モノリニョール生合成遺伝子ファミリーのクレード分類は、標的遺伝子を明らかにしてLolium Perenneのリグニンを減少させる

モノコットでは、リグニン含有量は、細胞壁の画分の消化率に強い影響を与えます。エンジニアリングリグニン生合成には、モノリニョール生合成経路を構成する多遺伝子家族におけるパラログの役割に関する深い知識が必要です。モノリニョールの生合成に関与する可能性が高いLolium Perenneの候補遺伝子のゲノム全体の同定のために、バイオインフォマティクスアプローチを適用しました。より具体的には、4つのマルチゲンファミリーの系統発生クレードの機能的サブタイピングを実行しました：4CL、COMT、CAD、CCR。これらのファミリー内の機能的なクレード描写には、必須残基が考慮されました。この分類は、密接に関連する作物およびモデル種における遺伝子発現、遺伝子機能、および酵素活性に関する以前に公開された実験的証拠で補完されました。これにより、新規識別されたL. perenne遺伝子に関数を割り当て、パラログ間の機能的冗長性を評価することができました。2つの4CLパラログ、2つのCOMTパラログ、3つのCCRパラログ、1つのCAD遺伝子が、この種の発達的に調節されたリグニンを設計する遺伝的研究の主要な標的であることがわかりました。パラログとの間の配列保存の描写と対立遺伝子の多様性の最初の分析に基づいて、発現分析、逆遺伝学、関連性マッピングなどの前方遺伝学を含むリグニン生合成におけるこれらのパラログの役割をさらに研究する可能性について説明します。ジェノタイピングアッセイを開発したり、関連するマッピング研究においても、これらの遺伝子内の特定のSNPにパラログと特定のSNPに優先順位を付ける基準を提案します。L. Perenneはここで提示された分析の標的でしたが、この系統発生クレードの機能的サブタイピングは、他のモノコット種のモノリニョール生合成遺伝子を調査する研究にとって貴重なツールです。

In monocots, lignin content has a strong impact on the digestibility of the cell wall fraction. Engineering lignin biosynthesis requires a profound knowledge of the role of paralogues in the multigene families that constitute the monolignol biosynthesis pathway. We applied a bioinformatics approach for genome-wide identification of candidate genes in Lolium perenne that are likely to be involved in the biosynthesis of monolignols. More specifically, we performed functional subtyping of phylogenetic clades in four multigene families: 4CL, COMT, CAD and CCR. Essential residues were considered for functional clade delineation within these families. This classification was complemented with previously published experimental evidence on gene expression, gene function and enzymatic activity in closely related crops and model species. This allowed us to assign functions to novel identified L. perenne genes, and to assess functional redundancy among paralogues. We found that two 4CL paralogues, two COMT paralogues, three CCR paralogues and one CAD gene are prime targets for genetic studies to engineer developmentally regulated lignin in this species. Based on the delineation of sequence conservation between paralogues and a first analysis of allelic diversity, we discuss possibilities to further study the roles of these paralogues in lignin biosynthesis, including expression analysis, reverse genetics and forward genetics, such as association mapping. We propose criteria to prioritise paralogues within multigene families and certain SNPs within these genes for developing genotyping assays or increasing power in association mapping studies. Although L. perenne was the target of the analyses presented here, this functional subtyping of phylogenetic clades represents a valuable tool for studies investigating monolignol biosynthesis genes in other monocot species.