スイカ()のエクスパンシン遺伝子ファミリーのゲノムワイドな同定・解析・発現解析

Genome-wide identification, characterization, and expression analysis of the expansin gene family in watermelon ().

• Wenrui Gao
• Decui Li
• Xiaoxue Fan
• Yanjun Sun
• Bing Han
• Xiansheng Wang
• Gang Xu

抄録

エクスパンシンは、植物の細胞壁を緩めるタンパク質であり、細胞の肥大化、環境刺激への適応応答、様々な発生過程に関与している。エクスパンシンは多くの植物種で特徴づけられているが、スイカのエクスパンシン遺伝子ファミリーについてはほとんど報告されていない。本研究では、スイカゲノムに含まれる30個のエキパンシン遺伝子（ClEXPs）を同定した。これらの遺伝子は、4つのサブファミリー（7つのClEXLA、2つのClEXLB、18のClEXPA、3つのClEXPB）に分類され、スイカの染色体11本中10本に偏在していることが明らかになった。染色体マッピングの結果、スイカのエクスパンシンの拡大にはタンデム重複が重要な役割を果たしている可能性が示唆された。遺伝子構造とモチーフの同定から、同一サブファミリーとサブグループは遺伝子構造とモチーフが保存されていることが明らかになった。作用要素を検出した結果、ClEXPs遺伝子のプロモーター領域は、光応答性要素、ホルモン応答性要素、環境ストレス関連要素、発生関連要素に富むことが明らかになった。ClEXPsの発現パターンをqRT-PCRで調べた。その結果、15のClEXP遺伝子の発現パターンは3つの組織で異なることがわかった。また、我々が独自に行っているRNA-seq解析と公開されているRNA-seq解析の結果、ClEXPは果肉、果皮、種子において様々な発生段階で発現パターンが異なり、ほとんどのClEXPは環境ストレスや生物ストレスに対して高い応答性を示すことがわかった。本研究の結果は、スイカのエクスパンシン遺伝子ファミリーの機能同定に有用な知見を与えるものである。

Expansins are plant cell-wall loosening proteins involved in cell enlargement, adaptive responses to environmental stimuli, and various developmental processes. Although expansins have been characterized in many plant species, little is reported on this family in watermelon. In this study, 30 expansin genes in the watermelon genome (ClEXPs) were identified. These genes which were divided into four subfamilies (7 ClEXLAs, 2 ClEXLBs, 18 ClEXPAs, and 3 ClEXPBs) are unevenly distribute on 10 of 11 watermelon chromosomes. Chromosome mapping suggested that tandem duplication events may have played important roles in the expanding of watermelon expansins. Gene structure and motif identification revealed that same subfamily and subgroup have conserved gene structure and motif. Detection of -acting elements revealed that ClEXPs gene promoter regions were enriched with light-responsive elements, hormone-responsive, environmental stress-related, and development-related elements. Expression patterns of ClEXPs were investigated by qRT-PCR. The results showed that expression patterns of 15 ClEXP genes differed in three tissues. Through our own and public RNA-seq analysis, we found that ClEXPs had different expression patterns in fruit flesh, fruit rind, and seed at various developmental stages, and most of ClEXPs were highly responsive to abiotic and biotic stresses. Remarkably, 7 ClEXPs (, , , , , and ) exhibited positive response to at least three kinds of stresses, suggesting that they might play important roles in the crosstalk of stress signal pathways. The results of this study provide useful insights for the functional identification of expansin gene family in watermelon.

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