Untersuchung der MADS-Box-Gene in Passionsfrüchten beleuchtet die Entwicklung pflanzlicher Organe und Stressreaktionen

Passionsfrucht (Passiflora edulis), bekannt für ihren Nährstoffreichtum und ihre aromatischen Früchte, wird in tropischen und subtropischen Regionen häufig angebaut. Passionsfrüchte können nicht nur das ganze Jahr über geerntet werden, sondern können auch als Gartenpflanze verwendet werden, was erheblich zu ihrem wirtschaftlichen Wert beiträgt.

Darüber hinaus ist es aufgrund seiner besonderen Blütenstruktur ein hervorragendes und einzigartiges Pflanzenmodell für die Untersuchung der Morphologie der Blütenorgane. Die MADS-Box-Genfamilie ist für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen essentiell und spielt eine zentrale Rolle bei verschiedenen biologischen Prozessen, einschließlich der Morphologie der Blütenorgane. Obwohl umfangreiche Untersuchungen zu Mitgliedern der MADS-Box-Genfamilie in verschiedenen Pflanzen durchgeführt wurden, wurde noch nicht über eine umfassende Untersuchung von Mitgliedern der MADS-Box-Genfamilie in Passionsfrüchten berichtet.

Tropische Pflanzen veröffentlicht Forschung mit dem Titel „Von der Genexpression zu Blütenmustern: genomweite Charakterisierung der MADS-Box-Genfamilie in Passionsfrüchten (Passiflora edulis)“ am 20. Februar 2024.

In dieser Studie kombinierten die Forscher das Hidden-Markov-Modell (HMM) und die BLAST-Suche, um 52 Mitglieder der MADS-Box-Genfamilie zu identifizieren, die aufgrund ihrer sequentiellen Positionen auf den Chromosomen als PeMADS1-PeMADS51 bezeichnet wurden, während ein einzelnes Mitglied einem Contig zugeordnet wurde mit dem Namen PeMADS52. Diese Gene zeigten variable Proteinlängen und Molekulargewichte mit isoelektrischen Punkten im Bereich von sauer bis basisch.

Die Stabilitäts-, Aliphatenindex- und Hydropathieanalysen deuteten auf eine unterschiedliche thermische Stabilität und Hydrophobie der Proteine ​​hin. Die Vorhersage der subzellulären Lokalisierung zeigt, dass PeMADS-Proteine ​​hauptsächlich im Zellkern, in Chloroplasten und Mitochondrien lokalisiert waren. Sequenz-Alignment und 3D-Strukturmodellierung ergaben eine hochkonservierte MADS-Domäne aus 52 PeMADS-Proteinen.

Die phylogenetische Analyse klassifizierte 52 MADS-Box-Gene weiter in zwei Typen mit fünf Untergruppen (Typ I: Mα, Mβ, Mγ; Typ II: MIKCC, MIKC*). Die Strukturanalyse zeigte, dass PeMADS-Proteine ​​innerhalb derselben Unterfamilie relativ konserviert sind. Die Untersuchung der cis-regulatorischen Elemente ergab Einblicke in die Reaktionen der Gene auf Licht, Hormone und Stress und unterstrich deren regulatorische Vielseitigkeit.

Chromosomenkartierung und Syntenieanalysen verdeutlichten den evolutionären Verlauf der Genfamilie, wobei Hinweise auf Duplikationsereignisse zu ihrer Erweiterung und Diversifizierung beitrugen.

Insbesondere schlugen die Forscher ein ABC(D)E-Modell vor, um die Regulierung der einzigartigen Blütenstruktur (Kelchblatt-Blütenblatt-Korona-Staubblatt-Fruchtblatt) in Passionsfrüchten aufzuklären. Expressionsmusteranalysen in Blütengeweben deuteten auf die Beteiligung spezifischer PeMADS-Gene an der Umsetzung des ABC(D)E-Modells der Blütenorganidentität hin.

Die unterschiedlichen Koronen wurden überwiegend durch B-, C(D)- und E-Klasse-Gene kontrolliert, was die Spekulation stützt, dass die Korona aus Staubgefäßen entstanden sein könnte. Viele PeMADS-Gene waren auch an der Entwicklungsregulierung der Entwicklung nichtfloraler Organe und Stressreaktionen beteiligt. Die Ergebnisse der Studie zur Temperatur und zur Reaktionsfähigkeit von Phytohormonen unterstreichen die Anpassungsfähigkeit der Genfamilie an Umweltreize.

Insgesamt schafft diese Arbeit ein grundlegendes Verständnis der MADS-Box-Genfamilie in Passionsfrüchten und bietet Einblicke in ihre Evolutionsgeschichte, strukturellen Merkmale und funktionellen Rollen sowohl bei der Entwicklung floraler als auch nicht-floraler Organe und ebnet den Weg für zukünftige funktionelle Charakterisierungen.