バラ科におけるNUDX1の重複と専門化は、バラの花びらでのゲラニオール生産につながりました

Nudixヒドロラーゼは、すべての生王国に遍在する酵素が保存されています。最近の研究により、いくつかのヌーディックスヒドロラーゼが植物のテルペノイド代謝に関与していることが明らかになりました。現代のバラでは、Rhnudx1は、バラの香りの主要な化合物であるゲラニオールの形成を担当しています。それにもかかわらず、この化合物は、多くのゲラニオール生産植物のモノテルペンシンターゼによって生成されます。結果として、これはrhnudx1関数の起源と、酒科、野生のバラ、および飼い主におけるNudx1遺伝子の進化に関する疑問を提起しました。ここでは、nudx1の3つの異なるクレードがロザイド科のサブファミリー（nudx1-1からnudx1-3クレード）に出現し、2つのサブクレードがローザ属（nudx1-1aおよびnudx1-1bサブクレード）で進化したことを示しました。また、NUDX1-1BサブクレードはNUDX1-1Aサブクレードよりも古く、NUDX1-1A遺伝子がより古いNUDX1-1B遺伝子の横断的な複製によって出現したことも示しました。転位後、Nudx1-1Aはシス重複しており、異なる種でのゲラニオールの産生に遺伝子投与効果をもたらしました。さらに、NUDX1-1Aの外観には、おそらくコピーレトロトランスポゾン起源からのプロモーターの進化が伴い、花びら固有の発現につながりました。したがって、我々のデータは、ゲラニオール形成におけるNUDX1-1Aのユニークな機能が、家畜化前にローザ属で自然に進化したことを強く示唆しています。

Nudix hydrolases are conserved enzymes ubiquitously present in all kingdoms of life. Recent research revealed that several Nudix hydrolases are involved in terpenoid metabolism in plants. In modern roses, RhNUDX1 is responsible for formation of geraniol, a major compound of rose scent. Nevertheless, this compound is produced by monoterpene synthases in many geraniol-producing plants. As a consequence, this raised the question about the origin of RhNUDX1 function and the NUDX1 gene evolution in Rosaceae, in wild roses or/and during the domestication process. Here, we showed that three distinct clades of NUDX1 emerged in the Rosoidae subfamily (Nudx1-1 to Nudx1-3 clades), and two subclades evolved in the Rosa genus (Nudx1-1a and Nudx1-1b subclades). We also showed that the Nudx1-1b subclade was more ancient than the Nudx1-1a subclade, and that the NUDX1-1a gene emerged by a trans-duplication of the more ancient NUDX1-1b gene. After the transposition, NUDX1-1a was cis-duplicated, leading to a gene dosage effect on the production of geraniol in different species. Furthermore, the NUDX1-1a appearance was accompanied by the evolution of its promoter, most likely from a Copia retrotransposon origin, leading to its petal-specific expression. Thus, our data strongly suggest that the unique function of NUDX1-1a in geraniol formation was evolved naturally in the genus Rosa before domestication.