新熱帯種放射線におけるCAM光合成の繰り返し進化のゲノムフットプリント

Genomic footprints of repeated evolution of CAM photosynthesis in a Neotropical species radiation.

• Marylaure De La Harpe
• Margot Paris
• Jaqueline Hess
• Michael Harald Johannes Barfuss
• Martha Liliana Serrano-Serrano
• Arindam Ghatak
• Palak Chaturvedi
• Wolfram Weckwerth
• Walter Till
• Nicolas Salamin
• Ching Man Wai
• Ray Ming
• Christian Lexer

抄録

ブロメリア科（パイナップル科）の適応性放射は、新熱帯の花き植物の中で最も多様性に富んだものの一つである。このグループの多様化は、いくつかの適応形質の変化、すなわち「キーイノベーション」によって促進された。本研究では、系統学的手法を用いて、遺伝子発現の差異化（RNA-seq）と標的代謝物のプロファイリングによって補完し、非常に種数の多いブロムリアード属のTillandsiaとその近縁種におけるC/CAMの進化のメカニズムを明らかにした。全ゲノムシークエンスとRNA-seqデータの進化論的解析から、CAMの進化は、このグループにおける季節的適応を媒介する異なる経路の同時変化と関連していることが示唆された。分子レベルでは、C/CAMの変化はXAP5 CIRCADIAN TIMEKEEPERホモログの遺伝子拡張を伴っており、このホモログは糖や光に依存した成長・発生の調節に関与する調節因子である。また、ABF2/ABF3転写因子ホモログの差動発現やENO2/LOS2エノラーゼホモログの適応的配列進化を介したアブシジン酸関連遺伝子発現の再プログラミングも示唆しており、糖質フラックスをアブシジン酸を介した外来ストレス応答に効果的に結びつけている。重複する分子応答の異なる調節因子をピンポイントで特定することにより、我々の結果は、適応放射線の教科書的な例で見られる相関のある適応形質の繰り返し進化のための最も妥当な機構論的説明を示唆している。この記事は著作権で保護されています。すべての権利を保有しています。

The adaptive radiation of Bromeliaceae (pineapple family) is one of the most diverse among Neotropical flowering plants. Diversification in this group was facilitated by shifts in several adaptive traits or "key innovations" including the transition from C to CAM photosynthesis associated with xeric (heat/drought) adaptation. We used phylogenomic approaches complemented by differential gene expression (RNA-seq) and targeted metabolite profiling to address the mechanisms of C /CAM evolution in the extremely species-rich bromeliad genus Tillandsia and related taxa. Evolutionary analyses of whole-genome sequencing and RNA-seq data suggest that evolution of CAM is associated with coincident changes to different pathways mediating xeric adaptation in this group. At the molecular level, C /CAM shifts were accompanied by gene expansion of XAP5 CIRCADIAN TIMEKEEPER homologs, a regulator involved in sugar- and light-dependent regulation of growth and development. Our analyses also support the re-programming of abscisic acid-related gene expression via differential expression of ABF2/ABF3 transcription factor homologs, and adaptive sequence evolution of an ENO2/LOS2 enolase homolog, effectively tying carbohydrate flux to abscisic acid-mediated abiotic stress response. By pinpointing different regulators of overlapping molecular responses, our results suggest plausible mechanistic explanations for the repeated evolution of correlated adaptive traits seen in a textbook example of an adaptive radiation. This article is protected by copyright. All rights reserved.

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