相關(guān)，也是 II型MADS-box 基因的特征結(jié)構(gòu)域。

2、MADS 蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化分析

通過MEGA-X構(gòu)建了甘薯，甘薯近緣野生種和擬南芥的MADS-Box蛋白。根據(jù)擬南芥MADS蛋白的分類，甘薯I 型MADS蛋白分為三個(gè)亞家族：Mα, Mβ,和Mγ。II型MADS蛋白質(zhì)分為12個(gè)亞家族。其中，Mα亞家族和Mβ亞家族各有27種蛋白質(zhì)，Mγ亞家族中16種蛋白質(zhì)含量較少，這與擬南芥蛋白質(zhì)亞家族的分布相似。然而，甘薯近緣野生種I 型MADS蛋白主要在Mα 亞家族中集中分布，Mβ和Mγ亞家族中各只有一個(gè)MADS-Box基因。甘薯 II型MADS基因在分類上更接近甘薯近緣野生種。甘薯的II型MADS基因沒有出現(xiàn)在 FLC或TT16亞家族中，在其它亞家族中都有分布，有一至六種蛋白質(zhì)。

3.、MADS-Box的染色體定位

對(duì)甘薯中95個(gè)MADS-box基因進(jìn)行了染色體定位。結(jié)果表明，除了LG3染色體外，MADS-box基因在甘薯其他14條染色體上的數(shù)量也有所不同。超過10個(gè)MADS-Box基因分布在LG7、LG8、LG11和LG15染色體上。LG1、LG5和LG12染色體包含較少的MADS-Box基因，只有一到三個(gè)。

4.、MADS蛋白的保守基序分析

甘薯中MADS蛋白基序的數(shù)量存在一定的差異。所有基因都有基序1，可編碼28個(gè)氨基酸。超過90個(gè)基因包含基序2和基序5。這三個(gè)基序編碼的51個(gè)氨基酸是MADS-box基因的核心基序。

5.、MADS-Box基因啟動(dòng)子區(qū)域的順式作用元件分析

根據(jù)在線工具預(yù)測(cè)MADS基因的順式作用元件，所有甘薯MADS-Box基因都含有3-12個(gè)光相應(yīng)元件，ABA響應(yīng)元件、生長(zhǎng)素響應(yīng)元件、還有少量調(diào)節(jié)元件，如晝夜節(jié)律控制元件、分生組織表達(dá)元件、水楊酸響應(yīng)元件、低溫響應(yīng)元件、赤霉素響應(yīng)元件、防御和應(yīng)激響應(yīng)元件，暗示MADS-box基因可以響應(yīng)各種環(huán)境變化，協(xié)調(diào)甘薯的生長(zhǎng)發(fā)育。

6.、MADS-Box基因的表達(dá)譜

為了研究MADS-box基因在甘薯中的表達(dá)模式，轉(zhuǎn)錄組測(cè)序表明大多數(shù)甘薯MADS-box基因存在表達(dá)特異性。34個(gè)基因在甘薯花和果實(shí)中特異表達(dá)，其余基因在營(yíng)養(yǎng)組織如根和莖尖中高表達(dá)。大量I型基因主要在莖尖表達(dá)，提示Ⅰ型基因在一定程度上參與了甘薯地上部分的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過程。

總體而言，甘薯MADS-box基因參與了甘薯花和果實(shí)等生殖器官的生長(zhǎng)發(fā)育。它們?cè)诟适淼母?、莖和葉等營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和發(fā)育過程中至關(guān)重要。

本期文獻(xiàn)秀我們邀請(qǐng)到了本篇文獻(xiàn)的第一作者為我們分享他的研究思路和文獻(xiàn)內(nèi)容，活動(dòng)信息如下：

活動(dòng)信息

時(shí)間：12月10日 16:00

形式：免費(fèi)線上直播

本期分享嘉賓

邵正偉 碩士

廣東海洋大學(xué)碩士，研究方向?yàn)楦适磉z傳育種、甘薯塊根發(fā)育機(jī)理相關(guān)研究。目前已發(fā)表一篇中文核心和一篇二區(qū)SCI，擅長(zhǎng)生物信息學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)分析與可視化處理。