HAK/KUP/KT遺伝子ファミリーとその発現プロファイルのゲノムワイドな系統的解析

Genome-wide systematic characterization of the HAK/KUP/KT gene family and its expression profile during plant growth and in response to low-K stress in Saccharum.

• Xiaomin Feng
• Yongjun Wang
• Nannan Zhang
• Zilin Wu
• Qiaoying Zeng
• Jiayun Wu
• Xiaobin Wu
• Lei Wang
• Jisen Zhang
• Yongwen Qi

抄録

背景:

植物ゲノムには多数のHAK/KUP/KTトランスポーターが含まれており、これらのトランスポーターはカリウムの取り込みと移動、浸透電位の調節、塩分耐性、根の形態形成、植物の発育に重要な役割を果たしている。サトウキビ栽培地の土壌におけるカリウム欠乏は深刻である。しかし、サトウキビ(Saccharum)においては、HAK/KUP/KT遺伝子ファミリーの特徴付けが未だに行われていない。

BACKGROUND: Plant genomes contain a large number of HAK/KUP/KT transporters, which play important roles in potassium uptake and translocation, osmotic potential regulation, salt tolerance, root morphogenesis and plant development. Potassium deficiency in the soil of a sugarcane planting area is serious. However, the HAK/KUP/KT gene family remains to be characterized in sugarcane (Saccharum).

結果:

本研究では、サトウキビ(Saccharum spontaneum)から30個のHAK/KUP/KT遺伝子を同定した。その結果、30個のHAK/KUP/KT遺伝子が同定された。代表的な植物15種から得られたHAK/KUP/KT遺伝子の系統解析の結果、この遺伝子ファミリーは4つのグループ（クラッドI～IV）に分類されることが明らかになった。古代の全ゲノム複製（WGD）と最近の遺伝子複製の両方がHAK/KUP/KT遺伝子ファミリーの拡大に寄与した。非同義対同義置換比(Ka/Ks)解析の結果、精製選択がHAK/KUP/KT遺伝子の進化を促進する主な力であることが示された。HAK/KUP/KT遺伝子ファミリーの発散時期は、Ks解析から134.8～233.7 Myaと推定され、植物の中では古い遺伝子ファミリーであることが示唆された。遺伝子構造解析の結果、HAK/KUP/KT遺伝子は進化の過程でイントロンのゲイン/ロスを伴っていることが明らかになった。RNA-seqデータ解析の結果、クラッドIIとIIIのHAK/KUP/KT遺伝子は、様々な組織で主に構成的に発現していたが、クラッドIとIVのほとんどの遺伝子は、異なる発生段階の組織では発現していないか、非常に低いことが明らかになった。SsHAK1とSsHAK21の発現は、低Kストレスに応答して上昇した。酵母の機能相補性解析の結果、SsHAK1とSsHAK21は、酵母の変異体においてKの取り込みを救済できることが明らかになった。

RESULTS: In this study, 30 HAK/KUP/KT genes were identified in Saccharum spontaneum. Phylogenetics, duplication events, gene structures and expression patterns were analyzed. Phylogenetic analysis of the HAK/KUP/KT genes from 15 representative plants showed that this gene family is divided into four groups (clades I-IV). Both ancient whole-genome duplication (WGD) and recent gene duplication contributed to the expansion of the HAK/KUP/KT gene family. Nonsynonymous to synonymous substitution ratio (Ka/Ks) analysis showed that purifying selection was the main force driving the evolution of HAK/KUP/KT genes. The divergence time of the HAK/KUP/KT gene family was estimated to range from 134.8 to 233.7 Mya based on Ks analysis, suggesting that it is an ancient gene family in plants. Gene structure analysis showed that the HAK/KUP/KT genes were accompanied by intron gain/loss in the process of evolution. RNA-seq data analysis demonstrated that the HAK/KUP/KT genes from clades II and III were mainly constitutively expressed in various tissues, while most genes from clades I and IV had no or very low expression in the tested tissues at different developmental stages. The expression of SsHAK1 and SsHAK21 was upregulated in response to low-K stress. Yeast functional complementation analysis revealed that SsHAK1 and SsHAK21 could rescue K uptake in a yeast mutant.

結論:

この研究は、HAK/KUP/KT遺伝子の進化の歴史についての洞察を提供した。HAK7/9/18は主に茎の上部光合成帯と成熟帯で発現していたが、HAK7/9/18/25は茎の上部光合成帯と成熟帯で発現していた。HAK7/9/18/25は日光によって制御されていた。SsHAK1とSsHAK21は、限られたK供給下でのカリウム獲得の仲介に重要な役割を果たしていた。これらの結果は、サッカラムのHAK/KUP/KT遺伝子の機能をさらに研究するための貴重な情報と重要な候補遺伝子を提供するものである。

CONCLUSIONS: This study provided insights into the evolutionary history of HAK/KUP/KT genes. HAK7/9/18 were mainly expressed in the upper photosynthetic zone and mature zone of the stem. HAK7/9/18/25 were regulated by sunlight. SsHAK1 and SsHAK21 played important roles in mediating potassium acquisition under limited K supply. Our results provide valuable information and key candidate genes for further studies on the function of HAK/KUP/KT genes in Saccharum.