基于生物信息學分析鑒定甘薯塊根發(fā)育相關基因家族【文獻秀第14期】

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

本期分享文獻

文獻題目：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)表時間：2021年11月

影響因子：4.59

第一作者：邵正偉 廣東海洋大學

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文獻導讀

MADS-box基因是植物中最大的轉錄因子家族之一，是廣泛存在于真核生物中的一類轉錄因子，它在植物生長發(fā)育中起著重要作用，參與花和果實的生長發(fā)育。甘薯是一類具有很高價值的糧食作物和能源作物。目前對甘薯MADS-box基因的報道較少，對甘薯MADS-box基因的全基因組鑒定和分類研究尚未見報道。本研究首次對甘薯MADS-box基因進行了綜合分析，鑒定了甘薯中的MADS-box基因，分析了這些基因的結構和蛋白，并與擬南芥MADS-box蛋白進行系統(tǒng)發(fā)育分析。本研究還確定了甘薯MADS-box基因的MADS結構域和核心motif，也在甘薯MADS-box基因的啟動子區(qū)域發(fā)現(xiàn)了光響應、生長素響應、干旱誘導和茉莉酸甲酯響應等順式作用元件，進一步揭示了MADS-box基因對環(huán)境變化和激素響應的調控基礎。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模式，并進行了驗證。本研究從多個角度分析甘薯MADS-box基因的分子基礎，研究了MADS-box基因對甘薯生長發(fā)育的影響，為甘薯分子育種提供一定的理論依據(jù)。

研究結果

1、甘薯 MADS-Box家族的鑒定和結構分析

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

2、MADS 蛋白的系統(tǒng)進化分析

通過MEGA-X構建了甘薯，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蛋白分為三個亞家族：Mα, Mβ,和Mγ。II型MADS蛋白質分為12個亞家族。其中，Mα亞家族和Mβ亞家族各有27種蛋白質，Mγ亞家族中16種蛋白質含量較少，這與擬南芥蛋白質亞家族的分布相似。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。

3.、MADS-Box的染色體定位

對甘薯中95個MADS-box基因進行了染色體定位。結果表明，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。

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個氨基酸。超過90個基因包含基序2和基序5。這三個基序編碼的51個氨基酸是MADS-box基因的核心基序。

5.、MADS-Box基因啟動子區(qū)域的順式作用元件分析

根據(jù)在線工具預測MADS基因的順式作用元件，所有甘薯MADS-Box基因都含有3-12個光相應元件，ABA響應元件、生長素響應元件、還有少量調節(jié)元件，如晝夜節(jié)律控制元件、分生組織表達元件、水楊酸響應元件、低溫響應元件、赤霉素響應元件、防御和應激響應元件，暗示MADS-box基因可以響應各種環(huán)境變化，協(xié)調甘薯的生長發(fā)育。

6.、MADS-Box基因的表達譜

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

總體而言，甘薯MADS-box基因參與了甘薯花和果實等生殖器官的生長發(fā)育。它們在甘薯的根、莖和葉等營養(yǎng)生長和發(fā)育過程中至關重要。

本期文獻秀我們邀請到了本篇文獻的第一作者為我們分享他的研究思路和文獻內容，活動信息如下：

活動信息

時間：12月10日 16:00

形式：免費線上直播

本期分享嘉賓

邵正偉 碩士

廣東海洋大學碩士，研究方向為甘薯遺傳育種、甘薯塊根發(fā)育機理相關研究。目前已發(fā)表一篇中文核心和一篇二區(qū)SCI，擅長生物信息學相關數(shù)據(jù)分析與可視化處理。