MADS-box遺伝子の解析により、パイナップルの開花遺伝子ネットワークの改変と日中の発現を明らかにした

Analysis of MADS-box genes revealed modified flowering gene network and diurnal expression in pineapple.

• Xiaodan Zhang
• Mahpara Fatima
• Ping Zhou
• Qing Ma
• Ray Ming

抄録

背景:

パイナップルはCAM光合成を行う最も重要な作物であるが、その分子生物学的研究はまだ十分に行われていない。MADS-box 遺伝子は、植物の発生や様々な生物学的プロセスに関与する重要な転写因子であるが、パイナップル（Ananas comosus）のMADS-box ファミリー遺伝子の系統的な解析は行われていない。しかし、パイナップル（Ananas comosus）のMADS-boxファミリー遺伝子の系統的な解析は行われていない。

BACKGROUND: Pineapple is the most important crop with CAM photosynthesis, but its molecular biology is underexplored. MADS-box genes are crucial transcription factors involving in plant development and several biological processes. However, there is no systematic analysis of MADS-box family genes in pineapple (Ananas comosus).

結果:

パイナップルのゲノムには48個のMADS-box遺伝子が同定された。パイナップルのMADS-box遺伝子は、系統学的な研究に基づいて、I型とII型のMADS-box遺伝子に分類された。パイナップルの34個のMADS-box遺伝子はMIKC型32個、Mδ型2個を含むII型MADS-box遺伝子に分類されたが、14個のI型MADS-box遺伝子はさらにMα、Mβ、Mγのサブグループに分類された。パイナップルのMADS-box遺伝子の大部分は19本の染色体にランダムに分布していた。4つの異なる組織におけるMADS-box遺伝子のRNA-seq発現パターンを調べたところ、花ではより多くの遺伝子が高発現していることが明らかになり、それは我々の定量的RT-PCRの結果で確認された。パイナップルにはFLCとCOのオルソログは存在しない。パイナップルでは FLC と CO のオルソログが消失していることから、シロイヌナズナと比較して、この熱帯植物では修飾開花遺伝子がネットワークを形成していることが示唆された。また、MADS-box遺伝子の光合成および非光合成葉組織での発現パターンから、パイナップルのCAM光合成におけるMADS-box遺伝子の役割が示唆された。パイナップルのMADS-box遺伝子の23％は日周リズムを示しており、これらのMADS-box遺伝子は概日時計によって制御されていることが示唆された。

RESULTS: Forty-eight MADS-box genes were identified in the pineapple genome. Based on the phylogenetic studies, pineapple MADS-box genes can be divided into type I and type II MADS-box genes. Thirty-four pineapple genes were classified as type II MADS-box genes including 32 MIKC-type and 2 Mδ-type, while 14 type I MADS-box genes were further divided into Mα, Mβ and Mγ subgroups. A majority of pineapple MADS-box genes were randomly distributed across 19 chromosomes. RNA-seq expression patterns of MADS-box genes in four different tissues revealed that more genes were highly expressed in flowers, which was confirmed by our quantitative RT-PCR results. There is no FLC and CO orthologs in pineapple. The loss of FLC and CO orthologs in pineapple indicated that modified flowering genes network in this tropical plant compared with Arabidopsis. The expression patterns of MADS-box genes in photosynthetic and non-photosynthetic leaf tissues indicated the potential roles of some MADS-box genes in pineapple CAM photosynthesis. The 23% of pineapple MADS-box genes showed diurnal rhythm, indicating that these MADS-box genes are regulated by circadian clock.

結論:

パイナップルで同定されたMADS-box遺伝子は、開花の発生に密接に関係している。MADS-box遺伝子の中には、CAM光合成に関与し、概日時計によって制御されているものもあります。今回の発見は、パイナップルの果実に見られる珍しい渦巻き状花序の発生やCAM光合成の研究を促進するものと考えられる。

CONCLUSIONS: MADS-box genes identified in pineapple are closely related to flowering development. Some MADS-box genes are involved in CAM photosynthesis and regulated by the circadian clock. These findings will facilitate research on the development of unusual spiral inflorescences on pineapple fruit and CAM photosynthesis.