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辣椒R2R3-MYB转录因子家族的全基因组鉴定与比较进化分析

康凯程, 牛西强, 黄先忠, 胡能兵, 隋益虎, 张开京, 艾昊

植物学报 2021, 56 (3): 315-329. DOI: 10.11983/CBB20143

摘要（1850）

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MYB转录因子作为植物中最大的转录因子家族之一, 参与植物的生长、代谢、抵御生物和非生物胁迫等多种生理生化过程。R2R3-MYB是MYB转录因子家族的主要存在形式。辣椒是具有重要经济价值的蔬菜作物, 其R2R3-MYB转录因子缺乏系统的研究。从一年生辣椒(Capsicum annuum)、浆果状辣椒(C. baccatum)和中国辣椒(C. chinense)基因组中分别鉴定出94、92和94个R2R3-MYB基因, 基于系统发育关系将其分为28个亚族。共线性分析表明, 3种辣椒间存在73组直系同源R2R3-MYB基因, 一年生辣椒、浆果状辣椒和中国辣椒分别存在5、4和2个特有的R2R3-MYB基因。鉴定出12对重复基因, 其中8对是串联重复基因, 它们在3种辣椒分化前就已经存在。比较基因组学分析表明, 在辣椒进化过程中同源R2R3-MYB转录因子发生了功能分化。组织表达分析表明, 辣椒R2R3-MYB基因主要有3种表达特征: 在根、叶、茎和花中均高表达, 如CaMYB13/CbMYB12/CcMYB13; 仅在花中高表达, 如CaMYB93/CbMYB86/CcMYB12; 仅在根中高表达, 如CaMYB48/CbMYB47/CcMYB51。研究结果为深入揭示R2R3-MYB转录因子在辣椒生长发育中的生物学功能奠定了基础。

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图4 一年生辣椒、浆果状辣椒和中国辣椒中R2R3-MYB转录因子直系同源基因的数量

正文中引用本图/表的段落

在植物进化过程中经常会出现基因重复, 这也是植物基因家族发生扩张的重要原因之一(Cannon et al., 2004)。前人研究表明, 大约在170万年前浆果状辣椒和一年生辣椒、中国辣椒的祖先发生分化, 在110万年前一年生辣椒和中国辣椒也发生了分化(Kim et al., 2017)。为了确定3种辣椒间R2R3-MYB同源基因以及每种辣椒内部可能出现的基因重复现象, 本研究鉴定了3种辣椒中R2R3-MYB基因的进化关系。最终在3种辣椒中鉴定出73组直系同源R2R3-MYB基因(图4), 分别占一年生辣椒R2R3-MYB基因的77.66% (73/ 94)、浆果状辣椒R2R3-MYB基因的79.35% (73/92)和中国辣椒R2R3-MYB基因的77.66% (73/94)。这说明大多数R2R3-MYB基因在它们的祖先物种中存在, 并且在辣椒的进化过程中高度保守。

除了3种辣椒中都存在的直系同源R2R3-MYB基因, 我们检测发现25组R2R3-MYB基因只在2种辣椒中鉴定到。其中有9组(CbMYB6/CcMYB6、CbMYB24/CcMYB36、CbMYB26/CcMYB32、CbMYB41/ CcMYB90、CbMYB62/CcMYB64、CbMYB65/ CcMYB69、CbMYB70/CcMYB76、CbMYB71/ CcMYB78和CbMYB80/CcMYB85) R2R3-MYB基因在一年生辣椒中未鉴定到直系同源基因; 有10组(CaMYB7/CcMYB7、CaMYB40/CcMYB41、CaMYB42/CcMYB44、CaMYB60/CcMYB61、CaMYB63/ CcMYB63、CaMYB65/CcMYB48、CaMYB68/CcMYB68、CaMYB72/CcMYB73、CaMYB74/CcMYB93和CaMYB82/CcMYB72)在浆果状辣椒中未鉴定到直系同源基因; 有6组(CaMYB23/CbMYB20、CaMYB46/ CbMYB44、CaMYB58/CbMYB57、CaMYB75/CbMYB69、CaMYB79/CbMYB76和CaMYB88/CbMYB53)在中国辣椒中未鉴定到直系同源基因(图4)。一年生辣椒还存在5个特有的R2R3-MYB基因(CaMYB27、CaMYB54、CaMYB56、CaMYB61和CaMYB64), 浆果状辣椒和中国辣椒分别存在4个(CbMYB27、CbMYB54、CbMYB61和CbMYB64)和2个(CcMYB28和CcMYB84)特有的R2R3-MYB基因(图4)。上述结果表明, 在3种辣椒分化之后, 它们可能丢失了一些基因, 并获得了一些新基因。

本研究发现3种辣椒基因组中存在直系同源基因丢失。通过鉴定只找到73组在3种辣椒中均存在的直系同源R2R3-MYB基因, 其它直系同源R2R3-MYB基因存在不同程度的丢失(图4)。此外, 本研究还鉴定出12对重复基因, 其中8对是串联重复基因。这些串联重复基因分属3组直系同源基因, 但CaMYB87/ CaMYB88和CbMYB53/CbMYB53在中国辣椒中只找到1个直系同源基因CcMYB54。这进一步证明在辣椒进化的过程中, R2R3-MYB转录因子家族中不同的亚家族成员既有明显的收缩也有扩张趋势。

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