遺伝的ストレス応答性遺伝子のゲノム解析と発現解析

Genomic dissection and expression analysis of stress-responsive genes in C panicoid models, Setaria italica and Setaria viridis.

• Mehanathan Muthamilarasan
• Roshan Kumar Singh
• Bonthala Venkata Suresh
• Sumi Rana
• Priya Dulani
• Manoj Prasad

抄録

本研究では、モデル種であるSetaria italicaとSetaria viridisにおいて、C経路特異的な5つの主要クラスの遺伝子、すなわち、炭酸脱水酵素（CaH）、ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ（PEPC）、ピルビン酸オルトリン酸ジキナーゼ（PPDK）、NADP依存性リンゴ酸脱水素酵素（MDH）、NADP依存性リンゴ酸酵素（NADP-ME）を同定し、発現プロファイリングを行ったことを報告する。その結果、S. italicaでは42遺伝子、S. viridisでは41遺伝子が同定された。さらに解析した結果、これらの遺伝子ファミリーの拡大には、セグメント重複とタンデム重複が寄与していることが明らかになった。RNA-Seqによる発現プロファイルを解析したところ、これらの遺伝子ファミリーの発現パターンは、組織や脱水ストレス下では異なることが明らかになった。また、比較ゲノムマッピングとKs年代測定により、進化の過程での重複と発散についての知見が得られた。また、対照的な S. italica 栽培品種において、外来ストレスやホルモン処理を受けた候補遺伝子の発現プロファイリングを行ったところ、耐性品種では SiαCaH1, SiβCaH5, SiPEPC2, SiPPDK2, SiMDH8, SiNADP-ME5 のストレス特異的な発現上昇が認められた。また、異種酵母系において SiNADP-ME5 を過剰発現させることで、脱水ストレス条件下でも生育・生存が可能となり、脱水ストレス耐性を付与する上での SiNADP-ME5 の役割が明らかになりました。以上の結果から、生物学的ストレス応答における機能的役割を解明するための候補となりうる重要な遺伝子が明らかになりました。

The study reports the identification and expression profiling of five major classes of C pathway-specific genes, namely, carbonic anhydrase (CaH), phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), pyruvate orthophosphate dikinase (PPDK), NADP-dependent malate dehydrogenase (MDH) and NADP-dependent malic enzyme (NADP-ME), in the model species, Setaria italica and Setaria viridis. A total of 42 and 41 genes were identified in S. italica and S. viridis, respectively. Further analysis revealed that segmental and tandem duplications have contributed to the expansion of these gene families. RNA-Seq derived expression profiles of the gene family members showed their differential expression pattern in tissues and dehydration stress. Comparative genome mapping and Ks dating provided insights into their duplication and divergence in the course of evolution. Expression profiling of candidate genes in contrasting S. italica cultivars subjected to abiotic stresses and hormone treatments showed distinct stress-specific upregulation of SiαCaH1, SiβCaH5, SiPEPC2, SiPPDK2, SiMDH8, and SiNADP-ME5 in the tolerant cultivar. Overexpression of SiNADP-ME5 in heterologous yeast system enabled the transgenic cells to survive and grow in dehydration stress conditions, which highlights the putative role of SiNADP-ME5 in conferring tolerance to dehydration stress. Altogether, the study highlights key genes that could be potential candidates for elucidating their functional roles in abiotic stress response.

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