4つのバラ科種と3つのモデル植物におけるソルビトール代謝経路遺伝子のゲノム全体の同定と比較進化分析

ほとんどの陸上植物種とは対照的に、スクロースの代わりにソルビトールは、多くの酒科の主要な光合成産物です。ソルビトール-6-リン酸デヒドロゲナーゼ（S6PDH）、ソルビトールデヒドロゲナーゼ（SDH）、およびソルビトールトランスポーター（SOT）をコードする3つの重要な機能遺伝子が、主に合成、分解、ソルビトールの輸送の原因であることがよく説明されています。この研究では、S6PDH、SDH、およびSOT遺伝子のゲノムワイドな同定を4つのバラ科、ピーチ、メイ、リンゴ、洋ナシで実施し、ソルビトールバイオパスウェイが支配的であることを示しました（ソルビトール現在グループ、SPG）。トマト、ポプラ、シロイヌナズナを含む別の3つの関連種は、非ソルビトールのバイオパスウェイ（ソルビトール不在グループ、SAGと名付けられた）を示しました。SAGとSPGの間の3つの重要な遺伝子ファミリーの進化的違いを理解するために、対応する遺伝子の複製、進化速度、コドンバイアス、およびポジティブ選択パターンを分析および比較しました。SPGのソルビトール経路遺伝子は、分散およびタンデム遺伝子の重複を介して拡大することがわかった。分岐固有のモデル分析により、SDHおよびS6PDHクレードAがSPGでより強力な精製選択の下にあることが明らかになりました。SPGのSOTよりもS6PDHおよびSDHで最適なコドンのより高い頻度が見つかり、それらに対する精製選択効果を確認しました。さらに、分岐部モデル分析により、SOT遺伝子がSPGで陽性選択されていることが明らかになりました。発現分析は、ソルビトール関連遺伝子の多様な発現パターンを示しました。全体として、これらの発見は、酒科およびその他の非ソルビトールを支配的な経路における3つの重要なソルビトール代謝関連遺伝子ファミリーの進化的特性に関する新しい洞察を提供します。

In contrast to most land plant species, sorbitol, instead of sucrose, is the major photosynthetic product in many Rosaceae species. It has been well illustrated that three key functional genes encoding sorbitol-6-phosphate dehydrogenase (S6PDH), sorbitol dehydrogenase (SDH), and sorbitol transporter (SOT), are mainly responsible for the synthesis, degradation and transportation of sorbitol. In this study, the genome-wide identification of S6PDH, SDH and SOT genes was conducted in four Rosaceae species, peach, mei, apple and pear, and showed the sorbitol bio-pathway to be dominant (named sorbitol present group, SPG); another three related species, including tomato, poplar and Arabidopsis, showed a non-sorbitol bio-pathway (named sorbitol absent group, SAG). To understand the evolutionary differences of the three important gene families between SAG and SPG, their corresponding gene duplication, evolutionary rate, codon bias and positive selection patterns have been analyzed and compared. The sorbitol pathway genes in SPG were found to be expanded through dispersed and tandem gene duplications. Branch-specific model analyses revealed SDH and S6PDH clade A were under stronger purifying selection in SPG. A higher frequency of optimal codons was found in S6PDH and SDH than that of SOT in SPG, confirming the purifying selection effect on them. In addition, branch-site model analyses revealed SOT genes were under positive selection in SPG. Expression analyses showed diverse expression patterns of sorbitol-related genes. Overall, these findings provide new insights in the evolutionary characteristics for the three key sorbitol metabolism-related gene families in Rosaceae and other non-sorbitol dominant pathway species.