Ученые раскрыли ключевые аспекты эволюции MADS-box генов у зеленых растений

Гены MADS-box, критически важные регуляторные элементы у эукариот, претерпели значительную диверсификацию у зеленых растений. Несмотря на обширные исследования, их происхождение и эволюция, особенно взаимосвязь между разными типами генов и их функциональная диверсификация, оставались не до конца понятными.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Уханьского ботанического сада (WBG) Китайской академии наук прояснили ключевые аспекты эволюции этих генов. Систематически проанализировав геномные и транскриптомные данные 551 представительного эукариота и интегрировав данные о последовательностях и структуре белков, они реконструировали эволюционную историю этих важных генов. Результаты опубликованы в Plant Communications.

Команда идентифицировала 4899 последовательностей MADS-box у 445 видов. Все гены были разделены на два основных класса — тип I и тип II — на основе их структурных особенностей и эволюционного родства с хорошо охарактеризованными MADS-box генами животных и растений.

Ключевые выводы исследования

• Происхождение генов типа I: Растительные гены типа I имеют полифилетическое происхождение. Все гены типа I от хлорофитов и подгруппа Mα генов наземных растений (обозначенная как Mα-1) являются ортологами генов типа SRF (Serum response factor). Остальные Mα гены наземных растений (подгруппа Mα-2), а также все гены Mβ и Mγ наземных растений и все гены типа II растений являются ортологами генов типа MEF2 (Myocyte enhancer factor-2).

• Древние события дупликации: В стволовой группе современных стрептофитов выявлены два древних события дупликации. Первое разделило гены типа II на две различные клады. За ним последовала вторая дупликация, породившая две предковые линии MIKC генов, которые в итоге дали начало генам MIKC^C и MIKC*.

  • Важно: харофитные MIKC гены следует переклассифицировать как MIKC^C гены, так как они эволюционно ближе к MIKC^C генам наземных растений, чем к MIKC* генам.

• Эволюция структуры белка MIKC^C: Предковые белки MIKC^C имели сфероподобную архитектуру с длинными петлями, накладывавшими физические ограничения на тетрамеризацию. У наземных растений архитектура белков MIKC^C претерпела существенные изменения — в частности, значительное укорочение их C-концов.

  • Это усечение полностью экспонирует ключевые домены, что является структурной предпосылкой для образования тетрамеров.
  • K3 субдомен белков MIKC^C (особенно у папоротников) обогащен гидрофобными остатками, что указывает на потенциальную эволюционную адаптацию, связанную с диверсификацией олигомеризации MIKC^C у наземных растений.

• Филогенетический анализ: Четыре основные клады генов MIKC^C уже были сформированы у общего предка папоротников и семенных растений. Эти клады, вероятно, послужили генетической основой для функционального разнообразия генов MIKC^C у семенных растений.

В целом, результаты проясняют три критических аспекта эволюции генов MIKC^C: полифилетическое происхождение растительных генов типа I, раннее событие дупликации в стволовой группе стрептофитов, породившее гены MIKC^C и MIKC*, и поэтапные эволюционные процессы, лежащие в основе функциональной диверсификации генов MIKC^C у семенных растений.