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胡娟（Juan Hu）、陈倩倩（Qianqian Chen）、阿提夫·伊德里斯（Atif Idrees）、毕万军（Wanjun Bi）、赖仲雄（Zhongxiong Lai）和孙云（Yun Sun）等研究人员于2023年8月13日在《Plants》期刊上发表了题为“Structural and Functional Analysis of the MADS-box Genes Reveals Their Functions in Cold Stress Responses and Flower Development in Tea Plant (Camellia sinensis)”的研究论文。该研究由福建农林大学园艺学院福建省茶科学重点实验室、生命科学学院、贵州大学昆虫研究所等多个机构合作完成。

学术背景

MADS-box基因家族是一类重要的转录因子，广泛存在于植物中，参与调控植物生长发育的各个方面。然而，对于一些代表性谱系如茶树（Camellia sinensis），MADS-box基因的进化关系和功能特征尚未有详细信息。本研究旨在通过系统鉴定和分析茶树中的MADS-box基因，揭示这些基因在冷胁迫响应和花发育中的作用，为茶树的分子育种提供理论基础。

研究方法

1. 基因鉴定与模型校正

研究首先从茶树参考基因组中鉴定了136个MADS-box基因，包括73个I型基因和63个II型基因。研究人员构建了一个569 bp的隐马尔可夫模型（HMM），用于检测潜在的MADS结构域。此外，通过手动校正和注释，研究人员改进了基因模型的准确性，识别出27个新基因，其中包括5个MIKC型基因。

2. 系统发育分析

利用FastTree软件构建了最大似然法（ML）系统发育树，分析了茶树、葡萄和拟南芥的II型MADS-box蛋白序列。结果显示，茶树的63个基因可以分为14个主要的MIKC型基因亚科。I型基因则分为两个亚类：Mα（39个）和Mγ（34个）。未发现Mβ亚类成员，这与葡萄和兰花的结果一致。

3. 基因结构与保守基序分析

研究人员分析了所有全长MADS-box基因的保守基序及其外显子-内含子组成。大多数MIKC基因共享六个基序（基序8、1、4、6、2和5），其中基序1代表MADS-box结构域。然而，在AP3/TM6/PI亚科中，TM6样基因仅具有三个基序（基序1、2和8），表明其蛋白质结构在进化过程中发生了分化。

4. 染色体定位与基因复制事件

研究绘制了茶树MADS-box基因的染色体分布图，发现这些基因不均匀地分布在所有染色体上。Chr5不含MADS-box基因，而Chr2和Chr11分别含有最多和最少的基因数（27个和1个）。基因组共线性分析显示，共有10对旁系同源基因来自串联重复（TD），18对旁系同源基因来自全基因组重复（WGD）或片段重复。段重复在II型基因的扩展中起重要作用，而串联重复主要贡献于I型基因的扩展。

5. 基因表达分析

为了探讨茶树MADS-box基因的表达模式，研究人员分析了不同组织和季节的RNA-seq数据。结果表明，63个II型基因可分为三大簇（A-C）和八个表达模块（I-VIII）。大多数基因在特定组织中表现出保守的表达模式，但AP1/FUL样基因的表达模式多样，出现在四个表达模块中。此外，研究人员还分析了冷胁迫条件下MADS-box基因的表达模式，发现CSFUL1A在冷驯化阶段显著上调，而在恢复期被抑制。

6. 花器官ABCE模型

基于转录组数据，研究人员检测了21个ABCD(E)模型基因在四个花器官和三个发育阶段的表达模式。提出了一个推定的ABCE模型，其中CSAP1、CSFUL1B和CSAGL6可能构成A功能，五个B类基因（CSAP3、CSPI1、CSPI2、CSTM6A和CSTM6B）表现出广泛的表达模式。C类基因（CSAG2A、CSAG2B和CSAG1）在雄蕊和雌蕊中高度表达，E类基因（CSSEP3A、CSSEP3B、CSSEP1B和CSSEP1C）在四个轮次中均有表达。

主要结果

1. 基因鉴定与模型校正

通过自建的核酸HMM模型，研究人员成功鉴定了136个MADS-box基因，其中包括27个新基因。手动校正和注释显著提高了基因模型的准确性。

2. 系统发育分析

茶树的II型MADS-box基因分布在所有14个主要的双子叶植物亚科中，与拟南芥和葡萄的分类结果一致。I型基因分为Mα和Mγ两个亚类，未发现Mβ亚类成员。

3. 基因结构与保守基序分析

大多数MIKC基因共享六个保守基序，而TM6样基因仅具有三个基序，表明其蛋白质结构在进化过程中发生了分化。I型基因的结构相对简单，通常只包含一个或两个外显子。

4. 染色体定位与基因复制事件

茶树MADS-box基因不均匀地分布在所有染色体上，Chr2和Chr11分别含有最多和最少的基因数。段重复在II型基因的扩展中起重要作用，而串联重复主要贡献于I型基因的扩展。

5. 基因表达分析

大多数MADS-box基因在特定组织中表现出保守的表达模式，但AP1/FUL样基因的表达模式多样。冷胁迫条件下，CSFUL1A在冷驯化阶段显著上调，而在恢复期被抑制。

6. 花器官ABCE模型

CSAP1、CSFUL1B和CSAGL6可能构成A功能，五个B类基因表现出广泛的表达模式。C类基因在雄蕊和雌蕊中高度表达，E类基因在四个轮次中均有表达。

结论与意义

本研究系统鉴定了茶树中的136个MADS-box基因，揭示了这些基因在冷胁迫响应和花发育中的作用。研究结果不仅丰富了茶树MADS-box基因的功能注释，还为茶树的分子育种提供了理论基础。特别是，提出的推定ABCE模型为进一步研究茶树花发育机制提供了重要参考。

研究亮点

1. 新基因的发现：通过自建的核酸HMM模型，首次鉴定了27个新基因。
2. 基因复制事件：段重复在II型基因的扩展中起重要作用，而串联重复主要贡献于I型基因的扩展。
3. 冷胁迫响应：CSFUL1A在冷驯化阶段显著上调，揭示了其在茶树适应冬季严寒中的潜在作用。
4. 推定ABCE模型：提出了一个推定的ABCE模型，为茶树花发育机制的研究提供了重要参考。

其他有价值的内容

研究还探讨了MADS-box基因在不同季节和组织中的表达模式，揭示了这些基因在茶树生长发育过程中的广泛保守性和遗传冗余性。